Платична деформация и нагряване на метал (страница 1 от 3)

Физически основи на металообработването

един) Пластична деформация - сложен физико-химичен процес, в резултат на който заедно с промяна във формата и структурата на основния метал се променят и неговите механични и физикохимични свойства. Разгледано е физическото естество на процеса на пластична деформация.

Както знаете, металите и сплавите имат кристална структура, характеризираща се с това, че атомите в кристалите са разположени на места със стабилно равновесие в строго определен ред за всеки метал.

При специални условия на охлаждане металът се втвърдява под формата на голям кристал с правилна форма, наречен монокристал. Структурата на един кристал се определя от съответната кристална решетка.

Нека разгледаме студената пластична деформация на един кристал. Напреженията възникват в монокристала под действието на външни сили. Докато тези напрежения надвишат стойност, която е съвсем определена за даден метал (наречена граница на еластичност), възниква еластична деформация. При еластична деформация атомите се отклоняват от местата на стабилно равновесие с разстояния, които не надвишават междуатомните. След отстраняване на товара под действието на междуатомни сили, атомите се връщат на предишните си места на стабилно равновесие, формата на тялото се възстановява, докато няма промени в структурата и свойствата на метала. Еластичната деформация е придружена от леко обратимо изменение на обема на тялото, което например за мед при напрежения на натиск от 100 kg/mlti2 (980 MN/m2) е 1,3%.

С увеличаване на външното натоварване се увеличава и деформацията на атомите. При определени напрежения за даден метал (граница на текучест) атомите се изместват на нови места със стабилно равновесие на разстояния, значително надвишаващи междуатомните. След отстраняване на товара, формата на монокристала не се възстановява, той получава пластична деформация.

Необратимите размествания на атомите в един кристал се случват главно под формата на приплъзване и в по-малка степен под формата на побратимяване.

Приплъзването е изместването на атомите в тънки слоеве на един кристал. Изместванията се извършват по специални кристалографски равнини, а разстоянието между равнините на приплъзване е 100-200А. При определени условия следите от приплъзване могат да се наблюдават като ивици на повърхността на метала, който се деформира.

Побратимяването, което се случва главно при ударни натоварвания, се състои в подредено преместване на група атоми спрямо специална равнина - равнина на побратимяване.

Изместената част на монокристала ще бъде огледално изображение (близнак) на неговата недеформирана част.

Пластичната деформация на един кристал е придружена от изкривяване на кристалната структура, образуване на фрагменти и поява на остатъчни напрежения в кристала.

Тези явления, усложняващи процеса на по-нататъшна деформация, причиняват промени в механичните и физикохимичните свойства на основния метал: якост, твърдост, електрическо съпротивление и химическа активност се увеличават, с едновременно намаляване на пластичността, якостта на удар, магнитната пропускливост и др.

Комбинацията от промени в механичните и физикохимичните свойства в резултат на студена пластична деформация се нарича втвърдяване (или работно втвърдяване).

Трябва да се има предвид, че по време на пластична деформация на практика не настъпва промяна в плътността на метала, неговият обем остава постоянен.

Както бе споменато по-горе, металите и сплавите, използвани в промишлеността, имат поликристална структура.

По време на обработката под налягане на такива метали се получава пластична деформация на отделни зърна чрез плъзгане и двойничество (подобно на монокристал) и тяхното изместване един спрямо друг. Деформацията е придружена от фрагментация на зърната и тяхното удължаване в посока на най-големия метален поток. В резултат на това последният придобива финозърнеста структура на линията, ясно наблюдавана под микроскоп (фиг. 1, а).

Едновременно с това в зърната, както в случая на студена деформация на един кристал, кристалната структура се изкривява, образуват се кристални фрагменти и възникват остатъчни напрежения. Разглежданите явления причиняват втвърдяване на поликристален метал.

Повечето сплави винаги съдържат неметални примеси (оксиди, карбиди и др.), Които са разположени между зърната под формата на филми или отделни топки. По време на обработката под налягане тези включвания се раздробяват и разтягат, придавайки на метала влакнеста структура, която при подходяща повърхностна обработка се наблюдава с невъоръжено око.

Количеството на пластичната деформация на металите е ограничено от техните пластични свойства. При определена, съвсем определена за всеки метал степен на деформация, в него се образуват микропукнатини, които с по-нататъшна деформация интензивно се развиват и причиняват неговото разрушаване.

