Меню

Влияние технологии обработка давлением на свойства материалов

ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Горячая обработка давлением улучшает свойства металла. При горячей обработке разрушается первичная литая структура, а происходящая при этом рекристаллизация позволяет получить равноосные зерна желательных размеров. Горячая обработка уплотняет металл (происходит заварка пустот). Особенно значи­тельное уплотнение получается при горячей обработке в услови­ях схемы всестороннего сжатия. В результате плотность металла повышается, а объем уменьшается (при холодной обработке дав­лением плотность уменьшается, а объем увеличивается).

Благодаря действию механизмов термической пластичности в процессе горячей обработки закрываются, завариваются не только имеющиеся в литом металле пустоты и трещины по гра­ницам зерен, но и залечиваются возникающие в процессе де­формации нарушения границ.

В результате измельчения зерен, уплотнения, усиления связей между зернами прочностные и пластические свойства металла после горячей обработки давлением повышаются.

Улучшающее действие горячей обработки особенно сильно проявляется до 4—6 кратной степени деформации литого метал­ла. Дальнейшее повышение общей степени деформации мало влияет на свойства.

Свойства металла после горячей обработки (механические характеристики, величина зерен) зависят от температурного ре­жима обработки, степени и скорости деформации. В процессе горячей обработки происходит одновременно разрушение зерен в результате деформации и зарождение новых в результате ре­кристаллизации. Для суждения о величине зерен в результате горячей обработки последнюю можно рассматривать как совме­щение во времени процессов холодной обработки давлением и рекристаллизации. Если горячая обработка осуществляется в не­сколько операций, следующих одна за другой (несколько ударов молота, несколько проходов при прокатке), то величина зерен определяется в основном температурой и степенью деформации в последнем проходе, т. е. режимом конца горячей обработки давлением.

Если зависимость величины зерен от степени деформации и температуры конца горячей обработки давлением представить графически в виде пространственной диаграммы, то получим диаграмму рекристаллизации второго рода. Эта диаграм­ма аналогична диаграмме рекристаллизации первого рода (зависимость величины рекристаллизованных зерен от степени предшествующей холодной деформации).

На диаграмме рекристал­лизации второго рода для красной меди (рис.2.5) вид­на зона критической степени деформации (5—10%) — зона крупных зерен.

На рис.2.6 представлена диаграмма рекристаллизации второго рода при горячей прокатке мягкой стали.

Критическая степень дефор­мации колеблется в преде­лах 8—15%, а критическая температура рекристаллизации — в пределах 750—850° С. Если температура конца прокатки стали выше 900—950° С (выше точки Лс3), то зерна получаются мелкие независимо от степени деформации. Объясняется это тем, что при этой температуре закономерности процесса рекристаллизации нарушаются процессом перекристаллизации, когда величина зе­рен зависит от скорости охлаждения и почти не зависит от сте­пени деформации.

Рис. 2.5.. Диаграмма рекристаллизации второго рода для меди [9]

Критическая степень дефор­мации колеблется в преде­лах 8—15%, а критическая температура рекристаллизации — в пределах 750—850° С. Если температура конца прокатки стали выше 900—950° С (выше точки Лс3), то зерна получаются мелкие независимо от степени деформации. Объясняется это тем, что при этой температуре закономерности процесса рекристаллизации нарушаются процессом перекристаллизации, когда величина зе­рен зависит от скорости охлаждения и почти не зависит от сте­пени деформации. При очень высокой температуре конца горячей обработки получаются крупные зерна (рис.2.5 и 2.6) из-за отно­сительно длительного пребывания при высоких температурах после деформации.

Некоторое влияние на зависимость величины зерен от темпе­ратуры и степени деформации при горячей обработке (на вид диаграммы рекристаллизации второго рода) оказывает скорость деформации: при повышении скорости критическая степень де­формации смещается к меньшим значениям степени деформа­ции [3].

В большинстве случаев желательно получение мелкозернисто­го металла, обладающего лучшими механическими свойствами.

