Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов:технология изготовления заготовок и деталей. Книга 2
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 241
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-016431-1
ISBN-онлайн: 978-5-16-108723-7
DOI:
10.12737/1143897
Артикул: 737467.01.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
В книге 2 представлены технологии изготовления заготовок и деталей из металлических материалов: литье, сварка, обработка давлением и резанием. Даны основы технологии нанесения гальванических покрытий. Рассмотрены технологии изготовления деталей из неметаллических материалов: пластических масс, резины, стекла, а также композиционных материалов. Показаны технологии, совмещающие изготовление композиционных материалов и деталей из них.
Учебник дополнен двумя главами, отражающими тенденции развития техники и технологии (глава 28 «Наноструктурные материалы. Свойства. Технологии получения. Области применения», глава 29 «Аддитивное производство»).
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для бакалавров и магистрантов, обучающихся по укрупненным группам направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов». Может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей, а также при повышении квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.03: Прикладная механика
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- 15.03.06: Мехатроника и роботехника
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г. A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ УЧЕБНИК КНИГА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ 2-е издание, исправленное и дополненное Рекомендовано Учебно-методическим советом ФГБОУ ВО «МГТУ “СТАНКИН”» в качестве учебника для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов» Электронно- znanium.com Москва ИНФРА-М 2021
УДК 620.1(075.8) ББК 30.3я73 А28 Рецензенты: Ю.Ф. Набатников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного оборудования, транспорта и машиностроения Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»; Л.Г. Алехин — кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики МИРЭА — Российского технологического университета Адаскин А.М. А28 Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов : учебник : в 2 кн. Книга 2. Технология изготовления заготовок и деталей / A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 241 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1143897. ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.) ISBN 978-5-16-016431-1 (кн. 2, print) ISBN 978-5-16-108723-7 (кн. 2, online) В книге 2 представлены технологии изготовления заготовок и деталей из металлических материалов: литье, сварка, обработка давлением и резанием. Даны основы технологии нанесения гальванических покрытий. Рассмотрены технологии изготовления деталей из неметаллических материалов: пластических масс, резины, стекла, а также композиционных материалов. Показаны технологии, совмещающие изготовление композиционных материалов и деталей из них. Учебник дополнен двумя главами, отражающими тенденции развития техники и технологии (глава 28 «Наноструктурные материалы. Свойства. Технологии получения. Области применения», глава 29 «Аддитивное производство»). Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения. Для бакалавров и магистрантов, обучающихся по укрупненным группам направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов». Может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей, а также при повышении квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий. УДК 620.1(075.8) ББК 30.3я73 ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.) ISBN 978-5-16-016431-1 (кн. 2, print) ISBN 978-5-16-108723-7 (кн. 2, online) © Адаскин A.M., Красновский А.Н., 2016 © Адаскин A.M., Красновский А.Н., Тарасова Т.В., 2021, с изменениями
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение......................................................................6 Часть III. Технология изготовления заготовок и деталей........................9 Глава 18. Технологические свойства металлов и сплавов.......................9 18.1. Технологические требования к материалам для литья (литейным сплавам).10 18.2. Обрабатываемость материалов давлением. Холодная и горячая обработка давлением................................................................11 18.3. Свариваемость металлов.............................................16 18.4. Обрабатываемость резанием..........................................18 Глава 19. Литейное производство............................................20 19.1. Основы литья.......................................................20 19.2. Литье в одноразовые формы..........................................20 19.2.1. Литье в песчаные формы.........................................20 19.2.2. Литье по выплавляемым моделям..................................26 19.2.3. Литье в оболочковые формы......................................28 19.3. Литье в многоразовые формы.........................................30 19.3.1. Литье в кокиль.................................................31 19.3.2. Литье под давлением............................................32 19.3.3. Центробежное