Холодная, тёплая и горячая обработка металлов давлением
Если металл или сплав деформируют при температурах (ТД) ниже температуры рекристаллизации (ТД < ТР), то такую обработку называют холодной обработкой давлением. После холодной обработки давлением металл находится в наклёпанном состоянии. Примеры холодной обработки давлением: производство проволоки волочением, сопровождающееся одновременно упрочнением; накатывание резьбы (вместо её нарезания) для получения более прочного резьбового соединения; холодная объемная штамповка, холодная прокатка сплавов с целью их упрочнении, когда сплавы по своей природе не поддаются упрочняющей термической обработке.
Деформирование металла при температурах (ТД) выше температуры рекристаллизации (ТД ≥ ТР) называют горячей обработкой давлением. При горячей обработке давлением наклёпанное состояние не сохраняется, поскольку вслед за пластической деформацией в металле сразу развиваются процессы рекристаллизации. После окончания горячей обработки давлением металл находится в рекристаллизованном состоянии, по своим свойствам пригодным к дальнейшей обработке резанием или давлением. Большая часть металлов и сплавов подвергается горячей обработке давлением в прокатных и кузнечно-прессовых цехах металлургических предприятий, чаще всего на стадии получения заготовок деталей, а затем проходят обработку на машиностроительных заводах.
В случае выполнения обработки давлением в интервале температур «температура полигонизации (ТП) – температура рекристаллизации (ТР)», (ТР > ТД ≥ТП), после её окончания металл имеет полигонизованную структуру. Такая обработка называется тёплой обработкой давлением.
|
|
|
Отжиг после холодной пластической деформации
Как уже отмечалось в п. 3.2, явление наклёпа с большой эффективностью используется в практике обработки металлов и сплавов для улучшения технологических и эксплуатационных свойств.
Однако, в некоторых случаях подвергать какой-либо обработке или эксплуатировать металл в наклёпанном состоянии не желательно. Например, из-за пониженной пластичности наклёпанного металла затрудняется (или становится невозможной) дальнейшая обработка давлением (волочение, холодная объемная штамповка, холодная прокатка); возникающие при пластической деформации напряжения могут вызвать коробление изделия, привести к образованию трещин и разрушению; из-за низкой вязкости материала повышается вероятность хрупкого разрушения, снижается надежность изделия; вследствие низкой коррозионной стойкости наклёпанного металла снижается качество поверхности, ухудшается функциональные свойства и товарный вид металлических изделий.
|
|
|
Для того, чтобы устранить отрицательные последствия наклёпа, восстановить прежние структуру и свойства, которыми обладал металл до деформации, проводят термическую обработку - рекристаллизационный отжиг (ТОТЖ > ТР).
Главным процессом при рекристаллизационном отжиге холоднодеформированного металла является рекристаллизация. Рекристаллизация полностью снимает наклёп, восстанавливает все свойства металла (механические, физические и др.) до первоначальных значений.
Если необходимо частично снять наклёп, например, чтобы улучшить пластичные и вязкие свойства, но сохранить при этом некоторое упрочнение металла, то проводят неполный рекристаллизационный отжиг (ТОТЖ > ТР, время выдержки сокращённое).
В случае, когда требуется лишь уменьшить остаточные напряжения в изделии или восстановить исходные значения свойств, например, электропроводности, магнитной проницаемости, коррозионной стойкости, но при этом не допустить существенного снижения (не более 15%) механических свойств металла, то применяют дорекристаллизационный отжиг (ТОТЖ < ТР).
Главным процессом при дорекристаллизационном отжиге холоднодеформированного металла, определяющем уровень его свойств, является возврат.
|
|
|
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Получить у учебного мастера четыре образца из конструкционной низкоуглеродистой стали марки 20 ГОСТ 1050-2013. Образцы цилиндрической формы высотой Н0=20мм, диаметром Д=10мм. Первый образец находится в отожженном (не упрочнённом) состоянии. Другие образцы подвергнуты холодной пластической деформации при комнатной температуре на гидравлическом прессе методом осадки (рисунок 4.1). Относительная степень деформации ε образцов рассчитана по формуле
.
где Н0 и НК - начальная и конечная высота образца. Величина деформации соответственно равна ε =10, 30 и 50 %.
Рисунок 4.1. Схема осадки (1- инструмент, P- деформирующая сила,
2- исходный образец, 3- образец после деформации)
2. Исследовать влияние холодной пластической деформации на твёрдость стали марки 20. С этой целью провести измерение твёрдости исследуемых образцов на приборе Роквелла.
Рисунок 4.2. Схема прибора для измерения твёрдости по методу Роквелла
(1-индентор, 2-предметный стол, 3-образец, 4-маховик, 5-барабан,
6-клавиша, 7-электродвигатель, 8- груз, 9-индикатор).
|
|
|
Рисунок 4.3. Циферблат индикатора (1- красная точка, 2-малая стрелка,
3-большая стрелка, 4-чёрная шкала(С), 5-красная шкала (В) .