Поэтому нужно создавать такие термомеханические условия об­работки, которые

При горячей обработке давлением стали трудно избежать кри­тической степени деформации и высокой темпера­туры конца обработки обычно назначают невысокие деформации в последних проходах, так как для обеспечения точности размеров исключают образование крупных зерен, т. е. не допускать критической степени деформации. Избежать роста зерен в этом случае можно, если заканчивать обработку при температурах вблизи точки ; тогда получаются мелкие зерна независимо от степени дефор­мации.

Рис. 2.6.Диаграмма рекристаллизации второго рода для малоуглеродистой стали [9]

В сплавах с фазовыми превращениями, аналогичными превра­щениям в углеродистых сталях, крупные зерна, полученные в результате критической степени и критической температуры де­формации, могут быть измельчены термической обработкой (нор­мализацией).

В металлах и сплавах без фазовых превращений мелкие зер­на после горячей обработки фазовых превраще­ний необходимо подвергнуть горячей или холодной обработке давлением с последующей рекристаллизацией, правильно сочетая при этом температуру и степень деформации.

В результате правильно проведенной горячей обработки дав­лением зерна получаются мелкими и равноосными. Однако макроструктура может иметь волокнистое, полосчатое строение. Волокнистое строение после горячей обработки давлением получа­ется в металле, имеющем нерастворимые, в частности неметалли­ческие включения, которые в процессе деформации вытягиваются вместе с зернами в направлении деформации растяжения. Так как эти включения при нагревании не растворяются и не рекристаллизуются, они (или их обломки) сохраняют вытянутую фор­му, придают макроструктуре волокнистое, полосчатое строение (строчечность).

Читайте также:  Расположение датчика давления на ситроене с5

Волокнистость, создаваемую включениями при горячей обра­ботке давлением, нельзя смешивать с волокнистостью, обуслов­ленной вытягиванием зерен при холодной обработке давлением. Последняя полностью устраняется при рекристаллизации, тогда как волокнистость макроструктуры из-за включений, как прави­ло, не устраняется даже при высоких температурах термической обработки.

Волокнистость макроструктуры приводит к анизотропии ме­ханических свойств, особенно ударной вязкости: образцы, выре­занные вдоль волокон, имеют значительно большую ударную вязкость, чем образцы, вырезанные поперек волокон. Это учиты­вают при разработке технологии ковки и штамповки.

1. Что такое возврат и рекристаллизация? При каких температурах эти явления происходят?

2. Как влияет температура и химический состав на сопротивление деформации и пластичность?

3. Какое влияние оказывает на сопротивление деформации скорость и степень деформации?

4. Какое влияние на свойства металла оказывает горячая обработка?

1 Бочвар А. А. О разных механизмах пластичности в металлических сплавах, Известия АН СССР, ОТН, 1948, № 5. (35)

2 Громов Н. П. Теория обработки металлов давлением. М., «Металлургия» , 1967. 240 с. (228)

3 Губкин С. И. Пластическая деформация металлов,
т. I—III. Металлургиздат, 1960. (13)

4 Зайков М. А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке Металлургиздат. 1960. (37)

5 Зу е в М. И. и др. Пластичность стали при высоких температурах. Ме­таллургиздат,

7 Павлов И.М. Теория прокатки. Металлургиздат, 1950. (9)

8 Прокатное производство. Справочник, т. I, Металлургиздат, 1962. (41)

9 Соколов Л. Д. Сопротивление металлов пластической деформации. Металлургиздат, 1963. (38)

10 Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки ме­таллов давлением, изд. 2-е. Машгиз, 1977, 423 с.. (84)

11 Тарновский И. Я. и др. Механические свойства стали при горячей обработке давлением, Металлургиздат, 1960. (39)

12 Целиков А. И. Теория расчета усилий в прокатных станах. Металлургиздат, 1962. (22)

13 Ч е к м а р е в А. П., Риднер 3. А. Истинное сопротивление пласти­ческому деформированию углеродистых сталей при высоких температу­рах и скоростях деформирования. Сб. «Прокатное производство» т. XI, вып. 2. Труды Института черной металлургии. Изд-во АН УССР, 1957. (40)

Источник

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

При обработке давлением металл деформируют в холодном или нагретом состояниях. Поэтому различают холодную и горячую деформацию металла.

