Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации. Наклеп.
Пластическая деформация вызывает:
— изменение формы и размеров зерен;
— изменение внутреннего строения зерна (повышается плотность дислокаций, формируется ячеистая структура).
С увеличением степени деформации все заметнее становятся изменения в микроструктуре деформируемого металла: все большее число зерен приобретает не равноосную, а вытянутую форму. При степени деформации 70-80 % практически все зерна вытягиваются в направлении действия растягивающих напряжений (рисунок 3.6).
при наклепе (e – степень деформации)
свойств металла при наклепе:
Из графика зависимости механических свойств от степени деформации (рисунок 3.7) видно, что наиболее сильно металл упрочняется в начале деформирования, а затем с ростом деформации упрочнение замедляется. Предел текучести условный σ0,2 растет быстрее временного сопротивления разрыву (предела прочности) σВ.
В результате сильной пластической деформации предел прочности и твердость могут увеличиться в 1,5-3 раза, предел текучести – в 3-7 раз.
Физические свойства металлов тоже изменяются, например, уменьшаются электропроводность, магнитная проницаемость, плотность. Наблюдается изменение химических свойств: снижается стойкость против коррозии в различных газовых средах, увеличивается растворимость металлов в кислотах и щелочах.
Вся совокупность изменений структуры и свойств металлов и сплавов, вызванная холодной пластической деформацией, называется наклёпом (нагартовкой).
Явление наклёпа используется с целью повышения конструктивной прочности материала деталей при холодной обработке давлением, в частности, с целью поверхностного упрочнения деталей (оси, валы, зубчатые колеса, подшипники, поршни, цилиндры).
В результате наклёпа в поверхностном слое обработанной детали создаётся благоприятная система остаточных напряжений, за счёт чего повышается усталостная прочность и износостойкость. Для создания более прочного и твёрдого поверхностного слоя применяют различные способы обработки поверхности, например, обкатку роликами, дробеструйную обработку, выглаживание, накатывание, дорнование.
Из практики известно, что вязкие металлы и сплавы (железо, алюминий, медь, латуни, алюминиевые сплавы) лучше обрабатываются резанием в наклёпанном состоянии, что подтверждает эффективное использование наклёпа в технологии обработки материалов.
Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 3051 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Как влияет изменение структуры на свойства деформированного металла? В сем сущность и каково практическое применение наклепа?
Вариант №30.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Различают упругую деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, и пластическую, которая остается после окончания действия приложенных сил.
При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств. Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направлении пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон
Рис. 1. Структура металла до деформации (а) и после (б)
Рис.2. Влияние пластической деформации на механические свойства сплава АМг5 (при t=20 в С)
Это явление получило название наклеп. При наклепе металл поглощает часть (10-15%) энергии, затраченной на деформирование, становится энергетически более напряженным. Этим объясняется изменение его физических и химических свойств: понижение коррозионной стойкости, повышение электросопротивления.
Наклепанный металл термодинамически неустойчив, стремится возвратиться в первоначальное, равновесное состояние, восстановить свою структуру и свойства. При низких температурах (не более 0,1 Тпл) этот процесс затруднен и наклепанное состояние может сохраняться довольно долго.
Если пластическую деформацию проводить выше порога рекристаллизации, то процессы наклепа и рекристаллизация будут протекать одновременно, в результате чего в деформированном металле остаточного наклепа может не быть. Такую деформацию называют горячей.
Рис.3. Схема изменения свойств и структуры наклепанного металла при нагреве:
Во время длительной выдержки при температуре выше порога рекристаллизации будет происходить рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Это явление носит название собирательной рекристаллизации, а его движущей силой является стремление металла как термодинамической системы, к снижению уровня зернограничной энергии. Крупнозернистый металл имеет меньшую суммарную поверхность границ, чем мелкозернистый, поэтому и уровень свободной энергии у него меньше.
2. Начертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600 С ( с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5.4%С. Для заданного сплава определите при температуре 1250С :состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.
