Какая характеристика металла должна быть высокой для успешной обработки его давлением

Содержание статьи

И принципы их определения

Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае — механические) — наиболее интересующая потребителя часть информации о материале (наряду, конечно, со стоимостью).

Механические свойствахарактеризуют поведение материалов при внешнем (механическом) нагружении.

Наиболее общими механическими свойствами являются прочность и твердость, пластичность и ударная вязкость.

Прочность — способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Стандартными характеристиками прочности, которые закладываются в конструкторский расчет, являются условный предел текучести (s0,2) и предел прочности (sв). Они определяются по результатам статического растяжения образцов усилием (нагрузкой) , (рис. 1.1.1)

Рис. 1.1.1. Схема испытаний образцов на растяжение

Приложение к телу нагрузки вызывает его деформацию — изменение размеров (и часто формы) тела. В данном случае величину деформации можно оценить относительным удлинением

d = %, (1.1.1)

где l0 и l длина образца в исходном и деформированном состояниях соответственно.

Реакцией тела на деформацию является возникновение в нем внутренних напряжений,

σ = P/S , (1.1.2)

стремящихся предотвратить деформацию и, в конечном счете, разрушение образца.

При относительно небольших нагрузках деформация обратимая — упругая — образец восстанавливает свои размеры (форму) при снятии нагрузки. Упругая деформация подчиняется закону Гука:

σ = Е×δ, (1.1.3)

где Е=const — модуль упругости (модуль Юнга), характеризующий жесткость материала — сопротивляемость упругой деформации.

Максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука называется пределом упругости (σу).

При значительных нагрузках (когда возникающее в теле напряжение σ становится больше σу) деформация становится необратимой = остаточной = пластической,т.е. частично сохраняется при снятии нагрузки.

Напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % (δ=0,2 %) называется условным пределом текучести (s0,2).

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения называетсяпределом прочности или временным сопротивлением (sв).

Все перечисленные прочностные характеристики (sу,s0,2,sвиЕ)[2] очень важны, т.к. дают разностороннюю информацию о прочности материала, но, к сожалению, способ их определения трудоемок и весьма дорог. Значительно проще измерение твердости (Н)[3] — сопротивления местной упругой и пластической деформации.

Твердость определяется методом вдавливания твердого наконечника — индентора в испытуемый образец (рис. 1.1.2) и оценивается по глубине или размеру возникающего отпечатка (углубления). Приборы для измерения твердости различаются материалом (твердостью) и формой индентора и величиной прилагаемой нагрузки.

Рис. 1.1.2. Схема испытаний образцов на твердость

Соответственно различают НВ, HRB (HRC) и HV — твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, соответственно. НВ и HRB (индентор — закаленный стальной шарик) используют для измерения твердости мягких материалов; HRC и HV (индентор — алмазные конус и пирамида соответственно) — для твердых и очень твердых материалов.

Пластичность — способность материала пластически деформироваться без разрушения. На явлении пластичности основаны все способы обработки металлов давлением. Величину пластичности определяют по результатам испытаний образцов на растяжение (рис. 1.1.1) и оценивают относительным удлинением (1.1.1) и относительным сужением:

Ψ = (S0 — S)/S0 × 100 %. (1.1.3)

Из формул (1.1.1) и (1.1.3) очевидно, что характеристики пластичности измеряются в %.

Ударная вязкость характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению.

Поскольку «охрупчиванию» материала при данной температуре способствуют: увеличение скорости нагружения и наличие поверхностных (и внутренних) дефектов типа микротрещин, то ударную вязкость определяют по результатам ударн ых испытаний образцов по специальным надрезам (рис. 1.1.3).

Какая характеристика металла должна быть высокой для успешной обработки его давлением

Рис. 1.1.3. Схема испытаний образцов на ударную вязкость

Величина ударной вязкости (КС) определяется как работа (А) деформации и разрушения образца, отнесенная к площади его поперечного сечения (S) в месте надреза:

КС=А/S. (1.1.4)

В обозначениях ударной вязкости KCU и KСV последняя буква указывает форму надреза (испытания образца, показанного на рис. 1.1.3, соответствуют KCV). Размерность ударной вязкости Дж/м2 (1МДж/м2 = 10 кг×м/см2).

Ударная вязкость очень важная характеристика, т.к. от ее величины зависит эксплуатационная надежность изделий. Материалы с малой величиной ударной вязкости являются хрупкими и могут легко разрушаться даже при небольших динамических нагрузках из-за случайных (или технологических) повреждений поверхности деталей или внутренних дефектов структуры.

Помимо приведенных в этом разделе существует ряд других механических свойств (методов испытаний), с которыми можно ознакомиться в учебной литературе (см. [1…4])

Знание всей совокупности этих свойств позволяет оценить конструкционную прочность — комплексную характеристику работоспособности материала в реальной конструкции.