При холодной деформации зерна изменяют форму, вытягиваясь в направлении течения металла (рис. 3.1, а). Микроструктура металла становится полосчатой. Изменяются также механические, физические и химические свойства металла. С увеличением степени деформации увеличиваются прочность и твердость, снижаются пластичность и вязкость металла. Одновременно с этим у металла наблюдается увеличение электрического сопротивления, уменьшаются сопротивление коррозии, теплопроводность и т. п. Совокупность явлений, связанных с изменением механических и физикохимических свойств металла в процессе холодной пластической деформации, называется упрочнением <наклёпом).

Увеличение прочностных свойств металла за счет наклёпа можно рассматривать, с одной стороны, как полезное явление (получаем в изделиях металл повышенной прочности и надежности), с другой — наклёп при холодной обработке давлением не позволяет осуществлять значительные деформации металла в связи с опасностью его разрушения. Приходится процесс холодной деформации металла прерывать и устранять наклёп.

Рис. 3.1. Схема изменения микроструктуры металла при прокатке: а — холодная деформация; б — горячая деформация

Наклёп металла устраняют рекристаллизационным отжигом (нагрев до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение вместе с печью).

При нагреве холоднодеформированного металла до определенной температуры в нем происходит зарождение, возникновение и рост новых равноосных зерен взамен деформированных. Это явление называется рекристаллизацией. Температура начала рекристаллизации зависит от температуры плавления металла:

где а — коэффициент, зависящий от состава и структуры металла (для технически чистых металлов а = 0,3-0,4; для сплавов а = 0,5-0,6); Гпл — абсолютная температура плавления металла.

В результате рекристаллизации холоднодеформированный металл восстанавливает свою первоначальную структуру и свойства. При этом полностью устраняется его упрочнение. После этого можно продолжить процесс дальнейшего деформирования металла в холодном состоянии.

Таким образом, отрицательная роль наклёпа заключается в том, что при его проявлении усложняется технология изготовления изделий за счет введения дополнительных операций отжига металла.

Горячей деформацией называют такую деформацию металла, при которой во всем объеме заготовки одновременно с наклёпом успевает произойти процесс рекристаллизации. В связи с этим температура нагрева заготовок при горячей деформации должна быть выше температуры рекристаллизации металла. Структура металла остается в этом случае равноосной, без следов упрочнения (рис. 3.1,6).

Читайте также:  Авто универсальный манометр давления масла

Таким образом, в зависимости от степени протекания в деформированном металле процессов упрочнения и разупрочнения обработка давлением делится на холодную и горячую.

При холодной обработке давлением происходит наклёп металла и отсутствуют рекристаллизационные процессы. Холодную обработку давлением проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации.

При горячей обработке давлением происходит наклёп, и одновременно протекающие рекристаллизационные процессы снимают этот наклёп, т. е. деформация металла происходит без его фактического упрочнения. Металл сохраняет высокую пластичность в процессе деформации. Горячую обработку давлением проводят при температурах выше температуры рекристаллизации.

Холодная обработка металла давлением характеризуется более высокой точностью размеров и лучшим качеством поверхности изделий (нет нагрева), более высокими эксплуатационными свойствами деталей (за счет наклёпа), благоприятными условиями для механизации и автоматизации производственных процессов.

Горячая обработка металла давлением характеризуется значительно меньшими усилиями деформации, высокой пластичностью деформируемого металла (за счет нагрева), отсутствием его упрочнения (за счет рекристаллизации). Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при изготовлении крупных металлоизделий, при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков).

При горячей обработке давлением слитков разрушается дендритная крупнокристаллическая структура металла; частично завариваются поры и усадочные дефекты; в результате рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение. Все это приводит к более высоким механическим свойствам деформированного металла.

Источник

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).

Читайте также:  Что делать если давление пониженное а пульс низкий

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.

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.

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: 5618 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Adblock
detector