При охлаждении сплава от точки 1 до точки 2 (исключительно) превращений не происходит. Начало кристаллизации сплава происходит в точке 2, лежащей на линии ликвидус, при этом в жидком растворе появляются кристаллы аустенита. При последующем понижении температуры (от точки 2 до точки 3) происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава. Состав кристаллов аустенита определяется линией солидус. Особенность первичной кристаллизации заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при 1147 оС (точка 3), когда жидкость концентрацией 4,3 % С образует две твердые фазы – аустенит (2,14 % С) и цементит (6,67 % С). Эта эвтектическая смесь зерен аустенита и цементита называется ледебуритом. После окончания первичной кристаллизации структура сплава состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита. Наличие ледебурита делает сплав нековким, но обладающим высокими литейными свойствами.
При дальнейшем снижении температуры уменьшается растворимость углерода в аустените, и углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита. Концентрация углерода в аустените изменяется в соответствии с положением линии ES (от 2,14 до 0,8 %). Структура сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.
При достижении температуры точки 4 аустенит претерпевает перлитное превращение.
Таким образом, при температуре ниже точки 4, ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита.
При построении кривой охлаждения используем правило фаз.
На кривой охлаждения сплава отрезок 1−2 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 2−3 − кристаллизации, а отрезок 3−5 − охлаждению твердого тела. Кристаллизация начинается в точке 2 (точка ликвидус) и протекает при переменной температуре, что согласуется с правилом фаз, так как число степеней свободы системы в этом случае равняется единице. В данном случае компонентов два (железо и углерод), число фаз равняется двум (жидкость и кристаллы аустенита) и, следовательно:
C3 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Одновременная кристаллизация аустенита и цементита должна протекать при постоянной температуре (отрезок 3−3׳), так как число степеней свободы равно нулю. Точка 3׳, соответствующая концу кристаллизации, называется точкой солидус.
Отрезок 3׳−4 соответствует охлаждению закристаллизовавшегося сплава, состоящего из аустенита, вторичного цементита и ледебурита (эвтектическая смесь аустенита и цементита), и, соответственно, число степеней свободы в этом интервале температур равно
C3׳ = k – f + 1=2 – 2 + 1 = 1.
В точке 4 (727 оС) начинается эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит (механическую смесь феррита и цементита). В этом случае омпонентов два (железо и углерод), число фаз равняется трем (аустенит, феррит и цементит) и, следовательно, число степеней свободы при этой температуре равно
С4 = k – f + 1=2 –3+ 1 = 0.
Так как число степеней свободы равно нулю, то образование перлита (отрезок 4−4׳) должно протекать при постоянной температуре. На отрезке 4׳−5 охлаждается сплав, состоящий из кристаллов перлита, ледебурита и вторичного цементита.
Сплав называется заэвтектическим чугуном.
Назначьте режим обработки шестерни из стали 20 ХГР с твердостью зуба, равной HRC58-62. Опишите микростуктуру и свойства поверхности зуба и сердцевины шестерни после термической обработки.
Сталь 20 ХГР используется для изготовления малонагруженных шестерен с высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 ХГР подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.
Принимаем ширину зубчатого венца шестерни равной 25 мм.
Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950ºС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине – перлит перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения – феррит + перлит.
Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600ºС, а затем нагревают под закалку до температуры 800-820ºС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура AC3 для данной стали составляет 850ºС. Закалку для стали 20 производят в воде.
Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки – мартенсит, структура сердцевины – сорбит-перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190ºС, выдерживая 2 – 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска – воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя – отпущенный мартенсит, структура сердцевины – низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит.
Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.
Механические свойства в сердцевине готового изделия: σТ=370 МПа, σВ=550 МПа, δ>18%, ψ>45%.
Для изготовления деталей самолета выбран сплав АМг3. Укажите состав сплава, опишите, каким способом производится упрочнение этого сплава, и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механи ческих свойств сплава.
АМг3 – алюминиевый деформируемый сплав, входит в группу Аl – Mg, состоит из алюминиевой основы, магния 0,3-0,6% и марганца 3,8% (механический свойства σВ = 220 МПа, σ0,2 = 110 МПа, δ = 20%).
