Změny struktury a vlastností kovů během tlakového zpracování | MARKMET

Jestliže při pružných deformacích deformované těleso po odstranění vnějších sil zcela obnoví svůj původní tvar a rozměry, pak při plastických deformacích přetrvává změna tvaru a velikosti způsobená působením vnějších sil i po ukončení působení těchto sil. Elastická deformace je charakterizována posunutím atomů vůči sobě o množství menší, než jsou meziatomové vzdálenosti, a po odstranění vnějších sil se atomy vrátí do své původní polohy. Při plastických deformacích jsou atomy vůči sobě posunuty o množství větší, než jsou meziatomové vzdálenosti a po odstranění vnějších sil se nevracejí do původní polohy, ale zaujímají nové rovnovážné polohy.

Velikost plastické deformace není neomezená, při určitých hodnotách může začít destrukce kovu.

Velikost plastické deformace, které lze dosáhnout bez destrukce, je ovlivněna mnoha faktory, z nichž hlavní jsou: mechanické vlastnosti kovu, teplotní a rychlostní podmínky deformace a průběh napětí. Poslední faktor má velký vliv na hodnotu mezní deformace. Maximální konečná deformace. je dosaženo při absenci tahových napětí a zvýšení tlakových napětí. V podmínkách všestranného stlačení mohou i křehké materiály, jako je mramor, podléhat plastické deformaci. Nyní bylo zjištěno, že všechny moderní supertvrdé materiály se stávají plastickými, když jsou podrobeny všestrannému stlačení pod tlakem přes 60 tisíc MPa. Vnější podmínky (tlak) mohou ovlivnit nejen plasticitu, ale i pevnost, ale i další vlastnosti. Křehký molybden, vystavený hydrolisování, tedy zvyšuje svou pevnost až 3krát, tažnost – 10krát.

Samotestovací otázky

1.Jaký je rozdíl mezi plastickou deformací a elastickou deformací?

2.Jaké faktory ovlivňují míru plastické deformace?

3. V jakých případech se používá zákon konstantního objemu?

4.Jaký je účinek zákona nejmenšího odporu?

5.Jaký vliv má plastická deformace za studena na strukturu kovu a mechanické vlastnosti?

6.Jaká je teplota rekrystalizace?

7.K jakým procesům dochází při plastické deformaci za tepla?

8. Jaký je rozdíl mezi neúplnou deformací za tepla a úplnou?

9. Výhody tváření kovů oproti jiným technologickým postupům?

Významnými výhodami tváření kovů oproti řezání je možnost výrazného snížení kovového odpadu a také zvýšení produktivity práce, neboť v důsledku jediného působení síly lze výrazně změnit tvar a rozměry deformovaného obrobku. Kromě toho je plastická deformace doprovázena změnou fyzikálních a mechanických vlastností kovu obrobku, z čehož lze získat díly s nejlepšími výkonnostními vlastnostmi (pevnost, tuhost, vysoká odolnost proti opotřebení atd.) s nejmenší hmotností. Tyto a další výhody tváření kovů (uvedené níže) přispívají k trvalému růstu jeho podílu v kovoobrábění. Zlepšení technologických postupů tváření kovů, jakož i použitého zařízení, umožňuje rozšířit sortiment vyráběných tvářením, zvětšit sortiment dílů v hmotnosti a velikosti a také zvýšit rozměrovou přesnost získaných polotovarů. tvářením kovů,

Základem tváření kovů je proces plastické deformace, při kterém se mění tvar beze změny hmoty. Hmotnostní výpočty velikosti a tvaru tělesa při tlakové úpravě vycházejí ze zákona stálosti objemu, jehož podstatou je, že objem tělesa před a po plastické deformaci se předpokládá nezměněný: V₁ -PROTI₂ = konst(V₁a V₂ – před a po deformaci).

Změny tvaru těla mohou nastat ve směru tří hlavních os; v tomto případě má každý bod tendenci se pohybovat směrem, ve kterém jeho pohybu vytváří nejmenší odpor. Tato pozice v teorii tváření kovů se nazývá zákon nejmenšího odporu.

Když těleso volně mění tvar v různých směrech, největší deformace nastává ve směru, ve kterém většina pohybujících se bodů naráží na nejmenší odpor jejich pohybu.

