Изменения структуры и свойств металлов при обработке давлением

 

Обработка  давлением основана на способности не­которых металлов и сплавов пластически деформироваться, т. е. под действием нагрузок изменять внешнюю форму и сохранять измененную форму после того, как нагрузки перестают действо­вать.

Хрупкие металлы и сплавы обрабатывать давлением нельзя, так как они не обладают достаточной пластичностью.

 

Обработка  давлением основана на способности некоторых металлов и сплавов пластически деформироваться, т. е. под действием нагрузок изменять внешнюю форму и сохранять измененную форму после того, как нагрузки перестают действовать.

Хрупкие металлы и сплавы обрабатывать давлением нельзя, так как они не обладают достаточной пластичностью. Например, чугун как в холодном, так и в нагретом состоянии под давлением разрушается, не изменяя внешней формы, и потому для обработки давлением непригоден.

Некоторые металлы и сплавы, недостаточно пластичные при обычной температуре, при высоком нагреве обладают пластической деформацией и могут быть обработаны давлением. К числу таких сплавов относится сталь.

При пластической деформации изменяется не только внешняя форма металлов, но и внутреннее их строение, а следовательно, и свойства.

 

Рис. 1. Кривые изменения механических свойств отожженной стали  при нагревании

 

Из рис. 1  видно, как изменяются механические свойства отожженной стали в зависимости от температуры при нагревании.

Кривая σ_впоказывает, что прочность стали при нагревании до 300° С повышается, а при дальнейшем нагревании резко снижается. Показателипластичностиδи ψ, наоборот, при нагревании стали до 300° С понижаются, а при дальнейшем повышении температуры сильно возрастают, что и требуется для обработки давлением.

Из сказанного следует, какое значение при горячей обработке давлением имеет правильное определение температуры нагрева металлов. Однако для успешных результатов обработки требуется соблюдать и другие условия нагрева.

В технике часто используют   холодную   обработку  давлением  без нагрева металлов и сплавов: прокатку, штамповку, волочение в холодном состоянии или с нагревом до температуры ниже температуры рекристаллизации.

При холодной обработке давлением также изменяются механические и другие свойства металлов и сплавов.

На рис. 2 показаны кривые изменения механических свойств низкоуглеродистой стали (0,02—0,03 % С) при холодной прокатке. В результате этого процесса увеличиваются прочность и твердость стали, пластичность, наоборот, уменьшается.

Физико-механические свойства стали при холодной обработке давлением изменяются: уменьшаются электропроводность и сопротивление коррозии.

Изменение свойств металлов, вызванное деформацией в холодном состоянии, называется наклепом, или нагартовкой.

Рис. 2. Изменение  механических свойств мягкой сталили (0,03%С) при холодной  прокатке

Состояние наклепа объясняется изменением нормальной кристаллической решетки, т. е. сдвигами ее частиц под влиянием внешних воздействий.

Холодной обработке давлением подвергают листовые и полосовые заготовки из низкоуглеродистой стали, из цветных металлов и сплавов. Часто наклеп сообщают проволоке, применяемой для пружин.

Преимущества холодной обработки давлением — чистая поверхность и высокая точность изделий.

Если изменение свойств металла под влиянием холодной обработки нежелательно, наклеп может быть устранен путем нагревания изделий.

Уже при невысокой температуре (для стали 200—300° С) измененная холодной обработкой кристаллическая решетка частично восстанавливается, и в наклепанном слое понижается прочность и твердость, возрастает пластичность. Эти явления называются   возвратом.

При более высоком нагреве происходит   рекристаллизация, т. е. образование новых зерен взамен деформированных,  частичное восстановление структуры металла и возвращение первоначальных свойств.

Установлено, что наименьшая температура для рекристаллизации железа 450° С, меди 270° С, алюминия и магния 100° С, вольфрама 1200° С.

Легкоплавкие металлы — олово, цинк, кадмий и другие — имеют низкую температуру рекристаллизации. Например, температура начала рекристаллизации у цинка 0° С, свинца 30° С и т. п. Поэтому у таких металлов при обычной температуре явлений наклепа при холодной обработкедавлением не возникает.

Температура рекристаллизации не является постоянной для каждого металла и зависит: от степени деформации (чем больше деформация, тем нагревание должно быть выше); от времени выдержки (чем выдержка при температуре рекристаллизации продолжительнее, тем легче протекает процесс рекристаллизации);

от величины зерна (для крупнозернистого металлатемпература должна быть выше, чем для мелкозернистого).

Сталь обрабатывают давлением преимущественно в нагретом состоянии. Температура, при которой производят горячую обработку стали, значительно превышает температуру ее рекристаллизации, поэтому наклеп, образующийся при обработке, уничтожается вследствие рекристаллизации, и горячекатаная сталь наклепа не получает.

 

Рис. 3.  Область    нагрева   углеродистой стали для  обработки   давлением

 

При выборе температуры нагрева для горячей обработки стали  давлением следует опасаться ее пережога. В то же время нужно иметь в виду, что если сталь обрабатывать давлением при сравнительно низкой температуре, в ней сохранятся следы наклепа.

Следовательно, для правильного ведения горячей обработки давлением нужно знать, до какой температуры следует нагревать металл и при какой температуре прекращать эту обработку. Правильное определение температуры начала и конца горячей обработки (она установлена Д. К. Черновым) имеет исключительно важное значение для   качества изделий.

Температура нагрева для обработки давлением углеродистой стали зависит от содержания в ней углерода.

Из рис. 1 следует: чем меньше углерода содержит сталь, тем выше должна быть температура ее нагревания для успешной обработки давлением.

Горячая обработка давлением литых металлов способствует улучшению их свойств:

химический состав металла становится более равномерным;

металл приобретает мелкозернистое строение:

пустоты и газовые пузыри завариваются, и металл уплотняется.

Вместе с тем при горячей обработке давлением механические свойства металлов могут оказаться неодинаковыми в различных направлениях (ярко выраженная анизотропность), вследствие образования  волокнистой  структуры.

 

 

Рис. 4. Изменение  структуры   при   протяжке:

а — структура до вытяжки,   б — структура   после первой вытяжки, в — структура после многократной вытяжки

 

Волокнистое строение является результатом удлинения зерен при вытяжке металла и легко обнаруживается при рассмотрении излома в направлении вытяжки . Эта особенность структуры металла вызывает неодинаковые механические свойства вдоль и поперек направления вытяжки. Расположение волокон очень важно учитывать при обработке давлением. Необходимо добиваться, чтобы усилия, прилагаемые к изделию, были направлены не вдоль, а поперек волокон. Несоблюдение этих условий приводит к понижению ударной вязкости кованых изделий.