Меню

Структура металлов под давлением

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными условиями деформирования, в зависимости от которых различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов (рис. 3.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).


Рис. 3.1. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации:

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. Так как в равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, появляющиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Рекристаллизации протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т.д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механические свойства металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. Так, в результате возврата значительно повышаются электрическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис. 3.1, б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие деформирующие силы (менее мощное оборудование).

Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок малых размеров (малой толщины) трудно выдержать необходимые температурные условия ввиду быстрого их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструментом.

Читайте также:  Закачка жидкости под давлением

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки бо-. лее интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах.

Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

Влияние холодной деформации на свойства металла можно использовать для улучшения эксплуатационных свойств деталей. Управлять изменением свойств в требуемом направлении и на желаемую величину можно выбором рационального сочетания холодной и горячей деформаций, а также числа и режимов термических обработок в процессе изготовления детали.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных размеров и форм). Кроме того, в нем имеются пористость, газовые пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до достаточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристаллитов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение, т.е. размеры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы по всем направлениям (равноосная структура).

Если слиток загрязнен неметаллическими включениями, обычно располагающимися по границам кристаллитов, то в результате обработки давлением неметаллические включения вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. Эти волокна выявляются травлением и видны невооруженным глазом в форме так называемой волокнистой макроструктуры (рис. 3.2, а). Полученная в результате обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя в зависимости от направления пластического течения металла может изменить лишь направление и форму волокон макроструктуры.

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характеризуется анизотропией (векториальностью) механических свойств. При этом показатели прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.) в разных направлениях отличаются незначительно, а показатели пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их.


Рис. 3.2. Макроструктура металла после обработки давлением

Так как направление волокон зависит от направления течения металла при деформировании заготовки в готовой детали желательно предусмотреть благоприятное с точки зрения ее эксплуатации расположение волокон. При этом общие рекомендации следующие: необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент этой детали работает на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо, чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по касательной и не перерезались наружными поверхностями детали.

Выполнение этих требований не только повышает надежность детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные характеристики, например сопротивление истиранию.

Возможность воздействия обработкой давлением на расположение волокон, а следовательно, и на свойства деталей можно иллюстрировать следующим примером. В зубчатом колесе, изготовленном резанием из прутка (рис. 3.2, б), растягивающие напряжения, возникающие при изгибе зуба 1 под действием сопряженного колеса, направлены поперек волокон, что понижает их надежность. При горячей штамповке зубчатого колеса из полосы (рис. 3.2, в) волокна по-разному ориентированы в различных зубьях относительно наибольших растягивающих напряжений: в зубе 7 — вдоль волокон, а в зубе 2 — поперек. Следовательно, зубья оказываются неравнопрочными.

Читайте также:  Давление в желудке в спину

При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис. 3.2, г) из отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиальное направление. В этом случае все зубья равнопрочны, а наибольшие растягивающие напряжения, возникающие при изгибе, направлены вдоль волокон.

Дата добавления: 2015-08-04 ; просмотров: 5553 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Влияние обработки давлением на структуру и свойства исходного металла

При обработке металла давлением изменяется не только форма заготовки, но и происходит сложный физический процесс, влияющий на структуру металла, а следовательно, на его механические и физические свойства. Пластическая деформация металла происходит за счет внутрикристаллитных (внутризеренных) и межкристаллитных (межзеренных) сдвигов (сдвиги происходят по плоскостям скольжения под углом 45º к направлению действующей силы) ( рис. 105 ). Чем больше образуется сдвигов, т. е. чем больше пластическая деформация, тем больше упрочнение (наклеп) и тем большее усилие потребуется для дальнейшего деформирования металла. Пластическая деформация зависит от природы металла, температуры, скорости и степени деформации, поэтому различают горячую, неполную горячую и холодную обработку давлением.

Рис. 105. Схема изменения строения металла в плоскости сдвига: а — зерно до сдвига; б — зерно после сдвига; в — кристаллическая решетка

Горячей обработкой называют такую обработку, в процессе которой рекристаллизация проходит настолько полно, что металл по окончании обработки давлением имеет рекристаллизованную структуру без следов упрочнения. Для чистых металлов явление рекристаллизации возникает при температурах, по данным профессора Бочвара А. А., около 0,4 от абсолютной температуры плавления.

При рекристаллизации в деформируемом металле образуются центры рекристаллизации, вокруг которых растут новые зерна взамен деформированных, а металл приобретает равноосную неориентированную структуру. Скорость рекристаллизации с повышением температуры возрастает. Температура рекристаллизации имеет большое практическое значение. Во-первых, для того чтобы восстановить структуру и свойства исходного металла, его необходимо нагреть до температуры, превышающей температуру рекристаллизации, а затем охладить по определенному режиму. Во-вторых, пластическая деформация при температуре выше температуры рекристаллизации, хотя и протекает с образованием сдвигов, вызывающих упрочнение, но упрочнение будет немедленно устраняться протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Следовательно, при пластической деформации выше температуры рекристаллизации упрочнения не произойдет. Горячая обработка стали осуществляется при температурах, лежащих выше линии GSK (см. рис. 6), т. е. когда сталь имеет аустенитную структуру (доэвтектоидная) или аустенит плюс цементит (заэвтектоидная).