Takže pokud je například při válcování ve dvou válcích s příčnými zářezy tok kovu podél osy válcování omezen a zvýšen v příčném směru, pak u kruhových zářezů bude pozorován opačný jev.

Dalším příkladem zákona nejmenšího odporu je přeměna vzorku čtvercového průřezu (nebo jakéhokoli jiného) na kruhový, když je rozrušen. Toto je pravidlo nejmenšího obvodu při usazování.

Pro všechny způsoby tváření kovů platí zákony konstantního objemu a nejmenšího odporu.

Vliv tlakového zpracování na strukturu a vlastnosti kovu

Podle teplotních a rychlostních podmínek deformace se rozlišuje deformace za studena a za tepla.

Deformace za studena se vyznačuje změnou tvaru zrn, která se prodlužují ve směru nejintenzivnějšího toku kovu. Při deformaci za studena je změna tvaru doprovázena změnou mechanických a fyzikálně chemických vlastností kovu. Tento jev se nazývá kalení (kalení). Změna mechanických vlastností spočívá v tom, že při plastické deformaci za studena, jak se zvětšuje, se zvyšují pevnostní charakteristiky, zatímco charakteristiky plasticity se snižují. Kov se stává tvrdším, ale méně tažným. Ke kalení dochází v důsledku rotace skluzových rovin a nárůstu distorzí krystalové mřížky při deformaci za studena (akumulace dislokací na hranicích zrn).

Změny vnesené deformací za studena do struktury a vlastností kovu nejsou nevratné. Lze je eliminovat např. tepelným zpracováním (žíháním). V tomto případě dochází k vnitřní restrukturalizaci, při které díky dodatečné tepelné energii zvyšující pohyblivost atomů vyrůstají nová zrna z mnoha center v pevném kovu bez fázových přeměn, nahrazujících protáhlá, deformovaná zrna. Protože v stejnoměrném teplotním poli je rychlost růstu zrn ve všech směrech stejná, nová zrna, která, jak se zdá, nahrazují deformovaná, mají přibližně stejnou velikost ve všech směrech.

Jev nukleace a růstu nových rovnoosých zrn místo deformovaných, protáhlých, ke kterému dochází při určitých teplotách, se nazývá rekrystalizace. U čistých kovů začíná rekrystalizace při absolutní teplotě rovné 0,4 absolutní teploty tání kovu. Rekrystalizace probíhá určitou rychlostí a doba potřebná k rekrystalizaci je tím kratší, čím vyšší je teplota ohřevu deformovaného obrobku.

Při teplotách pod teplotou, při které začíná rekrystalizace, je pozorován jev zvaný zotavení. Při návratu (klidu) se tvar a rozměry deformovaných, protáhlých zrn nemění, ale zbytková napětí se částečně uvolňují. Tato napětí vznikají v důsledku nerovnoměrného ohřevu nebo chlazení (při lití a tlakovém zpracování), nerovnoměrného rozložení deformace při plastické deformaci atd. Zbytková napětí vytvářejí soustavy vzájemně se vyrovnávajících sil a nacházejí se v obrobku, nezatížené vnějšími silami. Odstranění zbytkových pnutí při návratu téměř nemění mechanické vlastnosti kovu, ale ovlivňuje některé jeho fyzikální a chemické vlastnosti. „Například v důsledku návratu se výrazně zvyšuje elektrická vodivost a odolnost proti korozi kovu deformovaného za studena.

Změna tvaru obrobku při teplotě nad teplotou rekrystalizace je doprovázena současným výskytem kalení a rekrystalizace.

Deformace za tepla je deformace charakterizovaná takovým poměrem rychlostí deformace a rekrystalizace, kdy má čas k rekrystalizaci v celém objemu obrobku a mikrostruktura se po tlakovém zpracování ukáže jako rovnoosá, bez stop kalení. Pro zajištění podmínek pro vznik deformace za tepla je nutné zvýšit teplotu ohřevu obrobku se zvýšením jeho rychlosti (pro zvýšení rychlosti rekrystalizace). Pokud má kov na konci deformace strukturu, která není zcela rekrystalizována, se stopami kalení, pak se taková deformace nazývá neúplná deformace za tepla. Neúplná deformace za tepla vede k nehomogenní struktuře, snížení mechanických vlastností a tažnosti, a je proto obvykle nežádoucí.