литье.............................................33 19.4. Электрошлаковое литье..............................................34 19.5. Оборудование литейных производств..................................35 Глава 20. Обработка давлением..............................................37 20.1. Основы обработки давлением.........................................37 20.2. Горячая обработка давлением........................................38 20.2.1. Нагрев заготовок...............................................38 20.2.2. Ковка..........................................................39 20.2.3. Штамповка......................................................41 20.3. Холодная обработка давлением.......................................46 20.3.1. Листовая штамповка.............................................46 20.3.2. Объемная штамповка.............................................49 20.4. Материалы для штампового инструмента...............................50 20.5. Оборудование для обработки металлов давлением......................53 Глава 21. Сварка...........................................................55 21.1. Классификация видов сварки.........................................55 21.2. Сварка плавлением..................................................55 21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. Термическая обработка сварных заготовок................................56 21.2.2. Электродуговая сварка..........................................57 21.2.3. Электрошлаковая сварка.........................................59 21.2.4. Газовая сварка.................................................60 21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом и лазерном нагреве для сварки.............................................................61 21.3. Термомеханические и механические методы сварки.....................62 21.4. Резка металлов.....................................................65
Оглавление Глава 22. Пайка и склеивание материалов.....................................68 22.1. Пайка металлов......................................................68 22.1.1. Технология пайки................................................68 22.1.2. Обработка деталей после пайки...................................71 22.2. Склеивание материалов...............................................72 Глава 23. Обработка резанием................................................75 23.1. Особенности обработки резанием......................................75 23.2. Основы обработки резанием...........................................75 23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента...................75 23.2.2. Режимы резания..................................................78 23.2.3. Процесс резания.................................................80 23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности....................84 23.3.1. Точность размеров и формы.......................................84 23.3.2. Оценка качества поверхности.....................................91 23.4. Инструментальные материалы..........................................93 23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента............................93 23.4.2. Материалы абразивных инструментов..............................100 23.5. Технология обработки на металлорежущих станках.....................102 23.5.1. Технология лезвийной обработки.................................102 23.5.2. Абразивная обработка...........................................110 23.6. Металлорежущие станки..............................................114 Глава 24. Основы электрофизических и электрохимических методов обработки...117 24.1. Электроэрозионная обработка........................................117 24.2. Электрохимическая обработка........................................118 24.3. Анодно-механическая обработка......................................120 24.4. Ультразвуковая обработка...........................................120 24.5. Лучевая обработка..................................................121 24.6. Плазменная обработка...............................................122 Глава 25. Технология нанесения гальванических покрытий.....................123 25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий.........123 25.2. Подготовка поверхностей деталей под покрытие.......................123 25.2.1. Требования к поверхностям......................................123 25.2.2. Технология подготовки поверхности..............................124 25.3. Технология нанесения покрытий......................................125 25.3.1. Влияние на качество поверхности технологии нанесения покрытий..125 25.3.2. Гальванические покрытия: свойства, область применения..........126 Глава 26. Изготовление деталей из неметаллических материалов...............131 26.1. Изготовление деталей из пластических масс и резины.................131 26.1.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины.131 26.1.2. Технология изготовления объемных (трехмерных) деталей..........132 26.1.3. Технология изготовления деталей из листового материала.........135 26.1.4. Оборудование для переработки пластмасс.........................137 26.1.5. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины..............138 26.2. Изготовление деталей из стекла.....................................138 Глава 27. Технология изготовления деталей (заготовок) из композиционных материалов ...141 27.1. Технология изготовления композитов с полимерной матрицей...........141 27.1.1. Формообразование прессованием в формах.........................142 27.1.2. Контактное формование..........................................145 27.1.3. Формообразование давлением. Технологии RTM (Resin Transfer Moulding) и Light RTM..................................147 27.1.4. Вакуумное формование...........................................149 27.1.5. Намотка........................................................152 27.1.6. Пултрузия......................................................158 27.1.7. Технология изготовления деталей и заготовок из препрегов и премиксов .... 160 27.1.8. Технология изготовления сборных конструкций из композитов с полимерной матрицей..................................................161
Оглавление 5 27.2. Технология изготовления деталей из углерод-углеродных композитов......165 27.3. Изготовление деталей из композитов с металлической матрицей.......166 27.3.1. Технология изготовления деталей и заготовок из дисперсно-упрочненных композитов...................................166 27.3.2. Технология изготовления деталей и заготовок из волокнистых композитов.............................................167 27.3.3. Метод пропитки................................................169 27.3.4. Метод направленной кристаллизации.............................170 27.3.5. Получение деталей из псевдосплавов............................171 Глава 28. Наноструктурные материалы. Свойства. Технологии получения. Области применения........................................................173 28.1. Наноструктурные материалы. Принципиальные особенности.............173 28.2. Классификация наноструктурных материалов..........................175 28.2.1. Нульмерные наноматериалы (0D).................................175 28.2.2. Одномерные наноматериалы (1D).................................177 28.2.3. Двухмерные наноматериалы (2D).................................181 28.2.4. Трехмерные наноматериалы (3D).................................182 28.3. Технологии получения наноматериалов...............................184 28.3.1. Зондовые технологии...........................................185 28.3.2. Золь-гель методы..............................................188 28.4. Технологии получения наноматериалов разной размерности............192 28.4.1. Технологии получения OD-материалов............................192 28.4.2. Технологии получения Ю-материалов.............................194 28.4.3. Технологии получения 2D-материалов............................197 28.4.4. Технологии получения 3D-материалов............................199 28.5. Нанокомпозиты и технологии их изготовления........................202 28.6. Свойства и области применения наноразмерых материалов.............203 28.6.1. Машиностроительные материалы..................................203 28.6.2. Функциональные материалы......................................205 28.6.3. Стабильность структуры и свойств наноматериалов...............207 Глава 29. Аддитивное производство ........................................210 29.1. Характеристика аддитивного производства...........................210 29.2. Классификация аддитивных технологий...............................214 29.3. Технологии и оборудование аддитивного производства изделий из полимерных материалов................................................215 29.3.1. Фотополимеризация в ванне. Стереолитография (SLA — Stereolithography). Цифровая светодиодная проекция (DLP — Digital Light Processing)...........215 29.3.2. Экструдерное осаждение (FDM Fused Deposition Modeling)............216 29.3.3. Струйное нанесение материала. Технология PolyJet (многоструйная)..217 29.3.4. Струйное нанесение связующего вещества. Струйная трехмерная печать (3DP)......................................218 29.3.5. Листовое ламинирование пластиковых листов (PSL — Plastic Sheet Lamination)..........................................219 29.3.6. Селективное лазерное спекание (SLS)...............................220 29.4. Технологии и оборудование аддитивного производства изделий из металлических материалов.............................................221 29.4.1. Металлопорошки для аддитивного производства. Характеристики. Технология получения..................................................221 29.4.2. Технологии селективного лазерного и электронно-лучевого плавления.224 29.4.3. Технологии лазерной и электронно-лучевой наплавки.............227 29.5. Область рационального применения аддитивных технологий............230 Темы рефератов и докладов...................................................233 Тест........................................................................234 Правильные ответы к тесту...................................................238 Библиографический список....................................................239
