Задача упрочнения поверхностного слоя металлического изделия является достаточно актуальной во многих случаях, ведь большая часть деталей машин и различных механизмов работает под воздействием значительных механических нагрузок. Решить такую задачу позволяет как наклеп, так и нагартовка, которые, несмотря на свою схожесть, все же имеют определенные различия.
На производстве проблема упрочнения металлических поверхностей решается с помощью специального оборудования
Наклеп металла является одним из способов упрочнения металлического изделия. Происходит это благодаря пластической деформации, которой такое изделие подвергают при температуре, находящейся ниже температуры рекристаллизации. Деформирование в процессе наклепа приводит к изменению как внутренней структуры, так и фазового состава металла. В результате таких изменений в кристаллической решетке возникают дефекты, которые выходят на поверхность деформируемого изделия. Естественно, эти процессы приводят и к изменениям механических характеристик металла. В частности, с ним происходит следующее:
Упрочнение поверхности металла можно оценить по изменению микротвердости, уменьшающейся про мере удаления от поверхности
Явление наклепа, если оно относится к ферромагнитным материалам (например, к железу), приводит к тому, что у металла увеличивается значение такого параметра, как коэрцитивная сила, а его магнитная проницаемость снижается. Если наклепанная область была сформирована в результате незначительной деформации, то остаточная индукция, которой характеризуется материал, снижается, а если степень деформации увеличить, то значение такого параметра резко возрастает. Из положительных последствий наклепа следует отметить и то, что с его помощью можно значительно улучшить эксплуатационные характеристики более пластичных металлов, создающих значительное трение в процессе использования.
Наклепанный слой на поверхности металлического изделия может быть сформирован как специально, тогда такой процесс является полезным, так и неумышленно, в таком случае его считают вредным. Чаще всего неумышленное поверхностное упрочнение металлического изделия происходит в процессе обработки резанием, когда на обрабатываемый металл оказывается значительное давление со стороны режущего инструмента.
Упрочнение (наклеп) при обработке резанием
Увеличение прочности приводит к тому, что поверхность металла становится и более хрупкой, что является очень нежелательным последствием обработки.
Если формирование наклепа может произойти в результате как осознанных, так и неосознанных действий, то нагартовка всегда выполняется специально и является, по сути, полноценной технологической операцией, цель которой состоит в поверхностном упрочнении металла.
Деформационное уплотнение кромки этого затвора произошло в результате эксплуатации, значит – это наклеп
Различают два основных типа наклепа, которые отличаются процессами, протекающими при его формировании в материале. Если новые фазы в металле, характеризующиеся иным удельным объемом, сформировались в результате протекания фазовых изменений, то такое явление носит название фазового наклепа. Если же изменения, произошедшие в кристаллической решетке металла, произошли из-за воздействия внешних сил, они называются деформационным наклепом.
Деформационный наклеп, в свою очередь, может быть центробежно-шариковым или дробеметным. Для выполнения наклепа первого типа на обрабатываемую поверхность воздействуют шариками, изначально располагающимися во внутренних гнездах специального обода. При вращении обода (что выполняется на максимальном приближении к обрабатываемой поверхности) шарики под воздействием центробежной силы отбрасываются к его периферии и оказывают ударное воздействие на деталь. Формирование наклепа в дробеструйных установках происходит за счет воздействия на обрабатываемую поверхность потока дробинок, перемещающихся по внутренней камере такого оборудования со скоростью до 70 м/с. В качестве таких дробинок, диаметр которых может составлять 0,4–2 мм, для наклепа могут быть использованы чугунные, стальные или керамические шарики.