Ковка стального слитка изменяет первичное дендритное строение металла. Происходит вытягивание и ориентация кристаллов и межкристаллического вещества, содержащего неметаллические включения, расположенные по границам кристаллов, в направлении наиболее интенсивного течения металла. В результате образуется вторичная волокнистая макроструктура.

Волокнистая макроструктура, полученная горячей обработкой давлением, является устойчивой, она не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением ( рис. 106 ). Обработкой давлением можно изменить только направление волокон.

Рис. 106. Макроструктура стали: а — после горячей деформации; б — литой

Горячая обработка давлением оказывает заметное влияние на следующие механические характеристики стали: удельное ударное сопротивление αк, поперечное сужение φ, относительное удлинение δ и предел усталости σ-1. Эти механические свойства в продольных (вдоль волокна) образцах с повышением степени уковки (Степенью уковки называют отношение первоначальной площади сечения заготовки F0 к последующей F (после ковки)) до 10 растут, после чего остаются стабильными. В поперечных же образцах с увеличением степени уковки упомянутые характеристики, как правило, падают.

Читайте также:  Холодная сварка ремонт под давлением

После горячей обработки давлением анизотропия стали выражается в неодинаковых механических качествах: вдоль волокон механические качества лучше, в поперечном — хуже. Например, вырезанные из одного прокатаного прутка стальные образцы, взятые в продольном направлении, показали удельную ударную вязкость 13,5 кГм/см2, а взятые в поперечном — 1,3 кГм/см 2 . Однако чем меньше в металле примесей (фосфор, сера, закись железа, неметаллические включения), тем меньше отличаются механические свойства поперечного образца от продольного.

Неполной горячей обработкой называют такую обработку, в процессе которой рекристаллизация проходит неполностью. Металл по окончании обработки имеет неодинаковые механические свойства как в поперечном, так и в продольном направлении.

Неполная горячая обработка ведет к получению неоднородной структуры и понижению механических качеств, поэтому в производстве применяется редко. К этому следует добавить, что продукция, полученная при неполной горячей обработке может иметь значительные по величине остаточные напряжения, могущие при недостаточной пластичности вызвать разрушение металла. Обычно неполная горячая обработка стали производится при температурах, лежащих ниже линии GSK (см. рис. 6).

Холодной обработкой называют такую обработку, которая сопровождается упрочнением металла. Эта обработка протекает при температурах ниже температуры начала неполного горячего деформирования. Признаками упрочнения является вытянутая форма зерен с ориентировкой их в направлении наибольшей деформации.

Холодная обработка повышает предел прочности σδ, предел текучести σт и твердость металла НВ при одновременном снижении относительного удлинения δ, поперечного сужения φ и удельного ударного сопротивления αк. Чем выше степень деформации (Степень деформации определяется отношением F 0 -F 1 /F0ּ100%, где F 0 — площадь поперечного сечения образца до деформации; F 1 — то же после деформации.), тем больше изменяются механические характеристики.

Если от получаемой продукции не требуются повышенные ударное сопротивление или относительное удлинение, то холодная обработка давлением является наиболее желательной.

Теплопроводность, электропроводность и магнитная проницаемость в результате упомянутых обработок уменьшаются. Также изменяются и другие физические свойства.

Таким образом, в процессе пластической деформации изменяются форма исходной заготовки, структура обрабатываемого металла, а следовательно, его механические и физические свойства. При соответствующей технологии обработки давлением можно получать не только заданную конструкцию детали, но и нужные механические свойства.

При конструировании деталей и разработке технологии их изготовления с применением обработки давлением необходимо учитывать волокнистую структуру, влияющую на механические качества металла. Направление максимальных нормальных (растягивающих и сжимающих) напряжений, возникающих при работе деталей, должно совпадать с направлением волокон, а направление максимальных касательных (на срез, сдвиг) напряжений должно быть им перпендикулярно. Волокна, полученные при обработке давлением, должны огибать контур детали, а не перерезаться.

Для пояснения приведем два примера. Ведущая шестерня трактора С-80, полученная резанием из прокатной заготовки ( рис. 107, а ), имеет неудовлетворительное расположение волокон и утолщенном сечении, поэтому зуб шестерни будет непрочным. Изготовление шестерни высадкой из прутка диаметром, равным минимальному диаметру концевой части ( рис. 107, б ), позволяет получить поковку с благоприятным расположением волокон. Зуб такой шестерни будет обладать повышенной прочностью.

Рис. 107. Схемы макроструктуры: а — ведущей шестерни трактора С-80, изготовленной резанием из прокатанной заготовки; б — высадкой из прутка; в — не правильно и г — правильно изготовленного крюка.

Крюк, изготовленный из короткой прокатанной заготовки, будет непрочным, так как волокна в нем расположены неправильно ( рис. 107, в ). При ковке крюка из заготовки с предварительной вытяжкой конца и последующей гибкой ( рис. 107, г ) достигается высокая прочность благодаря благоприятному расположению волокон.

Источник

Adblock
detector