Введение Книга 2 представляет третью часть учебника «Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов», посвященную технологиям изготовления заготовок и деталей, являющихся «предметами труда» по терминологии ГОСТ 3.1109-82 «Единая система технологической документации (ЕСТД). Термины и определения основных понятий». Заготовка — промежуточный продукт производства, из которого изготавливают детали. В качестве заготовок может использоваться продукция металлургических комбинатов (прутки, профильный прокат, трубы, слитки), а также предприятий, производящих неметаллические и композиционные материалы (например, препреги и премиксы). Чаще, однако, эта продукция является исходной для получения заготовок на машиностроительных предприятиях (например, получение штамповки определенной формы из прутка). Производство именно таких заготовок рассматривается в третьей части книги. Любое изделие является заготовкой до тех пор, пока оно не приобрело форму, размеры и свойства, определенные технической документацией — чертежом детали. Только после этого заготовка превращается в деталь. Деталь — сборочная часть узла или машины (агрегата). Содержание и последовательность действий, позволяющих получить заготовку, деталь, являются технологическим процессом — это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Технологический процесс может быть отнесен к изделию, его составной части или к методам обработки, формообразования и сборки (ГОСТ 3.1109-82 «Единая система технологической документации (ЕСТД). Термины и определения основных понятий»). Главная задача, решаемая при разработке технологического процесса изготовления детали, заключается в достижении технических требований, определяемых условиями эксплуатации и заданных конструкторской документацией. При этом необходимо обеспечить меньшую трудоемкость изготовления детали (заготовки), лучшее использование материала (наибольший коэффициент использования материала — КИМ), минимизировать энергетические затраты. Это сложная задача, по-разному решаемая для производств разного типа. Так, например, создание специальной оснастки (например, штамповой) целесообразно в крупносерийном производстве и неэффективно в условиях единичного производства. В современном машиностроительном производстве используются разнообразные методы формообразования заготовок и деталей машин: литье; обработка давлением; механическая обработка; физические и химические методы, используемые для получения заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов. В учебнике рассмотрены эти технологии, а также определены области их рационального применения.
Введение 7 Рассмотрены «прорывные» технологии. Это нанотехнологии, позволяющие получить материалы и изделия с уникальными механическими и функциональными свойствами. Это аддитивные технологии, применяя которые можно изготовить металлические и неметаллические детали весьма сложной формы, производство которых традиционными методами весьма трудоемко или просто невозможно. В учебнике приведены сведения о технологическом оборудовании, на котором реализуются технологические процессы изготовления заготовок и деталей. Учебник предназначен для бакалавров и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по укрупненным группам направлениий подготовки 15.00.00 «Машиностроение», 22.00.00 «Технологии материалов», также будет интересен и специалистам машиностроительных предприятий. В результате освоения материала, изложенного в учебнике «Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов. Книга 2. Технология изготовления заготовок и деталей» бакалавр (магистр) должен: знать • технологические свойства материалов; • литейные свойства и материалы литейного производства; • технологическую пластичность в холодном и горячем состоянии; • свариваемость материалов, их склонность к образованию холодных и горячих трещин; • обрабатываемость резанием; • технологические процессы изготовления заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов; • технологии литейного производства; • технологии обработки давлением; • технологические процессы и материалы сварки и пайки; • технологические операции обработки резанием; • основы нанотехнологий и аддитивных технологий; • специальные технологии изготовления изделий из неметаллических и композиционных материалов; • производственное оборудование; • основное оборудование и его технологические возможности; • технологическую оснастку и инструмент; • требования к точности — систему допусков и посадок; уметь • использовать конструкторскую документацию при разработке технологических процессов изготовления деталей; • выбирать метод получения заготовок; • разрабатывать технологические маршруты изготовления заготовок и деталей; • проектировать технологические операции изготовления и контроля деталей; • проектировать технологические процессы; • выбирать материалы с лучшими технологическими свойствами для конкретных условий производства заготовок и деталей; • выбирать инструментальные материалы для конкретных технологических процессов; владеть • знаниями в области технологических свойств конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов;
Введение • знаниями типовых технологических процессов изготовления отливок, поковок, обработки резанием; • принципами выбора инструментальных материалов для различных формообразующих технологических операций; • техникой определения линейных и угловых размеров; • техникой анализа данных шероховатости обработанной поверхности (анализ данных профилограмм).