Структура сплава АМг3 представляет собой только α-твердый раствор магния в алюминии. Для того чтобы повысить прочность и измельчить зерно, в эти сплавы добавляется марганец, который образует дисперсные частицы Al6Mn. Входя в кристаллическую решетку алюминия, атомы марганца и магния существенно повышают его прочность, снижая при этом пластичность.
Сплав низколегированный. Хорошо сваривается точечной, роликовой, газовой сваркой. Обрабатывается методом горячей или холодной деформации; коррозионная стойкость высокая. Интервал горячей деформации находится в пределах 340-430 °C, охлаждение после горячей деформации на воздухе.
Эффект от закалки и старения сплава невелик, вследствие этого сплав АМг3 используют в отожженном (мягком – М), реже – в нагартованном (Н – 80 % наклепа) и полунагартованном (П – 40 % наклепа) состояни ях. Резкое снижение пластичности в результате наклепа ограничивает при менение данного вида механической обработки.
При изготовлении профилей применяют два вида отжига: низкий при температуре 270-300 ° C и высокий при 360-420 ° C. Охлаждение после отжига на воздухе.
Технология наклепа и нагартовки металла
Наклеп – это явление, которое сопровождается повышением прочности и твердости металла. Понятие наклепа и нагартовки поверхности. Деформациионое упрочение и его вредное воздействие на структуру металла. Оборудование для наклепа и нагартовки.
Наклеп – это явление, при котором повышается прочность и твердость металлического изделия. Изменения свойств достигается за счет пластической деформации. Наклеп металла протекает при высокой температуре, значение которой недостаточно для рекристаллизации заготовки. Данное явление может быть как вредным, так и полезным.
Нагартовка – это технологический процесс, который преследует те же цели, что и наклеп. Основное отличие заключается в том, что последнее явление может происходить в результате осознанных или неосознанных действий. Например, в процессе механической обработки резанием с высокой скоростью и глубиной прохода поверхность приобретает избыточную прочность, что повышает хрупкость изделия. Нагартовкой являются только полезные деформационные упрочнения, применение которых имеет умышленный характер.
Суть и назначение наклепа и нагартовки
В результате пластической деформации происходят изменения в кристаллической решетке и фазовом составе материала. Процесс нагартовки металла сопровождается образованием дефектов во внутренней структуре изделия. При этом свойства материала изменяются следующим образом:
Таким образом, снижается предел текучести металла. Этот параметр определяет предельное напряжение на изделие, при котором оно начнет деформироваться пластически. Если степень нагрузки не превышает допустимого значения, после прекращения действия сторонних сил металл вернется в прежнее состояние.
Данный параметр особенно важен для нагартованной стали, которую используют в качестве основного материала в несущих конструкциях различных зданий и сооружений. Проект составляют с учетом предельных нагрузок на отдельные элементы и объект в целом.
Изучение структуры металла говорит о том, что после превышения предела текучести изделие получает деформационное упрочнение.
При воздействии на сталь и прочие ферромагнитные материалы наблюдается увеличение значения напряженности магнитного поля. Этот параметр называется коэрцитивной силой. При этом магнитная проницаемость изделия снижается.
Рассматриваемое явление помогает повысить эксплуатационные свойства пластичных металлов. При нагартовке алюминия и сплавов на его основе наблюдается существенное увеличение твердости и повышение предела текучести. Удобство работы с пластичными металлами заключается в том, что для холодной деформационной обработки можно использовать любой из нижеперечисленных способов:
В каких случаях используют наклеп, а когда нагартовку
В технической документации, включая государственные стандарты, ANSI и ISO, отсутствует термин наклеп. Например, деформационно-упрочненный алюминий называют нагартованным. Для этого металла степень обработки обозначают буквой Н. За ней следует числовое определение, которое может содержать от одной до трех цифр.
Виды наклепа
В случае образования новых фаз, отличающихся иным удельным объемом, явление называют фазовым. Если причина изменений – действие внешних сил, наклеп называют деформационным.