Участок для измерения твёрдости - поверхность торца образца. При подготовке к испытанию эту поверхность (а также опорную поверхность образца) необходимо зачистить на шлифовальном станке от забоин, грязи, различных покрытий, окалины и следов коррозии до требуемой шероховатости (не ниже 6 класса чистоты).
Условия испытания: индентор - стальной шарик; сила вдавливания - F=1000Н; число измерений на каждом образце - не менее 3-х раз.
Вычислить средние значения твёрдости HRBСР, результаты занести в таблицу 4.1.
Таблица 4.1. Результаты измерения твёрдости образцов из стали марки 20, подвергнутых холодной пластической деформации осадкой
| Степень деформации ε, % | 0 | 10 | 30 | 50 |
| Твёрдость HRBСР |
По данным таблицы 4.1 построить график HRB=f(ε) – рисунок 4.4.
Рисунок 4.4 Влияние холодной пластической деформации осадкой на твёрдость низкоуглеродистой стали марки 20.
3. Получить у учебного мастера четыре образца из исследуемой низкоуглеродистой стали марки 20, прошедших холодную деформацию с максимальной степенью осадки ε = 50 %. Три образца посадить в печь для проведения рекристаллизационного отжига. Параметры отжига: температура отжига t = 650°С, продолжительность выдержки в печи варьируется τ = 5, 10 и 15 минут, соответственно. После окончания времени выдержки образцы извлечь из печи для полного охлаждения на спокойном воздухе до комнатной температуры.
4. Подготовить образцы к испытанию на твердость на приборе Роквелла: зачистить торцевые поверхности образцов на шлифовальном станке от механических загрязнений и окисной плёнки. Далее провести измерения твёрдости каждого образца не менее 3-х раз на подготовленной торцевой поверхности. Вычислить средние значения твёрдости HRBСР, результаты занести в таблицу 4.2.
Таблица 4.2. Результаты измерения твёрдости образцов из стали марки 20 после рекристаллизационного отжига
| Продолжительность отжига τ, мин | 0 | 5 | 10 | 15 |
| Твёрдость HRBСР |
По данным таблицы 4.2 построить график HRB=f (τ) – рисунок 4.5
Рисунок 4.5. Изменение твёрдости холоднодеформированной стали марки 20 в зависимости от продолжительности рекристаллизационного отжига
5. Изучить под микроскопом при увеличении 300-400 крат микроструктуру образцов в исходном (неупрочнённом), наклёпанном и рекристаллизованном состояниях. Зарисовать схематично в квадратах 25х25 мм (рисунок 4.6).
а) б) в)
Рисунок 4.6. Изменение структуры низкоуглеродистой стали марки 20 в результате холодной обработки давлением и рекристаллизационного отжига (а - отожжённое состояние (до деформации), б – наклёпанное состояние (после холодной обработки давлением), в – равновесная структура (после рекристаллизационного отжига))
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
Отчёт оформляется каждым студентов индивидуально и предъявляется преподавателю на очередном занятии. Отчёт должен содержать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Материальное оснащение.
3. Краткие теоретические сведения.
4. Методика выполнения лабораторной работы.
5. Результаты работы и их обсуждение.
6. Выводы.
7. Список использованной литературы.
Цель работы формулируется очень кратко (одно-два предложения).
В разделе «Материальное оснащение» приводится перечень исследовательского оборудования, приборов, инструментов, наглядных пособий, которые использовались при выполнении практической части работы.
В разделе «Краткие теоретические сведения» освещаются основные вопросы по изучаемой теме, например, пластичность – характерное свойство металлов и основа обработки металлов давлением; изменения структуры при холодной пластической деформации; понятие наклёпа и эффективное использование его в практике обработки металлических материалов; сущность процесса рекристаллизации; устранение отрицательного влияние наклёпа термической обработкой; холодная и горячая обработка давлением.
В разделе «Методика работы» следует: указать материал, форму и размеры образцов для исследования; описать способ, условия, степень пластической деформации и режимы (температуру, продолжительность) отжига образцов; характеризовать условия проведения испытаний на твердость – тип твердомера, вид индентора и прилагаемую нагрузку, количество измерений на каждом образце; для микроанализа – назвать увеличение микроскопа; указать, как были систематизированы и представлены в отчете результаты исследований (например, в виде зарисовок, схем, графиков, таблиц).
Раздел «Результаты работы и их обсуждение» – важная часть отчёта. Обсуждение результатов не должно сводиться к перечислению обнаруженных фактов. Главная задача состоит в том, чтобы на опыте убедиться и проанализировать с металловедческих позиций наблюдаемые явления, вызванные механическим и тепловым воздействием на металл, т.е. пластической деформацией и нагревом.
В начале раздела в таблице 4.1 привести измеренные значения твёрдости исходных (недеформированных) образцов и подвергнутых холодной пластической деформации с разной степенью осадки. Для наглядного представления на основе табличных данных рекомендуется построить графическую зависимость твёрдости исследуемой низкоуглеродистой стали от степени деформации (рисунок 4.2). Объяснить причину наблюдаемого повышения твёрдости.