Схема традиционного деформационного наклепа и график повышения твердости материала
Для того чтобы понимать, почему нагартовка или формирование наклепа приводят к упрочнению металла, следует разобраться в процессах, которые протекают в материале при выполнении таких процедур. При холодной пластической деформации, происходящей под воздействием нагрузки, величина которой превышает предел текучести металла, в его внутренней структуре возникают напряжения. В результате металл будет деформирован и останется в таком состоянии даже после снятия нагрузки. Предел текучести станет выше, и его значение будет соответствовать величине сформировавшихся в материале напряжений. Чтобы деформировать такой металл повторно, необходимо будет приложить уже значительно большее усилие. Таким образом, металл станет прочнее или, как говорят специалисты, перейдет в нагартованное состояние.
При холодной деформации металла, протекающей в результате воздействия соответствующего давления (в процессе, например, наклепа), дислокации, составляющие внутреннюю структуру материала, начинают перемещаться. Даже одна пара движущихся дефектных линий, сформировавшихся в кристаллической решетке, способна привести к образованию все новых и новых подобных локаций, что в итоге и повышает предел текучести материала.
Изменение структуры поверхностного слоя в результате холодной деформации
Внутренняя структура металла при его деформировании в процессе выполнения наклепа или нагартовки претерпевает серьезные изменения. В частности, искажается конфигурация кристаллической решетки, а пространственное положение кристаллов, которые ориентированы беспорядочно, упорядочивается. Такое упорядочивание приводит к тому, что оси кристаллов, в которых они обладают максимальной прочностью, располагаются вдоль направления деформирования. Чем активнее будет выполняться деформирование, тем большее количество кристаллов примут подобное пространственное положение. Существует ошибочное мнение, что зерна, составляющие внутреннюю структуру металла, при его деформации измельчаются. На самом деле они только деформируются, а площадь их поверхности остается неименной.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в процессе выполнения нагартовки или наклепа изменяется кристаллическая структура стали или другого металла, в результате материал становится более твердым и прочным, но одновременно и более хрупким. Нагартованная сталь, таким образом, представляет собой материал, который специально был подвергнут пластической деформации для улучшения прочностных характеристик.Выполнение нагартовки изделий из стали особенно актуально в тех случаях, когда имеется необходимость повысить их устойчивость к поверхностному растрескиванию, а также предотвратить протекание в нем усталостных процессов. Отраслями промышленности, в которых нагартованные изделия зарекомендовали себя особенно хорошо, являются авиа- и автомобилестроение, нефтедобыча, нефтепереработка и строительство.
Устройство промышленной дробомётной установки для обработки труб
Такие методы упрочнения металлов, как контролируемый наклеп или нагартовка, могут быть реализованы при помощи различного оборудования, от качества и функциональности которого зависит результат выполняемых операций. Оборудование для нагартовки изделий из стали или других сплавов, которое сегодня представлено большим разнообразием моделей, может быть общего назначения или специального – для того, чтобы выполнять обработку деталей определенного типа (болтов, пружин и др.).
В промышленных масштабах нагартовка выполняется на автоматизированных устройствах, все режимы работы которых устанавливаются и контролируются за счет использования электронных систем. В частности, на таких станках автоматически регулируется как количество, так и скорость подачи дроби, используемой для выполнения обработки.
Дробометная установка для обработки листового и профильного металлопроката
Выполнение наклепа, при котором процесс его формирования контролируется, используется в тех случаях, когда изделие из стали нет возможности упрочнить при помощи термической обработки. Помимо нагартовки и наклепа повысить прочность поверхностного слоя металлического изделия могут и другие методы холодной пластической деформации. Сюда, в частности, относятся волочение, накатка, холодная прокатка, дробеструйная обработка и др.
Кроме стали, содержание углерода в которой не должно превышать 0,25%, такой способ упрочнения необходим изделиям из меди, а также некоторым алюминиевым сплавам. Нагартовке также часто подвергается лента нержавеющая. Ленту нагартованную применяют в тех случаях, когда обычная лента нержавеющая не способна справляться с воспринимаемыми нагрузками.