Часть III ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ Глава 18 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Выбор материала детали, в первую очередь, определяется эксплуатационными требованиями — деталь должна быть работоспособной в конкретных условиях, которые могут быть весьма разнообразными: различные нагрузки, температура, среда и т.д. В ряде случаев необходимыми являются специальные физические свойства, так, материал должен быть немагнитным или, напротив, обладать высокими магнитными свойствами, низкой или высокой электропроводностью и т.д. На практике деталь одного и того же назначения может быть изготовлена из разных материалов, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям. В этом случае выбор материала определится его технологическими свойствами. Например, по условиям эксплуатации деталь сложной конфигурации можно изготовить из стали или чугуна. Этот выбор определяет различные технологии — сварку для стальной или литье для чугунной детали. Решение будет принято в зависимости от серийности производства, технологических возможностей предприятия и т.д. Очевидно, если необходима только одна деталь, ее проще изготовить сваркой, т.е. из стали. Технологические свойства материала характеризуют поведение материалов в процессе изготовления из них заготовок и деталей. Низкая технологичность материала вызывает снижение производительности. Более того, она может являться причиной брака. В ряде случаев именно технологические свойства определяют возможность применения того или иного материала. Приведем некоторые примеры. В условиях массового производства при обработке деталей на металлорежущих станках-автоматах важнейшим требованием к материалу является хорошая обрабатываемость резанием. При этом достигается высокая производительность обработки, высокая стойкость режущего инструмента, хороший отвод стружки из зоны резания. Без соблюдения этих условий невозможна автоматизация технологического процесса. Если деталь целесообразно изготавливать методами пластического деформирования, следует выбирать материал, обладающий высокой пластичностью. Окончательный выбор материала для конкретных условий определяется экономическими соображениями. Из всех возможных вариантов, удовлетворяющих эксплуатационным и технологическим требованиям, естественно, выбирается наименее дорогостоящий. Основные технологические процессы, применяемые при изготовлении заготовок и деталей: литье, обработка давлением, сварка, обработка резанием. Рассмотрим технологические требования к материалам при реализации этих технологий.
Часть III. Технология изготовления заготовок и деталей 18.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ЛИТЬЯ (ЛИТЕЙНЫМ СПЛАВАМ) Рис. 18.1. Спиральная технологическая проба на жидкотекучесть Литую заготовку — отливку — получают заливкой расплавленного металла в литейную форму. Для получения качественной отливки металл должен легко заполнять форму и точно воспроизводить ее конфигурацию. Это достигается при хорошей жидкотекучести сплава и его малой усадке. Именно эти свойства характеризуют технологичность литейных сплавов. Жидкотекучесть (способность металлов заполнять форму) оценивают с помощью специальных технологических проб. Используют, в частности, спиральную пробу (рис. 18.1). В пробу заливают жидкий металл, который остывает по мере того, как он течет по спирали. Тече ние прекращается, когда металл затвердевает. Жидкотекучесть оценивают по длине спиралевидного прутка, т.е. по величине перемещения жидкого металла. Очевид но, что жидкотекучесть сплава тем лучше, чем ниже температура его затвердевания. Такой металл затвердеет позже, т.