Получение заготовок обработкой материалов давлением (ОМД)

 

Обработка ОМД основана на пластичности металлов, т.е. на способности изменять форму без разрушения под действием приложенных сил. Поэтому обработка давлением применима лишь к металлам, обладающим достаточной пластичностью и не применима к хрупким металлам. Самым пластичным металлом является свинец. Чистые металлы олово, алюминий, техническое железо, медь могут быть обработаны давлением без нагрева. Пластичность стали и других сплавов в холодном состоянии недостаточна; при нагреве до определенных (критических) температур их пластичность возрастает. В настоящее время применяется способ изготовления гнутых профилей из холодной листовой заготовки на специальных станках.

Некоторые металлы и сплавы (марганец, белый ковкий и серый чугун и др.) не приобретают пластичности даже и при нагреве. Такие металлы не обрабатываются давлением и необходимо применять иные технологические методы переработки для получения изделий (например, литье, порошковая металлургия, электрофизические и другие методы обработки).

Основными видами обработки давлением являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

 

Общие сведения ОМД.

 

Для пластической деформации необходимо металл подвергнуть напряжению, которое больше предела его упругости s_у, но меньше предела прочности s_в (чтобы не было трещин).

При обработке металла давлением металл в реальности испытывает напряжение сжатия, а не растяжения. Однако эти напряжения в области малых значений подобны и пределы упругости сжатия и растяжения примерно одинаковы.

Однако s_у и s_в определены при статической нагрузке. Мы же имеем часто дело с динамическим нагружением (например, ковка, штамповка). При динамической нагрузке сопротивление металла деформации повышается, поэтому вводят поправочный коэффициент. Для гидравлических прессов он равен 1,25 (малая скорость деформации), для ковочных штампов – 2,5-3,0. Остаточная деформация при ОМД является следствием сдвигов, происходящих внутри и по границам зерен.

При сжатии образца зерна удлинились, если высота h уменьшилась в 2 раза, то степень деформации составляет 50 %.

При весьма большой деформации зерна удлиняются настолько, что приобретают форму волокон. Такая структура называется волокнистой или проявляется появлением текстуры, которая характеризуется закономерной ориентировкой зерен металла по направлению действия приложенной к нему силы.

При пластической деформации сдвиг происходит по плоскостям скольжения – плоскостям, в которых расположено больше атомов.

По мере увеличения степени деформации сопротивление сдвигу по плоскости скольжения возрастает и наступает момент, когда скольжение по этим плоскостям прекращается и дальнейшее деформирование уже происходит за счет вторичных плоскостей скольжения, имеющих другие направления. При этом форма первичных пластинок нарушается. Зерна измельчаются.

Способность обрабатываться зависит от пластичности материалов. Пластическая деформация при этом может быть холодная (связана с наклепом) и горячая (связана с явлениями рекристаллизации). В процессе деформирования в холодном состоянии непрерывно изменяются физические свойства: твердость, прочность и хрупкость его увеличиваются, а пластичность, вязкость, трещиностойкость, коррозионная стойкость и электропроводность уменьшаются. С увеличением содержания углерода способность пластической обработки стали в холодном состоянии уменьшается.

Это изменение свойств, связанное с деформацией в холодном состоянии, называется наклепом.

 

Тепловой режим ОМД

 

Явление возврата и рекристаллизации.

При нагреве наклепанной стали металла из энергетически неустойчивого состояния наклепа переходит в устойчивое равновесное. Это сопровождается изменением в структуре (рисунок 2.6).

 

 

а – холодной; б – горячей

Рисунок 2.6 – Схемы изменения микроструктуры металла при деформации

 

В начальный момент наблюдается постепенное снятие напряжения и уменьшение искажений в кристаллических решетках. Этот процесс называется возвратом металла. При этом лишь частично восстанавливаются физические и механические свойства металла. Метод РСА покажет уменьшение напряжений III-го и частично II-го рода и не наблюдается изменение микроструктуры (на микрошлифах под микроскопом сохраняется «размытая» картина).

При дальнейшем нагреве происходит процесс образования новых зерен из обломков деформированных зерен. Этот процесс называется рекристаллизацией. Температура, при которой этот процесс начинается, называется температурой рекристаллизации.

Академик А.А. Бочвар установил температуру рекристаллизации Т_рекр = а × Т_пл; а = 0,2 ¸ 0,3 для чистых металлов, а = 0,6 ¸ 0,8 для сплавов.

При температуре рекристаллизации процесс снятия (уничтожения) наклепа идет очень медленно, для его ускорения нужна более высокая температура. Для низкоплавких металлов (олово, свинец, цинк) уже при комнатной температуре имеющийся наклеп снимается.

Деформация, при которой начинается быстрый рост зерна при нагреве, называется критической деформацией.

Поэтому при обработке давлением в холодном состоянии необходимо применять деформацию больше критических, чтобы получить мелкозернистую структуру при отжиге.

Иногда на практике ОД необходимо получать крупнозернистую структуру изделия: Э-А (трансформаторная сталь), тогда выше ферромагнитные свойства магнитотвердого материала.

Нагрев стали для обработки при нагреве до 300° приводит к повышению прочности стали, а вязкость уменьшается. При дальнейшем нагреве наоборот.