Нагартованная нержавеющая лента обладает более высокой прочностью с определенной потерей вязкости и пластичности
Наклеп, который сформировался на поверхности металлического изделия в процессе выполнения его обработки различными методами, можно снять, для чего используется специальная термическая обработка. При выполнении такой процедуры металлическое изделие нагревают, что приводит к тому, что атомы его внутренней структуры начинают двигаться активнее. В результате она переходит в более устойчивое состояние.
Выполняя такой процесс, как рекристаллизационный отжиг, следует учитывать степень нагрева металлической детали. Если степень нагрева незначительна, то в структуре металла снимаются микронапряжения второго рода, а его кристаллическая решетка частично искажается. Если интенсивность нагрева увеличить, то начнут формироваться новые зерна, оси которых сориентированы в одном пространственном положении. В результате интенсивного нагрева полностью исчезают деформированные зерна и формируются те, оси которых ориентированы в одном направлении.
Ручная правка наклепом изогнутого вала
Существует также такая технологическая операция, как правка наклепом, при помощи которой металлический вал или лист приводятся в исходное состояние. Чтобы выполнить такую операцию, нацеленную на устранение несоответствий геометрических параметров их требуемым значениям, нет необходимости использовать специальный станок – ее выполняют при помощи обычного молотка и ровной плиты, на которую укладывается обрабатываемое изделие. Нанося таким молотком удары по изделию, форму которого требуется исправить, добиваются формирования на его поверхности наклепанного слоя, что в итоге приведет к достижению требуемого результата.
На видео ниже показан процесс упрочнения методом наклепа колес для железнодорожной техники в дробеметной установке.Оценка статьи:
Загрузка... Поделиться с друзьями:
met-all.org
Тема 4.ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ.
НАКЛЕП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Основные вопросы темы:
- упругая и пластическая деформация;
- наклеп и рекристаллизация;
- понятие о холодной и горячей деформации.
Упругая и пластическая деформация. Пути повышения прочности
Напряжения любого вида вызывают деформацию тела, то есть изменение его формы и размеров. С увеличением напряжения деформация увеличивается. Когда способность тела деформироваться исчерпывается, то происходит его разрушение. Способность материала сопротивляться деформации и разрушению называется прочностью.
Деформация может быть упругой и пластической (рис. 1).Упругая деформациясуществует только во время приложения нагрузки и полностью исчезает после ее снятия. Механизм упругой деформации состоит в изменении расстояния между атомами в направлении действующей силы.Пластической деформациейназывается изменение формы и размеров тела, сохраняющееся после снятия нагрузки. Основным механизмом пластической деформации являетсясдвиг атомов.
|
Если сдвиг происходит в идеальной кристаллической решетке, то для его осуществления требуется разорвать связи между всеми атомами в плоскости сдвига. В этом случае напряжение сдвига (теоретическую прочность) можно рассчитать по формуле:S=G/ 2p»0,16G,гдеG– модуль сдвига.
Действительно, экспериментально определенные значения прочности металлических «усов» (монокристаллические нити, практически не содержащие дефектов кристаллического строения) близки к расчетным. Однако прочность реальных металлов в сотни и тысячи раз меньше. Такое различие теоретической и экспериментально определяемой прочности металлов объясняется несовершенством их кристаллического строения. При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных связей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций в пластической деформации кристаллов была выдвинута в середине 30-х годов и лишь через 15-20 лет (после создания трансмиссионного электронного микроскопа) подтверждена экспериментально. Механизм пластической деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис.2).
Перемещение складки, требующее сравнительно небольших усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние происходит без разрыва атомных связей и требует лишь небольшого смещения атомов (на расстояние меньше межатомного) вблизи ядра дислокации.
