Зміцнення методом холодної пластичної деформації

СПОСОБИ ЗМІЦНЕННЯ МАТЕРІАЛІВ

Раніше були розглянуті механічні властивості металів і сплавів. Основною властивістю для машинобудівних матеріалів є міцність. Однак, рівень міцності матеріалів в початковому стані не завжди відповідає встановленим параметрам.

В цьому випадку необхідно підвищити характеристики міцності для даного сплаву, використовуючи один із способів зміцнення.

До способів зміцнення відносяться:

1. Холодна пластична деформація (ХПД).

2. Термічна обробка.

3. Легування (введення до складу сплаву додаткових хімічних елементів).

4. Хіміко-термічна обробка (зміцнення поверхневих шарів металу і деталей малих перетинів).

5. Механо-термічна обробка (поєднання механічної та термічної обробки).

ЗМІЦНЕННЯ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ

Розглянутий раніше механізм пластичної деформації, дозволяє

зробити висновок, що процес зсуву в кристалах під дією зовнішніх напружень буде відбуватися тим легше, чим більше дислокацій буде в металі.

Після пластичної деформації дислокаційна щільність збільшується і досягає значення 10 8 # 8209, 10 10 см -2. При цьому формуються дислокаційні скупчення: сплетення у вигляді клубків дислокацій. При збільшенні ступеня деформації щільність дислокацій зростає до 10 11 - 10 12 см -2.

Підвищення міцності зі зростанням щільності дислокацій пояснюється тим, що при цьому виникають не тільки паралельні один одному дислокації, а й дислокації в різних кристалографічних площинах і напрямках. Такі дислокації будуть заважати один одному переміщатися і реальна міцність металу підвищується, так як сповільнюється рух дислокацій і зменшується пластична деформація.

Зміцнення металу під дією пластичної деформації називається наклепом. З ростом ступеня деформації міцність і твердість підвищуються, а здатність до пластичної деформації знижується (рис.5.1).

Рис.5.1. Зміна властивостей металу зі збільшенням ступеня

Ступінь попередньої деформації визначається за влучним висловом # 949; і обчислюється як відношення різниці товщини заготовок до деформації (Н) і після деформації (h) до вихідної товщині Н:

Зростання числа дислокацій і виникнення внутрішніх напружень в результаті наклепу призводить до того, що вільна енергія металу зростає, і він переходить в нерівноважний, нестійкий стан. Нагрівання металу повинен сприяти поверненню металу в більш стійке вихідне структурний стан.

Уже при невеликому нагріванні відбувається зняття спотворень кристалічної решітки, зменшення щільності дислокацій, зниження внутрішніх напружень. При цьому видимих ​​змін структури не спостерігається і витягнута форма зерен зберігається. Цей процес називається поверненням. При поверненні міцність зменшується незначно (на 20 - 30%), а пластичність дещо збільшується.

З ростом температури нагріву рухливість атомів зростає, і утворюються нові зерна замість орієнтованої волокнистої структури. Освіта і зростання нових рівноосних зерен називається рекристалізацією.

Рис.5.2. Схема процесу рекристалізації в деформованому

металі при нагріванні.

Процес рекристалізації протікає в дві стадії:

Перша стадія - рекристалізація обробки - процес утворення нових зерен.

Друга стадія - збірна рекристалізація - процес зростання новостворених рекрісталлізованних зерен (рис.5.2).

Нові зерна виникають на кордонах старих зерен. Процес попередньої рекристалізації термодинамічно вигідний, так як при переході деформованого металу в більш стійке рівноважний стан супроводжується зменшенням вільної енергії.

Температура, при якій виникають нові зерна і змінюються механічні властивості, називається температурою рекристалізації (Тр).

Вона залежить від температури плавлення.

де а - коефіцієнт, що залежить від складу і структури металу.

· Для чистих металів: Тр = 0,3 - 0,4 # 8729; Тпл;

· Для сплавів. Тр = 0,7 - 0,8 # 8729; Тпл.

Зміна структури і властивостей деформованого металу при нагріванні представлено на рис.5.3.

Мал. 5.3. Схема зміни структури і властивостей деформованого металу при нагріванні:

1-2 - повернення; 2-3 - первинна кристалізація; 3-4 - збірна рекристалізація

Таким чином, якщо необхідно зняти наклеп, то слід провести нагрів деформованого металу при температурі вище, ніж температура рекристалізації.

Щодо температури рекристалізації розрізняють холодну і гарячу деформацію. Холодна деформація проводиться при температурах нижче температури рекристалізації і є способом зміцнення металів і сплавів. Гаряча деформація проводиться при температурах вище температури рекристалізації. Так, при механічній обробці тиском мають місце два процеси: зміцнення за рахунок пластичної деформації і подальше разупрочнение при рекристалізації.