Существует две категории:
Рассмотрим характерные изменения материала, которые происходят при деформационном упрочнении. В результате действия внешних сил элементы внутренней структуры начинают активно перемещаться, что приводит к искажению внутри кристаллической решетки. При этом зерна, ориентация которых носит беспорядочный характер, приобретают четкую структуру – наиболее прочная ось кристаллов будет располагаться вдоль направления деформирования.
Во время изучения явления некоторые специалисты высказали мнение, что под действием внешних сил зерна металла дробятся, а это приводит к измельчению структуры. На самом деле они лишь деформируются, сохраняя прежний объем.
Перенаклеп
Обычно перенаклеп происходит при нарушении технологических требований механической обработки изделий. Причиной служит избыточное давление в зоне контакта инструмента и заготовки.
Данный процесс необратим: свойства металла невозможно восстановить даже с помощью термообработки.
Разупрочнение
Процесс, при котором наблюдается снижение напряжения, требуемого для пластичного течения материала. Как правило, данное явление можно наблюдать в закаленных сортах стали при высокотемпературном отпуске.
Тепловые параметры разупрочнения зависят от степени наклепа. Негативные последствия данного явления необходимо учитывать при любых операциях с металлическими изделиями. Например, элементы кузова автомобиля изготавливают методом штамповки и соединяют с помощью точечной сварки, применение которой носит местный характер. При кузовном ремонте необходимо использовать оборудование, которое имеет наименьшую зону термического воздействия. В противном случае нагрев выше температуры рекристаллизации приведет к разупрочнению элемента.
Используемое оборудование
Существует широкий выбор оборудования для наклепа металла. Габариты и технические характеристики зависят от величины обрабатываемых изделий и объемов производства.
Полезный наклеп в промышленных масштабах выполняют на станках с высоким уровнем автоматизации. В основном используют дробеструйные установки.
Для снятия наклепа применяют температурный отпуск металла. Это способствует активизации процессов, которые возвращают материал в первоначальное состояние.
Наклеп металла – это процесс, который наряду с нагартовкой активно используют при изготовлении узлов и агрегатов в различных отраслях промышленности. А вы сталкивались с деформационным упрочнением поверхности? Как вы считаете, будет ли процесс наклепа и нагартовки востребован в обозримом будущем? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.
План-конспект учебной практики на тему «Правка металла»
Описание процесса
Рассмотрим сущность явления наклепа. Как известно, практически все металлы и их сплавы (например, алюминий или медь и их сплавы) имеют упорядоченную кристаллическую структуру.Но все не так просто. Они состоят из зерен, внутри которых расположение атомов является упорядоченным.Но сами зерна по отношению друг к другу располагаются хаотично, т. е. неупорядоченно.
При механической нагрузке в структуре вещества появляются дислокации (микроскопические дефекты). По мере увеличения нагрузки дислокации перемещаются и взаимодействуют друг с другом. Образуется другая структура.Она сопротивляется деформации, остающейся после снятия нагрузки (пластической деформации). Способность металла сопротивляться деформациям при этом увеличивается.
Но следует иметь в виду, что при наклепе пластические свойства материала становятся хуже. Например,пластичность низкоуглеродистой стали уменьшается в 5-6 раз. Также снижается устойчивость к сопротивлению пластической деформации при изменении ее знака (так называемый эффект Баушингера).
После наклепа состояние вещества является термодинамически нестабильным. Если пластичность необходимо увеличить, наклеп снимают рекристаллизационным отжигом, нагревая материал выше температуры рекристаллизации. При этом материал переходит в более стабильное состояние. Необходимость снятия наклепа возникает, например, в металлургии при производстве проволоки или ленты.
Плотность дислокаций при наклепе увеличивается, что приводит к уменьшению объемной плотности. При этом зерна металла вытягиваются по направлению сил, которые на них действуют. Такая ориентировка зерен называется текстурой деформации. Вследствие текстуры возникает анизотропия механических свойств металлов и сплавов.
