Платична деформація та нагрівання металу
Фізичні основи обробки металів тиском
1)Пластична деформація- складний фізико-хімічний процес, в результаті якого поряд зі зміною форми та будови вихідного металу змінюються його механічні та фізико-хімічні властивості. Розглянула фізичну суть процесу пластичної деформації.
Як відомо, метали та сплави мають кристалічну будову, що характеризується тим, що атоми в кристалах розташовуються в місцях стійкої рівноваги у строго визначеному для кожного металу порядку.
За особливих умов охолодження метал твердне у вигляді великого кристала правильної форми, званого монокристалом. Будова монокристала визначається відповідною кристалічною решіткою.
Розглянемо холодну пластичну деформацію монокристалу. Під впливом зовнішніх сил у монокристалі виникають напруги. Поки ця напруга не перевищила цілком визначеної для даного металу величини (називається межею пружності), відбувається пружна деформація. При пружній деформації атоми відхиляються з місць стійкої рівноваги на відстані, що не перевищують міжатомні. Після зняття навантаження під дією міжатомних сил атоми повертаються в колишні місця стійкої рівноваги, форма тіла відновлюється, при цьому змін у будові та властивостях металу не відбувається. Пружна деформація супроводжується незначною оборотною зміною об'єму тіла, яка, наприклад, для міді при напругах стиснення 100 кг/млti2 (980 Мн/м2) становить 1,3%.
Зі збільшенням зовнішнього навантаження збільшуються і відхилення атомів. При певних для даного металу напругах (межі плинності) атоми зміщуються в нові місця стійкої рівновагина відстані, що значно перевищують міжатомні. Після зняття навантаження форма монокристалу не відновлюється, він одержує пластичну деформацію.
Необоротні усунення атомів у монокристалі відбуваються переважно у вигляді ковзання й у меншою мірою, як двойникования.
Ковзання є зміщення атомів в тонких шарах монокристалу. Зміщення відбуваються за особливими кристалографічними площинами, причому відстань між площинами ковзання становить 100 200А. За певних умов сліди ковзання можна спостерігати у вигляді смуг на поверхні металу, що деформується.
Двійникування, яке в основному відбувається при ударних навантаженнях, полягає у стрункому зміщенні групи атомів щодо особливої площини – площини двійникування.
Зміщена частина монокристалу буде дзеркальним відображенням (двійником) недеформованої частини.
Пластична деформація монокристала супроводжується спотворенням кристалічної структури, утворенням уламків та виникненням залишкових напруг у кристалі.
Ці явища, ускладнюючи процес подальшої деформації, викликають зміни механічних та фізико-хімічних властивостей вихідного металу: міцність, твердість, електроопір та хімічна активність збільшуються, при одночасному зменшенні пластичності, ударної в'язкості, магнітної проникності тощо.
Сукупність змін механічних та фізико-хімічних властивостей у результаті холодної пластичної деформації називають зміцненням (або наклепом).
Необхідно мати на увазі, що при пластичній деформації жодної зміни густини металу практично не відбувається, його обсяг залишається постійним.
Як зазначалося вище, застосовувані в промисловості метали та сплави маютьполікристалічна будова.
При обробці тиском таких металів відбувається пластична деформація окремих зерен шляхом ковзання та двійникування (аналогічно монокристалу) та зміщення їх відносно один одного. Деформація супроводжується роздробленням зерен та їх подовженням у напрямі найбільшого перебігу металу. В результаті цього, останній набуває рядкової дрібнозернистої структури, що чітко спостерігається під мікроскопом (рис. 1, а).
Одночасно в зернах, так само як і при холодній деформації монокристалу, спотворюється кристалічна структура, утворюються кристаллітні уламки і виникають залишкові напруги. Розглянуті явища викликають зміцнення полікристалічного металу.
У більшості сплавів завжди присутні неметалеві домішки (окисли, карбіди і т. д.), які розташовуються між зернами у вигляді плівок або окремих кульок. При обробці тиском ці включення подрібнюються і витягуються, надаючи металу волокнисту будову, яка при відповідній обробці поверхні спостерігається неозброєним оком.