Při deformaci za tepla je deformační odpor přibližně 10x menší než při deformaci za studena a nedostatek kalení vede k tomu, že se deformační odpor (mez kluzu) během tvářecího procesu mírně mění. Tato okolnost vysvětluje především skutečnost, že zpracování za tepla se používá pro výrobu velkých dílů, protože vyžaduje menší deformační síly (méně výkonné zařízení).

Je třeba vzít v úvahu, že při tlakovém zpracování obrobků malých rozměrů (malé tloušťky) je obtížné udržet potřebné teplotní podmínky kvůli jejich rychlému ochlazení na vzduchu a při kontaktu s chladnějším nástrojem.

Při deformaci za tepla je tažnost kovu vyšší než při deformaci za studena. Proto je vhodné při zpracování obtížně deformovatelných, málo plastických kovů a slitin a také odlévaných kovových polotovarů (ingotů) používat deformaci za tepla. Zároveň při deformaci za tepla dochází k intenzivnější oxidaci obrobku (na povrchu se tvoří vrstva okují), což zhoršuje kvalitu povrchu a přesnost výsledných rozměrů.

Deformace za studena bez zahřívání obrobku umožňuje získat větší rozměrovou přesnost a lepší kvalitu povrchu ve srovnání s tlakovým zpracováním při poměrně vysokých teplotách. Všimněte si, že tlakové zpracování bez speciálního ohřevu obrobku umožňuje zkrátit dobu trvání technologického cyklu, usnadňuje použití mechanizace a automatizace a zvyšuje produktivitu práce.

Vliv deformace za studena na vlastnosti kovu lze využít k získání nejlepších výkonových vlastností součástí a řízení změn vlastností v požadovaném směru a na požadovanou hodnotu lze dosáhnout volbou racionální kombinace studeného a horkého deformace, stejně jako počet a režimy tepelných zpracování během výrobního procesu součásti.

Výchozím obrobkem pro počáteční procesy tváření kovů (válcování, lisování) je ingot. Krystalická struktura ingotu je heterogenní (krystaly různých velikostí a tvarů navíc obsahuje pórovitost, bublinky plynu atd.). Tlaková úprava ingotu při zahřátí na dostatečně vysoké teploty vede k deformaci krystalitů a částečnému svaření pórů a dutin. Při zpracování ingotu tlakem se tedy může zvýšit i hustota kovu.

V důsledku deformace krystalitů a následné rekrystalizace získává kov jemnozrnnou strukturu, tzn. Velikosti zrn po rekrystalizaci se počítají v setinách nebo desetinách milimetru a tyto velikosti jsou přibližně stejné ve všech směrech (rovnoosá struktura).

Pokud je ingot kontaminován nekovovými vměstky, umístěnými obvykle podél hranic krystalitů, jsou nekovové vměstky v důsledku tlakového zpracování vytahovány ve formě vláken ve směru nejintenzivnějšího toku kovu.

Vláknitá makrostruktura získaná jako výsledek tlakového zpracování litého kovu nemůže být zničena ani tepelným zpracováním, ani následným tlakovým zpracováním. Ten může v závislosti na charakteru deformace měnit pouze směr a tvar vláken makrostruktury.

Kov s jasně definovanou vláknitou makrostrukturou se vyznačuje anizotropií (vektoralitou) mechanických vlastností. Současně se pevnostní charakteristiky (mez kluzu, pevnost v tahu atd.) v různých směrech mírně liší a charakteristiky plasticity (relativní tažnost, rázová pevnost atd.) podél vláken jsou vyšší než napříč nimi.

Protože směr vláken závisí na povaze deformace obrobku, je žádoucí získat takové uspořádání vláken v hotovém dílu, ve kterém by měl nejlepší vlastnosti. V tomto případě jsou obecná doporučení následující; je nutné, aby největší tahová napětí vznikající v dílech během provozu směřovala podél vláken, a pokud některý prvek tohoto dílu pracuje pro smyk, pak je žádoucí, aby smykové síly působily napříč vlákny; Je nutné, aby se vlákna přibližovala k vnějším plochám součásti tangenciálně a nebyla odříznuta vnějšími plochami součásti.