В заключение этой темы отметим, что приведенные выше сведения являются частью курса «Сопротивление материалов». Здесь не обсуждается внутреннее строение материалов, без знания которого невозможно понять взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами материалов, что является задачей «Материаловедения».

Внимание!

Вы ознакомились (нет — изучили!) с содержанием введения и темы 1.1. Для проверки усвоения этого учебного материала попробуйте ответить на следующие вопросы.

Вопросы для самопроверки к теме 1.1

1. Что такое химический состав материала?

2. Что входит в понятие структуры (микроструктуры) материалов?

3. Какие свойства наиболее важны для конструкционных материалов? Почему?

4. Какова цель «материаловедческой подготовки» инженеров?

5. Перечислите основные механические свойства материалов.

6. Назовите наиболее распространенные характеристики прочности. Как они определяются, в каких единицах измеряются?

7. Перечислите приборы для измерения твердости; как обозначаются величины твердости, полученные на этих приборах?

8. Что такое пластичность? Какими характеристиками оценивают ее величину?

9. Какое свойство характеризуется символом KCU? Каков принцип его определения? В каких единицах оно измеряется?

10. Каково характерное свойство материалов с низкой величиной KCU?

Если Вы успешно отвечаете на эти вопросы, можно переходить к проверке качества Ваших знаний данной темы с помощью тестов.

Читайте внимательно тестовые задания. Обычно правильный ответ в каждом вопросе один из 5 перечисленных. Однако в тестах к другим темам «Опорного конспекта» задания могут быть усложнены. Правильность ваших ответов можете проверить в конце конспекта.

Промежуточные тесты к теме 1.1

I. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению?

1. Твердость.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Ударная вязкость.

5. Предел текучести.

II. Какая характеристика металла должна быть высокой для успешной обработки его давлением (например, холодной штамповки)?

1. Предел текучести.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Модуль упругости.

5. Твердость.

III. Если при испытании образца оказалось, что величина δ ≈ 0 %, то при каком виде нагружения можно успешно эксплуатировать изделия из данного материала?

1. Изгиб.

2. Кручение.

3. Растяжение.

4. Сжатие.

5. Удар.

IV. Какое из перечисленных свойств является механическим?

1. Плотность.

2. Электросопротивление.

3. Пластичность.

4. Коэрцитивная сила.

5. Теплоемкость.

Если Вы ответили на эти вопросы для самопроверки и справились с тестами, можете переходить к освоению следующей темы «Опорного конспекта». Если возникли проблемы с ответами на какие-то вопросы, следует повторить изучение соответствующих частей данной темы. Поступайте подобным образом и при изучении последующих тем «Опорного конспекта».

Источник

Промежуточные тесты к теме 1.1

1. Твердость.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Ударная вязкость.

5. Предел текучести.

1. Предел текучести.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Модуль упругости.

5. Твердость.

1. Изгиб.

2. Кручение.

3. Растяжение.

4. Сжатие.

5. Удар.

IV. Какое из перечисленных свойств является механическим?

1. Плотность.

2. Электросопротивление.

3. Пластичность.

4. Коэрцитивная сила.

5. Теплоемкость.

Тема 1.2. Кристаллическое строение и

Свойства металлов

Все написанное ниже справедливо для любых кристаллических материалов, но можно начать с чистых металлов, являющихся основой металлических сплавов, т.е. большинства промышленных материалов.

Физической основой обсуждаемых здесь проблем являются представления об атомном строении твердых тел, изучаемые в соответствующих темах физики и химии, содержание которых желательно освежить в памяти.

Кристаллические решетки металлов

Металлы обычного способа производства имеют кристаллическое строение. Вкристаллахатомы расположены строго упорядоченным образом так, что, если через их центры провести воображаемые линии вдоль трех координатных осей, они образуют пространственную (кристаллическую) решетку (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток — их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками. В общем случаеэлементарная ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах , , (рис. 1.2.1).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в них атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются тремя основными характеристиками:

1.Период (или параметр) решетки — расстояние между соседними узлами решетки вдоль трех координатных осей. В общем случае решетка характеризуется тремя параметрами — скалярными величинами а, в, с (рис. 1.2.1.).

В случае простой кубической решетки (рис. 1.2.2) имеется один параметр решетки, равный ребру элементарной ячейки (куба).

Рис. 1.2.2. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки в ней атомов (б)

Очевидно, что величина параметра решетки очень мала (в металлах ≈0,2…0,6 нм; 1 нм = 10-9м) и определяется рентгеноструктурным анализом.

2. Координационное число (К) — число ближайших соседей, окружающих данный атом и находящихся от него на одинаковых расстояниях. Для оценки величины К нужно представить, что элементарная ячейка со всех сторон окружена себе подобными (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.3. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Видно, что в простой кубической решетке К = 6.