Розмір пластичної деформації металів обмежена їх пластичними властивостями. При деякій, цілком визначеної кожного металу, величині деформації у ньому утворюються микротрещины, які за подальшому деформуванні інтенсивно розвиваються і викликають його руйнація.
2)Нагрів металу. Метали, що обробляються тиском, повинні мати пластичність, яка визначається механічними властивостями: відносним подовженням, поперечним звуженням, ударною в'язкістю та ін. Орієнтовні дані пластичності металу можна отримати випробуванням на розтяг. Якщо межа міцності при розтягуванні зі збільшенням температури падає, а відносне подовження та звуженнязбільшуються, то опір деформуванню зменшується, метал стає ковким. Чим вище пластичність і нижче міцність, тим більшим ковкістю має метал.
Найкраща пластичність сталі досягається нагріванням, так як вона безперервно збільшується в інтервалі температур приблизно від 300 до 1200°З залежно від вмісту вуглецю в сталі.
При нагріванні стали вище температури початку гарячої обробки тиском настає перегрів, який проявляється у різкому зростанні аустенітних зерен та зниженні пластичності. Остання у процесі обробки може порушити цілісність заготівлі. Перегрів вуглецевих сталей виправляють термічною обробкою (відпалом). Однак виправлення деяких сталей (наприклад, хромонікелевої) пов'язане з великими труднощами, тому його слід уникати.
При нагріванні сталі до температур, близьких до температур початку плавлення, настає перепал, що характеризується появою тендітної плівки між зернами внаслідок окислення їх меж. Перепалений метал втрачає пластичність, стає крихким і є невиправним шлюбом. Слід зазначити, що на перегрів і перепал впливають і температура, і час знаходження металу в зоні високих температур. Отже, гаряча обробка тиском повинна здійснюватись нижче температури перепалу і навіть нижче зони перегріву, тобто в інтервалі температур, при яких метал має найвищу пластичність та найменшу опірність деформуванню.
Температурний інтервал обробки тиском легованих сталей характерний деяким звуженням із невеликим зниженням граничних температур обробки.
Мідь обробляється у зоні температур 900-700°C, латунь у зоні 760-600°C, бронза - у зоні 900-750°С.
Алюмінієві сплави обробляються при температурі 470-380°C, амагнієві сталі - у зоні 430-350°C чи зоні 400-300°C залежно від складу марки.
Термічний режим нагрівання сталі перед обробкою тиском повинен забезпечити: отримання необхідної температури заготовки при рівномірному прогріванні її за перерізом і довжиною, збереження цілісності заготовки, мінімальне знеуглерожування поверхневого шару та мінімальний відхід металу в окалину (чад).
Час нагріву металу до заданої температури залежить від температури робочого простору печі, форми перерізу та розмірів заготовки, фізичних властивостей металу та способу укладання заготовок на поду печі. Круглі заготовки нагріваються швидше, ніж квадратні та прямокутні, а заготовки, укладені в розрядку (з інтервалом), нагріваються швидше, ніж заготовки, укладені впритул.
Що температура робочого простору печі, тим менше часу витрачається на нагрівання заготовки. Різниця між температурою робочого простору печі та необхідною температурою нагріву заготовки зветься температурного напору. Розмір його за нормальному нагріванні становить 100-150° З.
При швидкісному нагріванні температурний напір становить 200-300°C, тобто значно вище величини температурного напору при звичайному нагріванні, а, отже, температура робочого простору печі при швидкісному нагріванні буде вище температури робочого простору печі в порівнянні зі звичайним нагріванням. При швидкісному нагріванні заготівлі, щоб уникнути перегріву, транспортуються через піч протягом точно встановленого часу, а температура печі регулюється автоматично.
Швидкісний нагрівання сталевих заготовок у полум'яних печах протікає в 3-4 рази швидше порівняно із звичайним нагріванням. Такому нагріванню піддають заготовки з конструкційної вуглецевої сталі діаметром або стороною квадрата до100мм. Він допускає нагрівання близько 1 см товщини заготовки за хвилину. Швидкісний нагрівання сталі знижує чад металу до 1% замість 3%, який має місце при звичайному нагріванні, зменшує знеуглерожування поверхневого шару та підвищує продуктивність печі.