Лекція № 19 .
Фізичні основи обробки металів тиском
1) Пластична деформація - складний фізико-хімічний процес, в результаті якого поряд зі зміною форми і будови вихідного металу змінюються його механічні та фізико-хімічні властивості. Розглянула фізичну сутність процесу пластичної деформації.
Як відомо, метали та сплави мають кристалічну будову, що характеризується тим, що атоми в кристалах розташовуються в місцях стійкої рівноваги в строго визначеному для кожного металу порядку.
При особливих умовах охолодження метал твердне у вигляді великого кристала правильної форми, званого монокристалом. Будова монокристала визначається відповідною кристалічною решіткою.
Розглянемо холодну пластичну деформацію монокристала. Під дією зовнішніх сил у монокристалі виникають напруги. Поки ці напруги не перевищили цілком визначеної для даного металу величини (званої межею пружності), відбувається пружна деформація. При пружній деформації атоми відхиляються з місць стійкого рівноваги на відстані, що не перевищують міжатомні. Після зняття навантаження під дією міжатомних сил атоми повертаються в колишні місця стійкого рівноваги, форма тіла відновлюється, при цьому змін у будові і властивостях металу не відбувається. Пружна деформація супроводжується незначним оборотним зміною обсягу тіла, яке, наприклад, для міді при напругах стиснення 100 кг/млti2 (980 Мн/м2) становить 1,3%.
C збільшенням зовнішньої навантаження збільшуються і відхилення атомів. При визначених для даного металу напругах (межі плинності) атоми зміщуються в нові місця стійкого рівноваги на відстані, значно перевищують міжатомні. Після зняття навантаження форма монокристала не відновлюється, він отримує пластичну деформацію.
Необоротні зміщення атомів в монокристалі відбуваються в основному у вигляді ковзання та в меншій ступеня, у вигляді двійникування.
Ковзання представляє собою зсув атомів в тонких шарах монокристала. Зміщення відбуваються по особливим кристалографічним площинах, причому відстань між площинами ковзання складає 100 200А. За певних умов сліди ковзання можна спостерігати у вигляді смуг на поверхні деформованого металу.
Двійникування, яке в основному відбувається при ударних навантаженнях, полягає в стрункому зсуві групи атомів щодо особливої вЂ‹вЂ‹площині - площині двійникування.
Зміщена частина монокристала буде віддзеркалювати (двійником) недеформірованной його частини.
Пластична деформація монокристала супроводжується іскаженіeм кристалічної структури, освітою осколків і вознікновeніeм залишкових напружень у кристалі.
Ці явища, утруднюючи процес подальшої деформації, викликають зміни механічних і фізико-хімічних властивостей вихідного металу: міцність, твердість, електроопір і хімічна активність збільшуються, при oдноврeменном зменшенні пластичності, ударної в'язкості, магнітної проникності і т. д.
Сукупність змін механічних і фізико-хімічних властивостей в результаті холодної пластичної деформації називають зміцненням (або наклепом).
Необхідно мати на увазі, що при пластичній деформації ніякої зміни щільності металу практично не відбувається, його обсяг залишається постійним.
Як зазначалося вище, застосовуються в промисловості метали і сплави мають полікристалічні будову.
При обробці тиском таких металів відбувається пластічecкая деформація окремих зерен шляхом ковзання і двійникування (аналогічно монокристалів) і зміщення їх відносно один одного. Деформація супроводжується роздробленням зерен і їх подовженням в напрямку найбільшого течії металу. В результаті цього, останній набуває строчно дрібнозернисту структуру, чітко спостережувану під мікроскопом (рис. 1, а).
Одночасно в зернах, так само як і при холодній деформації монокристала, спотворюється кристалічна структура, oбpазуются крісталлітниe осколки і виникають залишкові напруги. Розглянуті явища викликають зміцнення полікристалічного металу.
B більшості сплавів завжди присутні нeметаллічeскіе домішки (оксиди, карбіди і т. д.), які розташовуються між зернами у вигляді плівок або окремих кульок. При обробці тиском ці включення роздроблюються і витягуються, надаючи металу волокнисту будову, котоpoе при відповідній обробці поверхні спостерігається неозброєним оком.
Величина пластичної деформації металів обмежена їх пластичними властивостями. При деякій, цілком визначеною для кожного металу, величині деформації в ньому утворюються мікротріщини, які при подальшому деформуванні інтенсивно розвиваються і викликають його руйнування.
2) Нагрівання металу . Метали, оброблювані тиском, повинні володіти пластичністю, яка визначається механічними властивостями: відносним подовженням, поперечним звуженням, ударною в'язкістю і ін Орієнтовні дані пластичності металу можна отримати випробуванням на розтяг. Якщо межа міцності при розтягуванні з збільшенням температури падає, а відносне подовження і звуження збільшуються, то опір деформуванню зменшується, метал стає ковким. Чим вище пластичність і нижче міцність, тим більшою ковкістю володіє метал.
Найкраща пластичність стали досягається нагріванням, так як вона безперервно збільшується в інтервалі температур приблизно від 300 до 1200 В° С в залежності від вмісту в сталі вуглецю.
При нагріванні стали вище температури початку гарячої обробки тиском настає перегрів, який проявляється в різкому зростанні аустенітних зерен і зниженні пластичності. Остання в процесі обробки може порушити цілісність заготовки. Перегрів вуглецевих сталей виправляють термічною обробкою (отжигом). Однак виправлення деяких сталей (наприклад, хромоникельовой) пов'язане з великими труднощами, тому його слід уникати.
При нагріванні сталі до температур, близьких до температур початку плавлення, настає перепал, характеризується появою тендітної плівки між зернами внаслідок окислення їх кордонів. Перепалений метал втрачає пластичність, стає крихким і являє собою невиправний брак. Слід зауважити, що на перегрів і на перепал впливають і температура, і времянахожденія металу в зоні високих температур. Отже, гаряча обробка тиском має здійснюватись нижче температури перепалу і навіть нижче зони перегріву, тобто в інтервалі температур, при яких метал має найвищу пластичність і найменшу опірність деформуванню.
Гаряча обробка металів тиском в зоні встановлених температур знижує опір деформуванню приблизно в 10-15 разів у порівнянні зі звичайним холодним станом. Таким чином, при обробці тиском необхідно дотримуватися певний температурний інтервал, що залежить від виду та хімічного складу сплаву. Для вуглецевої сталі область гарячої обробки тиском наведена на рис. 9. За цій діаграмі встановлюють інтервал температур обробки тиском тієї чи іншої марки вуглецевої сталі. З діаграми видно, що стали з меншим вмістом вуглецю обробляються тиском при більш високих температурах, а сталі з підвищеним вмістом вуглецю при дещо знижених температурах. Всі домішки, що входять в сталь, ведуть до пониження температур обробки тиском.
Температурний інтервал обробки тиском легованих сталей характерний деяким звуженням з невеликим зниженням граничних температур обробки.
Мідь обробляється в зоні температур 900-700 В° C, латунь в зоні 760-600 В° C, бронза - у зоні 900-750 В° С.
Алюмінієві сплави обробляються при температурах 470-380 В° C, а магнієві стали - в зоні 430-350 В° C або в зоні 400-300 В° C в залежності від складу марки.
Термічний режим нагріву стали перед обробкою тиском повинен забезпечити: одержання необхідної температури заготовки при рівномірному прогріві її по перетину і довжині, збереження цілісності заготовки, мінімальне зневуглецювання поверхневого шару і мінімальний відхід металу в окалину (чад).
Час нагріву металу до заданої температури залежить...