3.Относительная плотность упаковки решетки атомами (q) — отношение объема, занимаемого атомами в ячейке, к объему самой ячейки, т.е.

q = %, (1.2.1)

где r — радиус атома, а — параметр решетки (см. рис. 1.2.2), n — число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что в простой кубической решетке n = (см. рис. 1.2.3), поэтому легко подсчитать (учитывая, что а = 2r), что в простой кубической решетке q = 52 %. Такая решетка является «рыхлой», так как 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты.

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т.е. с большими значениями К и q.

Многие металлы имеют объемноцентрированную (ОЦК) и гранецентрированную (ГЦК) решетки, их характеристики приведены на рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) решетки

Например, ОЦК решетку имеет Feα (или α-Fe), а ГЦК решетку — Feγ (или γ-Fe). Такаяспособность некоторых веществ иметь различный тип решетки называется полиморфизмом.

Полиморфизм железа играет важнейшую роль в формировании структуры и свойств железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов (Темы 2.1 и 2.2 «Опорного конспекта»).

Источник

Обработка металлов давлением – ОМД: разновидности и особенности технологии

ОМД, или обработка металлов давлением, возможна благодаря тому, что такие материалы отличаются высокой пластичностью. В результате пластической деформации из металлической заготовки можно получить готовое изделие, форма и размеры которого соответствуют требуемым параметрам. Обработка металла давлением, которая может выполняться по различным технологиям, активно используется для выпуска продукции, применяемой в машиностроительной, авиационной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности.

Обработка листового металла давлением на прокатном станке

Физика процесса обработки металлов давлением

Сущность обработки металлов давлением состоит в том, что их атомы такого материала при воздействии на них внешней нагрузки, величина которой превышает значение его предела упругости, могут занимать новые устойчивые положения в кристаллической решетке. Такое явление, которым сопровождается прессование металла, получило название пластической деформации. В процессе пластической деформации металла изменяются не только его механические, но и физико-химические характеристики.

В зависимости от условий, при которых происходит ОМД, она может быть холодной или горячей. Различия их состоят в следующем:

Горячая обработка металла выполняется при температуре, которая выше температуры его рекристаллизации.
Холодная обработка металлов, соответственно, осуществляется при температуре, находящейся ниже температуры, при которой они рекристаллизуются.

Ковка раскаленной заготовки на молоте — вид горячей обработки металла давлением

Виды обработки

Обрабатываемый давлением металл в зависимости от используемой технологии подвергается:

прокатке;
ковке;
прессованию;
волочению;
объемному штампованию;
листовому штампованию;
обработке, выполняемой комбинированными способами.

Основные виды обработки металла давлением

Прокатка

Прокатка — это обработка давлением заготовок из металла, в ходе которой на них воздействуют прокатные валки. Целью такой операции, для выполнения которой необходимо использование специализированного оборудования, является не только уменьшение геометрических параметров поперечного сечения металлической детали, но и придание ей требуемой конфигурации.

Виды прокатных валков

На сегодняшний день прокатку металла выполняют по трем технологиям, для практической реализации которых необходимо соответствующее оборудование.

Продольная

Это прокатка, являющаяся одним из самых популярных методов обработки по данной технологии. Сущность такого способа обработки металла давлением заключается в том, что заготовка, проходящая между двумя валками, вращающимися в противоположные стороны, обжимается до толщины, соответствующей зазору между этими рабочими элементами.

Поперечная

По такой технологии обрабатывают давлением металлические тела вращения: шары, цилиндры и др. Выполнение обработки данного типа не предполагает, что заготовка совершает поступательное движение.

Поперечно-винтовая

Это технология, которая представляет собой нечто промежуточное между продольной и поперечной прокаткой. С ее помощью преимущественно обрабатываются полые металлические заготовки.

Виды прокатки металла

Ковка

Такая технологическая операция, как ковка, относится к высокотемпературным методам обработки давлением. Перед началом ковки металлическую деталь подвергают нагреву, величина которого зависит от марки металла, из которого она изготовлена.

Обрабатывать металл ковкой можно по нескольким методикам, к которым относятся:

ковка, выполняемая на пневматическом, гидравлическом и паровоздушном оборудовании;
штамповка;
ковка, выполняемая вручную.

При машинной и ручной ковке, которую часто называют свободной, деталь, находясь в зоне обработки, ничем не ограничена и может принимать любое пространственное положение.

Ручная ковка используется в кузнечных мастерских при изготовлении небольшого количества изделий

Машины и технология обработки металлов давлением по методу штамповки предполагают, что заготовка предварительно помещается в матрицу штампа, которая препятствует ее свободному перемещению. В результате деталь принимает именно ту форму, которую имеет полость матрицы штампа.