е. протечет по спирали дальше. Анализ диаграмм состояния показывает, что наименьшую температуру затвердевания имеют сплавы эвтектического состава. Так, в системе Al — Si (рис. 18.2) — это сплав, содержащий 11,7 % Si. Сплавы с близким содержанием кремния (литейные сплавы) называют силуминами. Именно наличие эвтектики в структуре чугунов определяет их более низкую температуру кристаллизации и высокие литейные качества в отличие от сталей, в структуре которых эвтектики нет (см. рис. 10.1). Чугунное литье составляет около 70 % литья черных металлов (правда, следует учитывать, что именно из чугуна изготавливают массивные отливки — станины станков, прессов и др.). При затвердевании объем металла уменьшается, т.е. происходит усадка. Различают объемную и линейную усадку — это, соответственно, разница (%) в объемах и линейных размерах формы (размеры формы соответствуют размерам рас- Рис. 18.2. Литейные сплавы в системе Al - Si плавленного металла) и твердого металла. Для определения линейной усадки используют технологические пробы. Металл заливают в формы определенных размеров (например, с квадратным сечением 20x20 мм и длиной от 130 до 400 мм). Линейная усадка составит (lф - lотл) / lфХ 100 % (lф и lотл - длина формы и отливки соответственно). Малая усадка весьма важна при производстве фасонного литья, т.е. изделий сложной формы. Объем сплава в этом случае должен мало изменяться (уменьшаться) при затвердевании. Это возможно, если в структуре сплава имеются фазы малой плотности, т.е. имеющие большой удель
Глава 18. Технологические свойства металлов и сплавов 11 ный объем, или поры (а не концентрированная усадочная раковина, см. п. 2.2.2). Их наличие компенсирует уменьшение объема металла при затвердевании. В чугунах это достигается за счет графита, его плотность значительно меньше (1,7...1,9 г/мм³), чем железа (7,8 г/мм³); в бронзовом литье — за счет большой рассеянной пористости. Коэффициент усадки оловянистых бронз ~1 %, чугуна ~1,5 %, тогда как для сталей он превосходит 2 %. Бронзу используют для художественного литья — памятники и т.п. Силумины также имеют малую усадку ~1,2 %. 18.2. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ. ХОЛОДНАЯ И ГОРЯЧАЯ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ Рис. 18.3. Диаграмма растяжения: опц - предел пропорциональности; о₀,₂ — предел текучести; ов - предел прочности; еупр - упругая деформация; епё - пластическая деформация Формообразование заготовок и деталей при обработке давлением происходит в результате пластической деформации. Обработка давлением возможна только для металлов. Пластичность определяется металлическим гибким ненаправленным типом связи (см. 1.1). Технологичность металла при обработке давлением определяется его пластичностью. Чем выше пластичность материала, тем больше его способность пластически деформироваться. Различают деформацию упругую (она исчезает после снятия приложенной нагрузки; свойства материала и его форма остаются такими, какими были до приложения нагрузки) и пластическую (остается после снятия нагрузки см. п. 8.1.1). В результате пластической деформации изменяется форма (сечение, длина) исходно го металла. Деформация становится пластической — необратимой, если приложенные напряжения о выше предела текучести от, но ниже предела прочности ов (если о > ов, материал разрушается), т.е. от < о < ов. После снятия нагрузки упругая часть деформации исчезает, оставшаяся часть деформации называется пластической (рис. 18.3). В результате пластической деформации происходит изменение структуры металла и, как следствие, его свойств. До приложения нагрузки зерно имело равноосную форму. В процессе деформации кристаллическая решетка искажается, зерна деформируются — вытягиваются в направлении действующих сил, а затем дробятся, т.е. измельчаются (рис. 18.4). За счет такого изменения структуры возникает наклеп — повышение твердости и прочности при одновременном снижении пластичности (рис. 18.5). Наклепанный металл находится в неравновесном состоянии, поэтому при нагреве он стремится к равновесному (исходному, до наклепа) состоянию. Нагрев вызывает прохождение диффузионных процессов, в результате которых структура металла и, соответственно, свойства становятся такими, какими были до наклепа (рис. 18.6). Это явление называется рекристаллизацией.