Splnění těchto požadavků nejen zvyšuje spolehlivost součásti (včetně dynamického zatížení), ale také zlepšuje další výkonnostní charakteristiky, jako je odolnost proti oděru.

Možnost tlakové úpravy ovlivňující uspořádání vláken, a tím i vlastnosti dílů, lze ilustrovat na následujícím příkladu. U ozubeného kola vyrobeného řezáním z tyče (obrázek 4.1b) jsou tahová napětí, která vznikají při ohýbání zubu 1 působením protilehlého kola, směrována přes vlákna, což snižuje jejich spolehlivost. Při lisování ozubeného kola z pásu za tepla (obrázek 4.1c) jsou vlákna orientována odlišně v různých zubech vzhledem k nejvyšším tahovým napětím: v zubu 1 podél vláken a v zubu 2 napříč. V důsledku toho mají zuby nestejnou sílu.

Při výrobě ozubeného kola pěchováním (obr. 4.1, d) z kusu kulaté tyče směřují vlákna téměř radiálně. V tomto případě jsou všechny zuby stejně pevné a největší tahová napětí vznikající při ohýbání směřují téměř podél vláken.

Rýže. 4.1. Makrostruktura kovu po tlakové úpravě

Zpracování tlak je založena na schopnosti některých kovů a slitin plasticky se deformovat, tj. vlivem zatížení měnit svůj vnější tvar a zachovávat si změněný tvar po ukončení působení zatížení.

Křehké kovy a slitiny nelze zpracovávat tlakem, protože nemají dostatečnou tažnost.

Zpracování tlak je založena na schopnosti některých kovů a slitin plasticky se deformovat, tj. vlivem zatížení měnit svůj vnější tvar a zachovávat změněný tvar po ukončení působení zatížení.

Křehké kovy a slitiny nelze zpracovávat tlakem, protože nemají dostatečnou tažnost. Například litina se ve studeném i zahřátém stavu pod tlakem ničí, aniž by změnila svůj vnější tvar, a proto je nevhodná pro tlakové zpracování.

Některé kovy a slitiny, které nejsou za běžných teplot dostatečně tvárné, vykazují při zahřátí na vysoké teploty plastickou deformaci a lze je zpracovávat pod tlakem. Ocel je jednou z těchto slitin.

Při plastické deformaci se mění nejen vnější tvar kovů, ale i jejich vnitřní struktura, potažmo vlastnosti.

Rýže. 1. Křivky změn mechanických vlastností žíhané oceli při zahřívání

Z Obr. 1 ukazuje, jak se mění mechanické vlastnosti žíhané oceli v závislosti na teplotě při zahřívání.

σ křivka_в ukazuje, že pevnost oceli se při zahřátí na 300° C zvyšuje a při dalším zahřívání prudce klesá. Indexy plasticity δ a ψnaopak při zahřátí oceli na 300°C se snižují a s dalším zvýšením teploty velmi rostou, což je potřeba pro tlakové zpracování.

Z výše uvedeného vyplývá, jaký význam má správné stanovení teploty ohřevu kovů při tepelném tlakovém zpracování. Pro úspěšné výsledky zpracování však musí být splněny další podmínky ohřevu.

Často se používá v technologii práce za studena bez ohřevu kovů a slitin: válcování, lisování, tažení za studena nebo s ohřevem na teplotu pod teplotou rekrystalizace.

Při tváření za studena se mění i mechanické a další vlastnosti kovů a slitin.

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje křivky změn mechanických vlastností nízkouhlíkové oceli (0,02-0,03 % C) při válcování za studena. V důsledku tohoto procesu se zvyšuje pevnost a tvrdost oceli, zatímco tažnost naopak klesá.

Fyzikální a mechanické vlastnosti oceli se při zpracování za studena mění: snižuje se elektrická vodivost a odolnost proti korozi.

Změna vlastností kovů způsobená deformací za studena se nazývá kalení Nebo kalení za studena .

Rýže. 2. Změna mechanických vlastností měkké oceli (0,03 % C) při válcování za studena

Stav vytvrzení za studena se vysvětluje změnami normální krystalové mřížky, tj. posuny jejích částic pod vlivem vnějších vlivů.