К ковке, относящейся к основным видам обработки металлов давлением, обращаются преимущественно в единичном и мелкосерийном производстве. Разогретую деталь при выполнении такой операции располагают между ударными частями молота, которые называются бойками. При этом роль подкладных инструментов могут играть:

обычный топор:
обжимки различных типов;
раскатка.

Прессование

При выполнении такой технологической операции, как прессование, металл вытесняется из полости матрицы через специальное отверстие в ней. При этом усилие, которое необходимо для осуществления такого выдавливания, создается мощным прессом. Прессованию преимущественно подвергают детали, которые изготовлены из металлов, отличающихся высокой хрупкостью. Методом прессования получают изделия с полым или сплошным профилем из сплавов на основе титана, меди, алюминия и магния.

Прессование в зависимости от материала изготовления обрабатываемого изделия может выполняться в холодном или горячем состоянии. Предварительному нагреву перед прессованием не подвергают детали, которые изготовлены из пластичных металлов, таких как чистый алюминий, олово, медь и др. Соответственно, более хрупкие металлы, в химическом составе которых содержится никель, титан и др., подвергаются прессованию только после предварительного нагрева как самой заготовки, так и используемого инструмента.

Установка холодного прессования изделий из листового металла

Прессование, которое может выполняться на оборудовании со сменной матрицей, позволяет изготавливать металлические детали различной формы и размеров. Это могут быть изделия с наружными или внутренними ребрами жесткости, с постоянным или разным в различных частях детали профилем.

Волочение

Основным инструментом, при помощи которого выполняется такая технологическая операция, как волочение, является фильера, называемая также волокой. В процессе волочения круглая или фасонная металлическая заготовка протягивается через отверстие в фильере, в результате чего и формируется изделие с требуемым профилем поперечного сечения. Наиболее ярким примером использования такой технологии является процесс производства проволоки, который предполагает, что заготовка большого диаметра последовательно протягивается через целый ряд фильер, в итоге превращаясь в проволоку требуемого диаметра.

Технологические процессы получения проволоки методом волочения

Классифицируется волочение по целому ряду параметров. Так, оно может быть:

сухим (если выполняется с применением мыльной стружки);
мокрым (если для его выполнения используется мыльная эмульсия).

По степени чистоты формируемой поверхности волочение может быть:

черновым;
чистовым.

Линия волочения медной проволоки

По кратности переходов волочение бывает:

однократным, выполняемым за один проход;
многократным, выполняемым за несколько проходов, в результате которых размеры поперечного сечения обрабатываемой заготовки уменьшается постепенно.

По температурному режиму этот вид обработки металла давлением может быть:

холодным;
горячим.

Объемная штамповка

Сущность такого способа обработки металла давлением, как объемная штамповка, состоит в том, что получение изделия требуемой конфигурации осуществляется при помощи штампа. Внутренняя полость, которая сформирована конструктивными элементами штампа, ограничивает течение металла в ненужном направлении.

В зависимости от конструктивного исполнения штампы могут быть открытыми и закрытыми. В открытых штампах, применение которых позволяет не придерживаться точного веса обрабатываемой заготовки, предусмотрен специальный зазор между их подвижными частями, в который может выдавливаться избыток металла. Между тем использование штампов открытого типа вынуждает специалистов заниматься удалением облоя, образующегося по контуру готового изделия в процессе его формирования.

Особенностью горячей штамповки металла является воздействие высокой температуры, вследствие чего заготовка деформируется, принимая форму штампа

Между конструктивными элементами штампов закрытого типа такой зазор отсутствует, и формирование готового изделия происходит в замкнутом пространстве. Для того чтобы обрабатывать металлическую заготовку при помощи такого штампа, ее вес и объем должны быть точно рассчитаны.

Листовая штамповка

При помощи листовой штамповки готовые изделия получают из листового металла. В зависимости от того, какого результата необходимо добиться в процессе выполнения такой технологической операции, различают штамповку:

разделительную (отрезка, вырубка и пробивка);
формообразующую (гибка, вытяжка, раздача, отбортовка, чеканка и др.).

Для выполнения листовой штамповки используют гидравлические или кривошипно-шатунные прессы, рабочими органами которых являются штампы, состоящие из матрицы и пунсона.

Примеры изделий, изготовленных методом листовой штамповки

Качество готового изделия, которое обеспечивает листовая штамповка, позволяет не подвергать его последующей механической обработке. Для того чтобы обеспечить это качество, матрица и пунсон должны быть хорошо разработаны и изготовлены с высокой степенью точности.

Листовая штамповка — это одна из наиболее распространенных методик ОМД, которая активно применяется почти во всех отраслях промышленности. По такой технологии, в частности, производят как мельчайшие детали радиоэлектронных устройств, так и массивные кузова автотранспортных средств.

Получить более полное представление о способах обработки металла давлением, позволяет видео, демонстрирующее их в мельчайших подробностях.

Источник