Основные положения производства заготовок пластическим деформированием.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Проведения лекционного занятия

по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»

для курсантов 2 курса по специальности 280705.65 –

«Пожарная безопасность»

ТЕМА № 10

«ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ

ДЕФОРМИРОВАНИЕМ»

Обсуждена на заседании ПМК

протокол №__ от «___»________2015 г.

 

Владивосток

2015 г.

I. Учебные цели

1. Изучить теоретические основы производства заготовок пластическим деформированием.

2. Рассмотреть сущность основных способов производства заготовок пластическим деформированием, области их применения, достоинства и недостатки.

 

II. Воспитательные цели

1. Воспитывать у курсантов стремление к совершенствованию своих знаний и профессиональных навыков, обучить методам самостоятельной работы с учебными материалами.

2. Вырабатывать у курсантов чувство ответственности за личную профессиональную подготовку.

 

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Основные положения производства заготовок пластическим деформированием 2. Классификация способов получения заготовок и их сущность. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

IV. Литература

Основная:

1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учебное пособие для вузов. /Под ред. Чередниченко В. С. - 4-е изд., стер. - М. : Омега-Л, 2008. - 752 с.
2. Материаловедение и технология металлов . /Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. - М. : Высш. шк., 2001. - 637 с.
3. Материаловедение и технология материалов /Под ред. Артамонова В. С.; - СПб. : СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 236 с.

Дополнительная:

1. Технология металлов и материаловедение. Под редакцией Усовой Л.Ф. – М: Металлургия 1987 –800с.
2. Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512с.
3. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622с.

V. Учебно-материальное обеспечение

1. Мультимедийный проектор, информационные слайды.

VI. Текст лекции

Основные положения производства заготовок пластическим деформированием.

В основе всех процессов обработки и производства заготовок пластическим деформированием (давлением) лежит способность металлов и их сплавов пластически деформироваться под действием сил, т.е. необратимо изменять свою форму, не разрушаясь. При пластической деформации изменяется не только форма, но и в зависимости от условий деформации (температуры, скорости и степени деформации), структура, механические и физические свойства металла. Изменение формы тела при его упругой деформации обусловлено изменением межатомных расстояний ввиду принудительного (вызванного приложенными силами) отклонения атомов от положения устойчивого равновесия. Механизм пластической деформации иной. При наличии напряженного состояния тела между кристаллами и внутри кристаллов по плоскостями скольжения действуют сдвигающие напряжения, которые при достижении определенной величины, зависящей от природы тела, преодолеют сопротивления границ кристаллов и плоскостей скольжения внутри зерен и вызывают необратимые перемещения (сдвиги), и, следовательно, необратимое изменение размеров и формы кристаллов и всего тела. Так как для начала пластической деформации сдвигающие напряжения должны достичь некоторой величины, то, значит, пластическая деформация может происходить только в упругодеформированном теле.

Существенное влияние на пластичность металлов оказывает механическая схема деформаций, т.е. совокупность схем главных напряжений и главных деформаций.

Схемы напряженного состояния графически отображают наличие и направление главных напряжений в рассматриваемой точке тела. Напряжения в точке изображаются как напряжения на трех бесконечно малых гранях куба, соответственно перпендикулярных главным осям. Возможны девять схем напряженного состояния (рис. 11.1а). Напряженное состояние в точке может быть линейным, плоским или объемным.

Рис. 11.1. Схемы напряженного (а) и деформированного (б) состояний:

I – линейное напряженное состояние; II – плоское; III – объемное

 

Схема напряженного состояния оказывает влияние на пластичность металла. На значение главных напряжений оказывают существенное влияние силы трения, возникающие в месте контакта заготовки с инструментом, и форма инструмента. В условиях всестороннего неравномерного сжатия при прессовании, ковке, штамповке сжимающие напряжения препятствуют нарушению межкристаллических связей, способствуют развитию внутрикристаллических сдвигов, что благоприятно сказывается на процессах обработки металлов давлением. В реальных процессах обработки давлением в большинстве случаев встречаются схемы объемного трехстороннего сжатия (прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, свободная ковка), а также объемное сжатие с одним растягивающим (листовая штамповка, волочение) напряжением.

В зависимости от действующих сил и соотношения их величин тело испытывает деформацию. Совокупность деформаций, возникающих по различным направлениям в пространстве, обычно называют деформированным состоянием. Схема деформированного состояния графически отображает наличие и направление деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Возможны три схемы деформированного состояния (рис. 11.1,б).

При схеме Д _I уменьшаются размеры тела по высоте, за счет этого увеличиваются два других размера (осадка, прокатка узкой полосы).

При схеме Д _II происходит уменьшение одного размера, чаще высоты, другой размер (длина) увеличивается, а третий (ширина) не изменяется. Например, прокатка широкого листа, когда его ширина в процессе прокатки практически не изменяется. Это схема плоской деформации.

Наиболее рациональной с точки зрения производительности процесса обработки давлением является схема Д _III: размеры тела уменьшаются по двум направлениям, и увеличивается третий размер (прессование, волочение).

Таким образом, имеем, что один и тот же металл имеет разную пластичность при различных схемах деформации.

Механическая схема деформации определяет и структуру деформированного металла. Зерна вытягиваются в направление главных деформаций. Это должно учитываться т.к. высокое качество деталь будет иметь в тех случаях, когда максимальные нормальные напряжения (растяжение, сжатие) действуют вдоль волокна, а касательные (сдвиг, срез) поперек.

Известно, что изменение температуры металла ведет к изменению механических свойств металла. При низких температурах пластичность металла уменьшается вследствие тепловой подвижности атомов. С повышением температуры пластичность возрастает, сопротивление деформированию уменьшается. Однако кривые изменения пластичности и прочности не всегда имеют монотонный характер. В интервале температур фазовых превращений может происходить некоторое повышение прочностных и снижение пластичных свойств металлов. Практически все металлы и сплавы в области температур, близких к температуре солидуса, обнаруживают резкое падение пластических свойств – так называемый температурный интервал хрупкости. Объясняется это тем, что при таких температурах границы зерен и расположенные там межкристаллические прослойки, включающие легкоплавкие примеси, размягчаются или расплавляются и даже небольшая деформация приводит к их разрушению. Чем чище металл, тем меньше напряженность температурного интервала хрупкого состояния и тем ближе он к температуре равновесного солидуса.

Предел прочности стали достигает максимальной величины при 300 ^оС. Дальнейшее увеличение температуры ведет к уменьшению предела прочности, который при 800-900 ⁰С снижается в 8-10 раз. Повышение t выше 800 ⁰С ведет также к росту зерен, что в свою очередь вызывает дальнейшее снижение предела текучести и увеличение относительного удлинения.

Микроструктура и механические свойства зависят не только от температуры обработки, но и от степени деформации.

Скорость деформирования материала при обработке давлением в значительной степени определяется скоростью перемещения деформирующего инструмента, хотя и не идентична ей. Правильнее было бы под скоростью деформации понимать величину относительного изменения размеров тела в единицу времени в направлении действующей силы. Обычно средняя скорость деформации для различных процессов обработки давлением изменяется в пределах 10^-12 – 10⁵ с^-1.

Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднозначно. При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости деформирования понижает пластичность металла. Особенно это сказывается при обработке магниевых и медных сплавов, высоколегированных сталей. Менее заметно отрицательное влияние увеличения скорости деформации при обработке алюминиевых сплавов, низколегированных и углеродистых сталей.

При обработке давлением в холодном состоянии увеличение скорости деформации выше некоторых значений приводит к повышению температуры обрабатываемого металла вследствие выделения значительной теплоты трения на плоскостях скольжения, которая не успевает распространиться в пространство. Повышение температуры приводит к разупрочнению и повышению пластических свойств. Этот эффект может быть очень значительным. Например, при обработке давлением с применением взрывных устройств удается получить в холодном металле весьма значительные пластические деформации.

По температурно-скоростному фактору различают следующие виды пластической деформации: холодная; неполная холодная, горячая и неполная горячая. Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

Как уже отмечалось, при нагреве металла его способность к пластической деформации повышается, а сопротивление деформации падает. Следовательно, процессы горячей деформации менее трудоемки и энергоемки. Однако изделия, полученные горячей обработкой, обладают худшим качеством поверхности (например, возможно образование окалины) и меньшей точностью геометрических размеров. Горячая деформация предпочтительна для переработки малопластичных металлов и при применении способов обработки давлением с большими скоростями деформации.

Для проведения процессов горячей пластической деформации температура металла составляет (0,65-0,75)Т_пл. Для углеродистой стали эта температура равна 900-1000 ^оС.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

Холодная деформация- деформация с полным упрочнением, разупрочняющие процессы при этом не происходят. Такое упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом. Упрочнение при наклепе объясняется увеличением плотности дислокаций и несовершенств кристаллической решетки. Холодной пластической деформацией можно в 2-3 раза повысить предел прочности и особенно предел текучести, например, гвозди должны быть изготовлены и могут применяться только из наклепанного металла. Гвозди, у которых наклеп снят термической обработкой (побывавши в печи), к применению не пригодны.

В то же время наклеп существенно увеличивает сопротивление металла деформированию, что приводит к повышенному износу инструмента и вызывает необходимость применения машин большей мощности.

Наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электросопротивление, меньшую теплопроводность, у него падает устойчивость против коррозии.

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводят к тому, что свободная энергия металла растет и он переходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Поэтому наклепанный металл при вылеживании даже при обычных температурах и небольшом нагреве переходит в более устойчивое структурное состояние: происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, уменьшение количества вакансий, снижение внутренних напряжений. Снижается прочность и твердость. Однако видимых изменений в структуре не происходит и вытянутая структура зерен сохраняется. Этот процесс называют возвратом металла.

При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.

Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.

Во всех случаях наука о деформации опирается на следующие три закона, дающие возможность правильно понять природу пластической деформации:

1. Закон сдвигающего напряжения: пластическая деформация может наступить только в том случае, если сдвигающие напряжения, возникающие в деформированном теле, достигнут определенной величины, зависящей от природы тела и условий деформации.

2. Закон наименьшего сопротивления: в случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях каждая точка перемещается в направление наименьшего сопротивления.

3. Закон постоянства объема: объем тела до деформации равен объему его после деформации.

В большинстве случаев практики пластического деформирования используется нагрев металл перед обработкой. Его назначением является повышение пластичности и снижение сопротивления деформированию. Для этой цели используется как пламенные, так и электрические нагревательные устройства. Их конструкция отличается большим разнообразием и подробно не рассматривается.