Можно сделать следующие выводы:
В частности, нагартовка стали актуальная для изделий, в которых необходимо предотвратить поверхностное растрескивание и такое явление, как усталость металлов, что приводит к накоплению внутренних напряжений, возникновению трещини, в конце концов, к разрушению материала.
Деформационное упрочнение металлов.Наклеп и нагартовка металла.
Нагартовка Нагартовка или деформационное упрочнение – это важный технологический процесс, которые применяют для увеличения прочности и/или твердости металлов и сплавов, которые не могут быть упрочнены термической обработкой. Эта технологическая обработка включает изменение формы изделия методами холодной пластической деформации, то есть ввода в металл механической энергии [1]. В результате этой обработки металл становится прочнее тверже, но теряет пластичность, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Влияние степени нагартовки на прочность, твердость и пластичность металлов [1]
Наклеп и нагартовка
В русскоязычной технической литературе наблюдается определенная путаница в определении и применении терминов «наклеп» и «нагартовка». Чаще всего эти термины отождествляются, применяются один вместо другого или оба сразу. Обычно наклепом (нагартовкой) называют как сам физический процесс изменения кристаллической структуры металла при его пластическом деформировании, так и результат этого процесса, то есть повышение прочности и твердости металла.
Предел текучести и наклеп
Одной из характеристик любого металла, в том числе, алюминия, является его предел текучести. Предел текучести металла – это напряжение, при котором этот металл начинает деформироваться пластически.
При напряжениях ниже этого предела текучести материал деформируется упруго. Если напряжения снимаются, то металл возвращается к своему первоначальному состоянию до приложения этих напряжений.
Обычно нагружение металла выше предела текучести является для него вредным. Недопущение напряжений выше предела текучести является главным требованием при проектировании деталей, изделий и сооружений.
Однако изучение изменения микроструктуры металла после деформации показывают, что механические свойства этого металла также изменяются. В частности, испытание на растяжение показывает, что металлический образец, который нагружался выше предела текучести обычно получает деформационное упрочнение или наклеп (рисунок 2).
Рисунок 2 – Увеличение предела текучести металла после его нагружения выше предела текучести
Что такое наклеп металла Атомы, решетка, дислокации
Металлы и их сплавы, в том числе, алюминий и его сплавы, имеют кристаллическую структуру и состоят из большого количества зерен. Эти зерна имеют неправильную форму и различные размеры. В каждом зерне атомы упорядочены, но смежные зерна по-разному ориентированы относительно друг друга. В процессе холодной деформации структура зерен меняется за счет их фрагментации зерен, движения атомов и искажения атомной решетки.
Когда материал подвергается механическому нагружению, в его кристаллической структуре образуются микроскопические дефекты, которые известны как дислокации. Если нагрузки продолжают увеличиваться, эти дислокации начинают продвигаться и взаимодействовать между собой. Таким образом они образуют новую внутреннюю структуру, которая сопротивляется дальнейшей пластической деформации. Эта структура повышает предел текучести материала, то есть его способность сопротивляться прилагаемым усилиям. При этом пластические свойства материала снижаются. Одним из наиболее известных путей намеренного создания наклепа является холодная пластическая формовка деталей и изделий – холодная обработка металлов давлением. Типичными процессами холодной обработки металлов давлением являются:
Рисунок 3 – Ковка металла
Рисунок 4 – Прокатка металла
Рисунок 5 – Прессование металла
Рисунок 6 – Волочение металла
Уменьшение плотности металла
При наклепе металла его плотность уменьшается. Это происходит потому, что пластическая деформация приводит к нарушению порядка в размещении атомов, увеличение плотности дефектов и образование микропор. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема – объема единицы массы.
Наружный наклёпанный слой стремится расшириться, а внутренние слои его «не пускают» – в нем возникают сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения бывают очень полезными, так как способны замедлять зарождение и рост поверхностных усталостных трещин.
Наклеп может быть желательным и нежелательным, полезным и вредным. Если наклеп металла является полезным, то при его изготовлении стремятся применять операции холодного пластического деформирования: холодную прокатку, волочение, обработку дробью, галтовку, накатку и тому подобное. Это особенно важно для металлов и сплавов, которые не способны упрочнятся термически. К этим материалам относятся низкоуглеродистые стали, некоторые алюминиевые сплавы, а также чистая медь. Когда эти материалы подвергаются сжатию, волочению, гибке или ковке, то напряжения, которые при этом возникают, приводят к возникновению в кристаллической структуре дислокаций, которые упрочняют металл. В этом случае применяют оба термина: и наклеп, и нагартовка.
Стандарты о наклепе и нагартовке
Отечественные, еще советские, стандарты – ГОСТы – применяют к полезно «наклепанным» металлическим изделиям, например, листам алюминиевых сплавов только термин «нагартованные» и совершенно не употребляют слова «наклеп» или «наклепанные». Можно видеть это, например, в ГОСТ 21631 на листы из алюминия и алюминиевых сплавов: «листы нагартованные», «листы полунагартованные».
Нежелательный, вредный наклеп возникает, например, когда пластичные и мягкие металлы и сплавы подвергаются механической обработке резанием. Чрезмерно глубокие резы за один проход приводят с большой скоростью могут приводить к возникновению интенсивного наклепа с нежелательным увеличением прочности металла и его охрупчиванию. Это препятствует дальнейшей механической обработке детали, а может привести и к повреждению режущих инструментов. Другим примером вредного наклепа может служить повторяющееся нагружение детали с превышением предела текучести материала. При таком нагружении материал в критических сечениях может быстро наклепываться, терять свою пластичность и разрушаться. В подобных случаях явление деформационного упрочнения называют наклепом, но никогда не называют нагартовкой.
Когда «наклеп», а когда «нагартовка»?
Учитывая выше изложенное, делаем два «смелых», но естественных вывода.
Наклепом называется любое проявление деформационного упрочнения кристаллических материалов – полезное
Нагартовкой называется только полезное
деформационное упрочнение изделий, которое
умышленно
применяют к изделиям с целью повышения их прочностных свойств. Иногда, может быть, и не умышленно, но всегда осознанно.
Что такое холодная деформация
Холодной пластической деформацией металлов считают пластическую деформацию при определенной температуре, после которой в металле возникает наклеп и он сохраняется неизменным неограниченно длительное время. По-научному это звучит так: температура холодной деформации для достижения эффекта нагартовки (наклепа) металла должна быть ниже температуры его рекристаллизации, то есть температуры, при которой на месте старых, деформированных и вытянутых, зерен металла начинают возникать и расти новые, недеформированные и округлые зерна. Обычно эта температура составляет половину от абсолютной температуры плавления этого металла или сплава. Однако на практике нагартовка металлов производится при комнатной температуре или при температуре не выше трети температуры плавления.
Что такое горячая деформация
В отличие от холодной деформации горячая деформация металлов и сплавов происходит при температуре, величина которой достаточна для того, чтобы рекристаллизация деформированной структуры металла происходила одновременно с пластическим деформированием. Обычно горячую деформационную обработку (обработку давлением) производят при температуре выше температуры рекристаллизации металла (обычно от 70 до 90 % абсолютной температуры плавления). После такой горячей обработки получают металл с благоприятной мелкозернистой рекристаллизованной структурой.
Деформируемые алюминиевых сплавов
С металлургической точки зрения все серии деформируемых алюминиевых сплавов разбиваются на две большие группы:
Строго говоря, все металлы и сплавы могут деформационно упрочняться. Однако, в области металлургии алюминия, это наименование относится к сплавам только тех серий, которые не могут упрочняться термической обработкой, то есть старением.
Нагартовка деформационно-упрочняемых сплавов Модификация структуры
К этим сплавам относятся все сплавы серий 1ххх, 3ххх и 5ххх, а также часть сплавов серии 8ххх. Их технологическая цепочка состоит из этапов горячей обработки давлением, за которыми, возможно, следуют этапы холодной обработки давлением с промежуточным или завершающим отжигом.
Деформационное упрочнение – нагартовка – включает модификацию структуры под воздействием пластической деформации. Это происходит не только в ходе производства полуфабрикатов при прокатке, правке растяжением, волочении и т, п., но также в ходе последующих производственных этапах, таких как формовка, гибка и других производственных операциях.