Часть III. Технология изготовления заготовок и деталей Рис. 18.4. Изменение структуры металла при пластической деформации Рис. 18.5. Влияние степени пластической деформации (f) на механические свойства металла Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла, а именно от температуры плавления, а также от того, чистый это металл или сплав: Тр = а Тпл, где Т, и Т— температуры рекристаллизации и плавления соответственно, К; а — коэффициент, зависящий от чистоты металла и типа сплава. Для технически чистых металлов величина а = 0,3...0,4, для сплавов - а = 0,5...0,6, а в некоторых случаях достигает 0,8. Температура рекристаллизации играет важную роль в процессах обработки металлов давлением. В зависимости от температуры обработки давлением (деформации) различают холодную и горячую обработку. Эти виды обработки давлением различаются принципиально: • холодная обработка проводится ниже температуры рекристаллизации и вы зывает наклеп; • горячая обработка проводится при температурах, выше температуры рекри сталлизации и не вызывает наклепа. Для разных металлов температуры плавления и температуры, разделяющие горячую и холодную обработку (т.е. температуры рекристаллизации), сильно различаются. Например, пластическая деформация свинца при комнатной температуре является горячей обработкой и не вызывает наклепа, т.к. температура рекристаллизации свинца — отрицательная (Т, = 600 °Сх0,4 = 240 К; tр = —33 °C; Т₁Л = 327 °C; а = 0,4 — чистый металл). Свинец будет упрочняться за счет пластической деформации, только если ее выполнять при отрицательных темпера турах. При холодной обработке давлением возникает необходимость рекристаллиза ционного отжига — нагрева и выдержки при температурах, немного превышающих температуру рекристаллизации. Его выполняют для снятия наклепа, т.е. повышения пластичности (например, при производстве проволоки, ленты в металлургическом производстве). После волочения или прокатки заготовки до определенного размера пластичность сильно снижается так, что дальнейшая холодная обработка невозможна, металл будет разрушаться. Например, в результате наклепа пластичность низкоуглеродистой стали снижается в 5-6 раз (относительное удлинение уменьшается с 30...35 до 5...6 %). Для проведения дальнейшей деформации проводят рекристаллизационный отжиг, восстанавливающий исходную пластичность
Глава 18. Технологические свойства металлов и сплавов 13 (см. рис. 18.6). Необходимость этого отжига возникает после определенной степени деформации f. Ее определяют как относительную разность площадей поперечного сечения до и после деформации (Fj и Fк соответственно): f = (F, — F<)/Fк-100 %. Для разных материалов эта величина различна и зависит от пластичности материала, его склонности к наклепу. Она составляет ~80 % для меди; ~75 % — для алюминия и мягкой низкоуглеродистой стали; ~65 % — для среднеуглеродистой стали, дюралюминия и латуни. Технологичность при обработке давлением зависит от пластичности металла. Ов; О0,2; 5 Возврат Рекристаллизация О0,2 Ов 5 0 tпр t‘ t, °C Рис. 18.6. Влияние нагрева на механические свойства и структуру наклепанного металла: 1 - структура металла после наклепа (зерна деформированные); 2 - структура металла в начале рекристаллизации (появились зерна округлой формы); 3 - структура металла после рекристаллизации (полностью исчезли деформированные зерна); 4 - структура металла при нагреве выше tрекр - собирательная рекристаллизация (очень крупное зерно) Характеристики пластичности (8 и у — относительное удлинение и относительное сужение, определяемые при растяжении, приведены в п. 8.1.1) оценивают пластичность материала. Эти характеристики дают общую оценку пластичности, но они часто недостаточны для оценки поведения материала при конкретных операциях пластической деформации. Для оценки возможности проведения ряда операций холодной или горячей пластической деформации используют различные технологические испытания (пробы). В зависимости от сортамента металла используют следующие технологические пробы: на загиб, на перегиб, на скручивание, на вытяжку сферической лунки, на осадку и другие, возможны специальные пробы для конкретных условий деформации. Испытания на загиб производятся в специальном приспособлении, металл может быть в холодном и нагретом состояниях. Их применяют для листового, полосового и фасонного проката. Цель — определение способности металла принимать заданный по форме и размерам загиб. Толщина образца в испытаниях должна быть равной толщине материала, ширина — двойной толщине, но не менее 10 мм. Различают три вида загиба: загиб до определенного угла (рис. 18.7, а); загиб вокруг оправки до параллельности сторон (рис. 18.7, б), при этом толщина оправки регламентируется техническими условиями в зависимости от требований к пластичности; загиб вплотную до соприкосновения сторон образца («дублирование») (рис. 18.7, в). Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является свидетельством того, что металл выдержал испытания. Испытания на перегиб служат для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Испытанию подвергают полосовой и листовой
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти