Способы обработки металлов давлением

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ___________________________________2
2. УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ________________________________6
3. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ____________________________9
4. ЛИТЕРАТУРА______________________________________________________________15

 

 

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

 

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Рассмотрим некоторые  термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом  теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после  снятия нагрузки — остаточными или  пластическими.

Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании  на растяжение показано на рис. 1. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 1. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

 

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию  металла. Эти температуры для  стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при  растяжении в кг/мм2 определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца (рис. 2, а), к площади поперечного сечения образца в мм².

Рис. 2. Методы испытания прочности материалов: а - на растяжение; б - на изгиб; в - на ударную вязкость; г - на твёрдость.

 

Предел прочности при  изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 2, б), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное  удлинение δ при растяжении или  прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 2, а) и измеряют между ними расстояние до испытания и после разрушения и определяют удлинение:

δ = l-l_o / l_o · 100%

Прогиб при изгибе в  мм определяется при помощи прогибомера машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 2, б).

Ударная вязкость в кГм/см² определяется на образцах (рис. 2, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см ².

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм² дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1.

 

 

 

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

 

Название сплава	Предел прочности  при растяжении в кГ/мм2	Удлинение  (при l = 0 = 5 do) в %	Твердость по Бринелю НВ	Примерное назначение
Техническое железо	23	30	90	Мембраны
Чугун серый	12—38	до 0,25	143—220	Отливки фасонные
Чугун высокопрочный	30—60	0,5—10	170—262	Ответственные отливки
Сталь малоуглеродистая (мягкая)	32 — 70	11 — 28	100—130	Котельное железо трубы, котлы
Сталь среднеуглеродистая (средней  твердости)	50—70	12 — 16	170 — 200	Оси, шатуны, валы, рельсы
Сталь твердая после закалки  и отпуска	110—140	до 9	400—600	Инструмент ударный и  режущий
Бронза оловянистая	15 — 25	3—10	70—80	Детали, работающие на истирание  и подверженные коррозии
Бронза алюминиевая	40—50	10	120	То же
Латунь однофазная	25 — 35	30-60	42—60	Патронно-гильзовое производство
Латунь двухфазная	35—45	30—40	_	Детали, изготовленные горячей  штамповкой
Силумин	21—23	1 — 3	65—100	Детали в авиастроении и автостроении
Сплавы магния	24 — 32	10—16	60—70	То же

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

 

      Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это  деформация, которая исчезает после  снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в  свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое  смещение атомов.

При растяжении монокристалла  возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения  равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после  снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости  от напряжения. Основными механическими  свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют  повышенную пластичность, менее чувствительны  к концентраторам напряжений. Для  этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а  также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и  размеров тела. Напряжения возникают  при действии на тело внешних сил  растяжения, сжатия, а также в  результате фазовых превращений  и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится  в напряженном состоянии, при  любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая  деформация, которая после прекращения  действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между  атомами в кристаллической решетке  металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного  притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы  возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил  межатомной связи, то произойдет хрупкое  разрушение путем отрыва. Упругую  деформацию вызывают небольшие касательные  напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения  действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической  решетке металла под действием  касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы  смещаются незначительно и после  снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое  смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных  напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При  снятии нагрузки устраняется упругая  составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла  и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической  решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой  атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними  атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости  скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут  действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают  холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. 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, а характеристики снижаются. Металл становится более твердым, но мене пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличение искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопление дислокаций у границы зерен).