Рисунок 6.1 – Кривые нагартовки алюминиевого сплава 5083 [4]
Деформационное упрочнение повышает механические прочностные свойства и твердость, но снижает пластичность (рисунок 6).
Рисунок 6.2 – Влияние деформационного упрочнения на механические свойства: предел прочности при растяжении, предел текучести (0,2%) и относительное удлинение [3]
Уровень механических свойств, который может достигаться, зависит от легирующих элементов. Например, сплавы серии 5ххх, которые содержат большое количество магния, имеют более высокий потенциальный уровень механических свойств, чем у сплавов других серий: 1ххх, 3ххх и 8ххх. В результате всегда происходит постепенное повышение механических свойств, вплоть до той точки, за которой дальнейшая обработка становится трудной, если вообще возможной. В этом случае, если требуется дальнейшая пластическая деформация, не обходимо производить термическую обработку отжигом.
Упрочнение, которое возникло в результате холодной пластической обработки может быть устранено или смягчено путем отжига. В зависимости от комбинации длительность-температура, это умягчение может быть (рисунок 7):
Рисунок 7 – Изотермические кривые отжига сплава 5754 [3]
Рисунок 8 – Изменение твердости и структуры при отжиге [3]
Временные и температурные параметры являются специфическими для каждого сплава и зависят от степени деформационного упрочнения, которому материал подвергался перед отжигом.
Как и у других металлов и сплавов, существует критическая зона деформационного упрочнения (рисунок а35). Если отжиг применяется к материалу в состоянии, которое находится в этой критической зоне, то может происходить бесконтрольный рост зерна. Это делает последующие операции формовки, такие как волочение и гибки более трудными. После деформации поверхность металла может иметь вид, который называют «апельсиновая корка».
Рисунок 9.1 – Изменение размера зерна при отжиге в зависимости от степени нагартовки [3]
Уровень механических свойств полуфабриката и, в частности, компромисс между пределом прочности и пластичностью (относительным удлинением), контролируются параметрами деформационной обработки и последующими операциями отжига (промежуточными или заключительным).
Необходимо отметить, что при одинаковом уровне предела прочности уровень пластичности будет выше в нагартованном и частично отожженном металле (H2X), чем в «чисто» нагартованном металле (H1X) (рисунок 9.2). Поэтому состояния с частичным (смягчающим) отжигом являются более предпочтительными, когда максимальная способность к формовке является главным фактором, например, при глубокой вытяжке [3].
Рисунок 9.2- Различие нагартованных состояний H14 и H24 [5]
Нагартовка термически упрочняемых сплавов
Для термически упрочняемых сплавов нагартовка может быть дополнением к уровню прочности, которое достигается путем упрочнения за счет выделения упрочняющей фазы при их термической обработке.
В случае полностью полностью упрочненных термической обработкой сплавов увеличение их прочности путем дополнительно холодной деформации после старения сравнительно невелико, кроме очень высоких степеней нагартовки. Часто эта возможность ограничена низкой способностью. сплавов в этом состоянии к пластической деформации. Основное применение этой технологии относится к некоторым прессованным и холоднотянутым изделиям, таким как проволока, прутки и трубы, которые подвергаются холодному волочению после термической обработки для увеличения прочности и повышения качества поверхности [2].
Влияние температуры нагартовки
Характеристики нагартовки алюминиевых сплавов сильно зависят от температуры. Деформационное упрочнение значительно сильнее происходит при криогенных температурах, чем при комнатной температуре. При повышенных температурах характеристики нагартовки зависят как температуры, так и от скорости деформации. Деформационное упрочнение снижается с повышением температуры обработки до тех пор, пока температура не достигнет величины, выше которой не происходит нагартовки из-за динамического возврата и рекристаллизации. Динамический возврат приводит к формированию зубзеренной структуры, которая аналогична той, которая возникает при нагреве предварительно наклепанного металла. Субзеренная структура также до некоторой степени повышает прочность алюминиевых сплавов [2].
