Технологические процессы обработки материалов давлением

Лекция №2

(основные понятия и определения)

Сущность обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением основана на способности металлов в определенных условиях получать пластические (остаточные) деформации в результате действия на деформируемую заготовку внешних сил.

При пластической деформации изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил.

Главное достоинство обработки металлов давлением – это возможность значительного уменьшения отходов металла по сравнению с обработкой резанием.

Кроме того, при обработке металлов давлением можно резко повысить производительность труда. Это связано с тем, что в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры заготовки.

Еще одно преимущество – это изменение при пластической деформации физико-механических свойств металла заготовки. Это изменение можно использовать для получения деталей с наилучшими служебными свойствами (прочность, жесткость, сопротивление износу и др.).

Конструктор при выборе металла или сплава для деталей машины должен учитывать следующие свойства: механические, физические, химические и технологические. При разработке технологических процессов обработки материалов давлением (ОМД) в первую очередь принимаются во внимание механические и технологические свойства.

Механические свойства металлов

К основным механическим свойствам 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. 4. 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. 4. 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 соответствуют 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.5, а), к площади поперечного сечения образца в мм².

Рис. 5. 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. 5, б), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

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

Относительное удлинение δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 5, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) 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. 5, б).

Ударная вязкость в кГм/см² определяется на образцах (рис. 5, 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. 5, 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.

Физические свойства металлов и сплавов

Физические свойства металлов и сплавов определяются удельным весом, коэффициентами линейного и объемного расширения, электропроводностью, теплопроводностью, температурой плавления и т. д.

Технологические свойства металлов

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуются их способностью поддаваться различным методам горячей и холодной обработки (легко плавиться и заполнять форму, коваться, свариваться, обрабатываться режущими инструментами и т. д.). В связи с этим особо выделяют ковкость металла.

Ковкость металла

Ковкостью металла называется его способность деформироваться при наименьшем сопротивлении и принимать необходимую форму под влиянием внешних усилий без нарушения целостности. Металлы могут обладать ковкостью, как в холодном, так и в нагретом состоянии. Хорошей ковкостью обладает сталь в нагретом состоянии. Латунь однофазная и алюминиевые сплавы обладают хорошей ковкостью в холодном состоянии. Пониженной ковкостью отличается бронза. Чугуны практически не обладают ковкостью.