Далее, в таблице 4.2 привести данные твёрдости, полученные на образцах, прошедших рекристаллизационный отжиг. Более удобно анализировать наблюдаемые изменения твёрдости при нагреве холоднодеформированной стали, если полученную информацию представить в виде графической зависимости (рисунок 4.3). При обсуждении поведения характеристики твёрдости наклёпанной стали в зависимости от продолжительности выдержки при отжиге, показать понимание сущности процессов, протекающих при нагреве наклёпанной стали.
Результаты знакомства с микроструктурой стальных образцов в исходном, деформированном и рекристаллизованном состояниях оформляются в виде схематичных зарисовок (рисунок 4.4) и приводится их описание.
Излагая свои суждения, студент должен продемонстрировать понимание практического значения изучаемой темы, подкрепить примерами использования знаний в производственных технологических процессах обработки материалов или при их эксплуатации.
«Выводы» - итог работы. Коротко (в 3 – 4 предложениях) делается заключение по выполненной работе. Причем, полученные на лабораторном занятии результаты связываются в единое целое с известными теоретическими положениями и практикой обработки металлических материалов.
«Список использованной литературы» (для изучения темы, подготовки к работе, составлению отчета) приводится в конце отчета. Запись производится в соответствии с общепринятыми правилами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Высокая пластичность – характерное свойство металлов? Объясните эту закономерность, опираясь на знания типов химических связей, присущих различным веществам.
2. В чём различие упругой и пластической деформации тела?
3. Каков механизм пластической деформации металлов с точки зрения теории дислокаций?
4. Какую роль играют дислокации в упрочнении металлических материалов в процессе пластической деформации? Назовите численные значения плотности дислокаций на всех стадиях деформирования металла – от упругой деформации до разрушения?
5. Какие изменения наблюдаются в микроструктуре и свойствах металла после холодной обработки давлением?
6. Объясните природу наклёпа (нагартовки). Приведите примеры практического использования наклёпа в технологических процессах машиностроительного производства.
7. Что такое анизотропия свойств твёрдого тела? Объясните причины анизотропного состояния деформированного металла.
8. Как изменяются при нагреве структура и свойства металла, прошедшего холодную обработку давлением, во время процессов отдыха; полигонизации; первичной, собирательной и вторичной рекристаллизации?
9. Что понимается под критической степенью деформации? Какое это имеет значение для практики обработки металлов и сплавов?
10. Какой процесс, протекающий в холоднодеформированном металле при нагреве, называют рекристаллизацией? Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации?
11. Какие различия в структурных состояниях и в свойствах металлов и сплавов обнаруживаются после холодной, тёплой и горячей обработки давлением?
12. С какой целью проводится дорекристаллизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг?
13. Поясните с помощью схемы Одинга, какие пути повышения прочности металлических материалов можно реализовать на основе теории дислокаций?
14. Из медной заготовки (металл имеет высокую вязкость и низкую твёрдость) практически невозможно выточить деталь? Какую предварительную операцию в технологию получения заготовки дополнительно нужно ввести с целью подготовки структуры к резанию (используя знания изучаемой темы), чтобы улучшить обрабатываемость резанием меди?
15. Как называется термическая обработка, которая позволяет уменьшить внутренние напряжения, повысить коррозионную стойкость холоднодеформированного металла, но сохранить почти неизменными его высокие прочностные свойства?
16. Какую термическую обработку следует применить для полного снятия наклёпа и восстановления способности металла к пластической деформации?
17. Если при холодной листовой штамповке в местах перегиба металла обнаруживаются трещины, то это может означать недостаток ресурса пластичности. Какие меры для подготовки качественной структуры следует предпринять, чтобы исключить появления брака при изготовлении изделия?
18. Почему в разных объёмах штампованной заготовки (из металла или сплава) сложной формы, полученной горячей обработкой давлением, наблюдается разнозернистая структура?
19. В чём суть испытания материалов на твердость по методу Роквелла? Какие требования предъявляют к подготовке образцов для испытаний?
20. Известна аналитическая зависимость временного сопротивления разрыву 
и твёрдости по Бринеллю НВ: = к·НВ [МПа]. Для стали к=0,36. Используя данные таблицы 4.1 - результаты измерения твёрдости образцов из стали марки 20, подвергнутых холодной пластической деформации осадкой, постройте график зависимости =f (ε).
21. Объясните понятия: «металлический тип связи», «плотность дислокаций», «волокнистая макроструктура», «полосчатая микроструктура», «диаграмма деформации (растяжением)», «текстура деформации», «температура рекристаллизации», «разнозернистоть», «термическая обработка».
ЛИТЕРАТУРА
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
2.Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И., Ульянова Н.В. Материаловедение: Учебник для высших учебных заведений. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. 384 с.
3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1983, 384с.
4. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. – М.: Металлургия, 1977. – 431 с.
5. ГОСТ 9013-59 (СТ СЭВ 469-77, ИСО 6508-86) Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 2322; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!