1. The welding of aluminium and its alloys / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002
2. Designing with Aluminum Alloys / Nack J. Kim – Handbook of Mechanical Alloy Design // ed. E. Totten & others, 2004 – pp. 441-486.
3. Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004.
Применение
В промышленности нагартовку применяют для придания прочности изделиям из нержавеющей стали, меди, алюминия и его сплавов. Это очень важно для машиностроения, поскольку различные узлы и механизмы часто работают в неблагоприятных условиях и со временем изнашиваются.
Нагартованная проволока из нержавеющей стали обладает повышенной твердостью и жесткостью и устойчива к колебаниям температуры. Такая проволока используется в машиностроении при изготовлении деталей различных видов автомобилей. Она также нашла широкое применение для изготовления очень прочных канатов, тросов и пружин. Еще нагартовку часто используют для производства нержавеющих лент.
Электропровода из нагартованной проволоки не подвержены коррозии и обладают длительным сроком службы.
Также нагартованная проволока может служить как материал для нержавеющих сеток, из которых делают перегородки.
§ 4. Наклеп при резании металлов.
Под влиянием пластической деформации изменяется кристаллическая решетка. Это приводит к росту сопротивляемости металла дальнейшему увеличению деформации. Металл упрочняется, его твердость повышается, вязкость уменьшается. Такое изменение свойств металла под влиянием пластической деформации называется наклепом.
Такое же явление наблюдается и при резании. Поэтому стружка, полученная от пластичного материала, раза в 1,5-2 тверже, чем сам металл.
В процессе резания деформации подвергается не только срезаемый металл (рис. 85), но и наружный слой поверхности на некоторой глубине h.
Дело в том, что режущая кромка любого инструмента в действительности не так остра, как это кажется невооруженному глазу. Под микроскопом на ней видны зазубрины и некоторый радиус закругления ρ. Даже у тщательно заточенного инструмента ρ = 0,01-:- 0,03 мм. Такое закругление режущей кромки препятствует ее врезанию в срезаемый слой. В результате некоторая часть металла подминается закруглением, вызывая пластические деформации в поверхностном слое обрабатываемой заготовки. Вот почему твердость наружного слоя обработанной заготовки (детали) иногда намного выше твердости нижележащих слоев: при обработке алюминия на 90-100%, латуни на 60-70%, мягкой стали на 40-50%.
Рис. 85. Схема деформации срезаемого слоя
Наклепанный слой имеет разную глубину при различных способах обработки. Так, при обычных условиях обработки заготовок из стали средней твердости глубина наклепанного слоя получается при черновой обработке резцом 0,4-0,5 мм, при чистовой — только 0,04-0,06 мм, а при полировании — 0,02-0,04 мм.
На глубину наклепа значительное влияние оказывают условия работы и режим резания. Она уменьшается с увеличением скорости резания и растет с увеличением толщины среза. Затупленный резец дает в 2-3 раза большую глубину наклепа, чем острый, так как тупой резец труднее внедряется в срезаемый слой.
Разные металлы имеют неодинаковую способность к наклепу. Чем пластичнее обрабатываемая сталь и меньше ее твердость, тем большее повышение твердости она получит после обработки. Встречаются такие металлы, которые при невысокой твердости отличаются чрезвычайно большой способностью к наклепу. Их твердость в процессе резания настолько возрастает, что нередко механическая обработка становится невозможной. К ним, например, относится кремнемарганцовая сталь, содержащая 13% марганца, и некоторые другие стали. Хрупкие металлы — чугун, бронза и др. не наклепываются. Наклеп — следствие пластической деформации обрабатываемого металла: чем больше деформация, тем больше наклеп. Следовательно, на образование наклепа, как и на усадку стружки, должна влиять величина переднего угла.
Так, с увеличением переднего угла деформации срезаемого слоя обработанной поверхности уменьшаются, следовательно, степень и глубина наклепа резко снижаются. Например, при угле γ=5° глубина наклепанного слоя примерно в 2-3 раза больше, чем при угле γ=45°.