Plechové a pásové polotovary z nízkouhlíkové oceli, neželezných kovů a slitin jsou podrobeny tlakovému zpracování za studena. Kalení se často aplikuje na drát používaný pro pružiny.

Výhodou tváření za studena je čistý povrch a vysoká přesnost výrobků.

Pokud je změna vlastností kovu vlivem tváření za studena nežádoucí, lze kalení eliminovat zahřátím výrobků.

Již při nízké teplotě (u oceli 200-300 °C) se částečně obnoví krystalická mřížka upravená zpracováním za studena a ve vrstvě opracované za studena klesá pevnost a tvrdost a zvyšuje se tažnost. Tyto jevy se nazývají vrátit se.

Při vyšších teplotách se vyskytuje rekrystalizace, tj. vytvoření nových zrn nahrazujících deformovaná, částečné obnovení struktury kovu a návrat původních vlastností.

Bylo zjištěno, že nejnižší teplota pro rekrystalizaci železa 450 °C, měď 270 °C, hliník и hořčíku 100 °C, wolfram 1200 °C.

Nízkotavitelné kovy – cín, zinek, kadmium a další – mají nízkou teplotu rekrystalizace. Například teplota, při které začíná rekrystalizace, je při zinek 0 °C, Vést 30° C atd. Proto u takových kovů při běžných teplotách nedochází při zpracování za studena k vytvrzování za studena.

Teplota rekrystalizace není pro každý kov konstantní a závisí na: stupni deformace (čím větší deformace, tím vyšší by mělo být zahřívání); na době výdrže (čím delší je výdrž při teplotě rekrystalizace, tím snadněji probíhá proces rekrystalizace);

na zrnitosti (u hrubozrnného kovu by teplota měla být vyšší než u jemnozrnného kovu).

Ocel se zpracovává tlakem převážně v zahřátém stavu. Teplota, při které se provádí zpracování oceli za tepla, výrazně převyšuje teplotu její rekrystalizace, takže kalení vzniklé během zpracování je zničeno v důsledku rekrystalizace a ocel válcovaná za tepla se netvrdí.

Rýže. 3. Vyhřívací plocha z uhlíkové oceli pro tváření

Při volbě teploty ohřevu pro tlakové zpracování oceli za horka byste se měli mít na pozoru před vypálením. Zároveň je třeba mít na paměti, že pokud se ocel zpracovává pod tlakem při relativně nízké teplotě, zůstanou v ní stopy kalení.

Proto, abyste správně provedli tváření za tepla, musíte vědět, na jakou teplotu by měl být kov zahřát a na jakou teplotu toto zpracování zastavit. Správné stanovení teploty začátku a konce horkého zpracování (stanovil D.K. Černov) je nesmírně důležité pro kvalitu výrobků.

Teplota ohřevu pro tváření uhlíkové oceli závisí na jejím obsahu uhlíku.

Z Obr. 1 následuje: čím méně uhlíku ocel obsahuje, tím vyšší musí být její teplota ohřevu pro úspěšné tlakové zpracování.

Opracování litých kovů tlakem za tepla zlepšuje jejich vlastnosti:

chemické složení kovu se stává jednotnějším;

kov získává jemnozrnnou strukturu:

dutiny a bubliny plynu jsou svařeny a kov je zhutněn.

Současně se při zpracování tlakem za tepla mohou mechanické vlastnosti kovů ukázat jako nestejné v různých směrech (výrazná anizotropie), a to v důsledku tvorby vláknitá struktura.

Rýže. 4. Změna struktury během protahování:

a – struktura před kreslením, b – struktura po prvním kreslení, c – struktura po opakovaném kreslení

Vláknitá struktura je výsledkem prodlužování zrna při tažení kovu a lze ji snadno zjistit při zkoumání lomu ve směru tažení. Tato vlastnost kovové struktury způsobuje nestejné mechanické vlastnosti podél a napříč směrem tažení. Umístění vláken je velmi důležité zvážit při práci s tlakem. Je nutné zajistit, aby síly působící na výrobek nesměřovaly podél vláken, ale napříč. Nedodržení těchto podmínek vede ke snížení rázové houževnatosti kovaných výrobků.