2) Нагряване на метал . Метали, обработени под налягане, трябва да имат пластичност, която се определя от механични свойства: относително удължение, напречно свиване, якост на удар и др. Приблизителни данни за пластичността на метал могат да бъдат получени чрез изпитване на опън. Ако якостта на опън намалява с повишаване на температурата и удължаването и свиването се увеличават, тогава устойчивостта на деформация намалява, металът става ковък. Колкото по-висока е пластичността и по-ниска якост, толкова по-ковък е металът.

Най-добрата пластичност на стоманата се постига чрез нагряване, тъй като тя непрекъснато се увеличава в температурния диапазон от около 300 до 1200 ° C, в зависимост от съдържанието на въглерод в стоманата.

Когато стоманата се нагрява над температурата в началото на горещата обработка под налягане, се получава прегряване, което се проявява в рязко увеличаване на зърната на аустенита и намаляване на пластичността. Последните в процеса на обработка могат да нарушат целостта на детайла. Прегряването на въглеродните стомани се коригира чрез термична обработка (отгряване). Въпреки това, някои стомани (напр. Хром-никел) са трудни за ремонт и следователно трябва да се избягват.

Когато стоманата се нагрява до температури, близки до температурите в началото на топенето, настъпва изгаряне, характеризиращо се с появата на чуплив филм между зърната поради окисляване на техните граници. Изгорелият метал губи своята пластичност, става крехък и представлява непоправим брак. Трябва да се отбележи, че както температурата, така и времето на престой на метала в зоната с висока температура влияят върху прегряването и прегарянето. Следователно, горещата работа под налягане трябва да се извършва под температурата на изгаряне и дори под зоната на прегряване, т.е. в температурния диапазон, при който металът има най-висока пластичност и най-ниска устойчивост на деформация.

Температурният диапазон на обработка под налягане на легирани стомани се характеризира с известно стесняване с леко намаляване на пределните температури на обработка.

Медта се обработва в температурната зона 900-700 ° C, месингът в зоната 760-600 ° C, бронзът в зоната 900-750 ° C.

Алуминиевите сплави се обработват при температури от 470-380 ° C, а магнезиевите стомани - в зоната 430-350 ° C или в зоната 400-300 ° C, в зависимост от състава на класа.

Термичният режим на нагряване на стомана преди обработка под налягане трябва да осигури: получаване на необходимата температура на детайла с равномерно нагряване по дължината на участъка и дължината, запазване целостта на детайла, минимално обезвъглеряване на повърхностния слой и минимални метални отпадъци в мащаб ( отпадъци).

Времето за нагряване на метала до дадена температура зависи от температурата на работното пространство на пещта, формата на сечението и размерите на детайла, физичните свойства на метала и начина на подреждане на детайлите върху огнището на пещта. Кръглите детайли се загряват по-бързо от квадратните и правоъгълните, а детайлите, положени при разтоварване (на интервали), се загряват по-бързо от детайлите, поставени гръб назад.

Колкото по-висока е температурата на работното пространство на пещта, толкова по-малко време се изразходва за нагряване на детайла. Разликата между температурата на работното пространство на пещта и необходимата температура на нагряване на детайла се нарича температурна глава. Стойността му при обикновено нагряване е 100-150 ° C.

При високоскоростно отопление температурата на главата е 200-300 ° C, т.е. значително по-висока от температурата на главата по време на конвенционалното отопление и следователно температурата на работното пространство на пещта при високоскоростно отопление ще бъде по-висока от температурата на работното пространство на пещта в сравнение с конвенционалното отопление. При високоскоростно нагряване заготовките се транспортират през пещта за точно зададено време, за да се избегне прегряване, а температурата на пещта се контролира автоматично.

Високоскоростното отопление на стоманените заготовки в пещите се извършва 3-4 пъти по-бързо от конвенционалното отопление. Такова нагряване се прилага върху детайли, изработени от структурна въглеродна стомана с диаметър или страна на квадрат до 100 mm. Позволява нагряване на около 1 см дебелина на детайла в минута. Бързото нагряване на стоманата намалява металните отпадъци до 1% вместо до 3%, което се случва по време на конвенционалното нагряване, намалява обезвъглеряването на повърхностния слой и увеличава производителността на пещта.