Таким образом, пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием в них дислокаций и зависит от подвижности дислокаций. В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению. Движение дислокаций затрудняют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки (например при растворении инородных атомов), дисперсные включения (частицы второй фазы), а также другие дислокации. Зная механизм пластической деформации и факторы, влияющие на подвижность дислокаций, можно предвидеть поведение металлов при различных внешних воздействиях и разрабатывать способы управления свойствами. Так, большинство применяемых на практике способов упрочнения металлов и их сплавов основано на увеличении плотности дислокаций. Чем больше механизмов торможения дислокаций реализовано в одном материале, тем выше будет его прочность. В настоящее время рекордный уровень прочности (sВ= 5000 МПа) получен на патентированной проволоке из стали У9А.
Наклеп и рекристаллизация
Наклепомназывается упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением (холодная прокатка, штамповка, протяжка, волочение). Поскольку пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций, то очевидно, что пластичность должна зависеть от количества дислокаций (рис. 3).
 |
Наибольшая пластичность (и наименьшая прочность) достигается при равновесной плотности дислокаций r = 106-107см–2. Изменение количества несовершенств кристаллического строения в ту или иную сторону приводит к затруднению пластической деформации и увеличению прочности.
В процессе холодной пластической деформации происходит значительное увеличение плотности дислокаций (до 1010-1012см-2) и, как следствие, упрочнение (наклеп). В процессе деформации зерна металла вытягиваются вдоль приложения нагрузки (образуется так называемая текстура деформации). Это явление широко применяют на практике для повышения прочности металлов. Во многих случаях для увеличения твердости, предела прочности, выносливости достаточно поверхностного наклепа (обкатка роликами, обработка стальной дробью). Однако при холодной обработке давлением (прокатка, волочение, штамповка) следует учитывать и отрицательное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформирования затрудняет его дальнейшую обработку.
 |
Изменения в структуре и свойствах металла зависят от температуры нагрева. Можно выделить три основных этапа.
1.Возврат. Частично снимаются искажения решетки, что приводит к уменьшению остаточных напряжений. Волокнистая структура сохраняется. Механические свойства изменяются мало.
2.Рекристаллизация. Образуется новый комплекс мелких равноосных зерен. Величина рекристаллизованного зерна зависит от степени предшествующей деформации. Степень деформации, при которой получается наибольшее зерно, называется критической (для большинства металлов критическая деформация составляет 2-8 %). Крупнозернистый металл имеет, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым. Если по сечению детали деформация различна, то после рекристаллизации будет наблюдаться разнозернистость, которая отрицательно сказывается на механических свойствах.
3.Рост зерна (собирательная рекристаллизация). Значительное увеличение температуры рекристаллизационного отжига относительно температурного интервала рекристаллизации нежелательно, так как это приводит к росту зерна (перегреву).
Температура рекристаллизации металла или сплава связана с его температурой плавления:Трекр= aТпл, где a- коэффициент, зависящий от чистоты металла и структуры. Для металлов технической чистотыa = 0,4; для сплавов a = 0,5-0,85 в зависимости от структуры. В сплавах рекристаллизация, так же как и плавление, происходит не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.
Понятие о холодной и горячей деформации
Холодной деформациейназывают обработку давлением при температурах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направлении действующей силы (образуется текстура деформации).
Горячей деформациейназывают обработку давлением при температурах выше температуры начала рекристаллизации. В этом случае одновременно с деформацией происходит рекристаллизация металла: деформированные зерна практически мгновенно заменяются новыми равноосными. Высокая пластичность и низкая твердость и прочность сохраняются в течение всего процесса деформации. Наклепа не происходит.
Например, деформирование свинца при комнатной температуре является горячей деформацией:Трекр= 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогдаtрекр. = (240 – 273) =
= -33 °С. Для железа деформирование приt= 300-400 °Cявляется холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.
Чем больше превышение температуры обработки над температурой рекристаллизации, тем легче происходит горячая пластическая деформация металла или сплава. Наилучшей обрабатываемостью давлением обладают сплавы с однородной структурой. Например, доэвтектоидные стали подвергают горячей обработке давлением только в аустенитном состоянии (g-Fe). При более низких температурах гетерогенная структура не обеспечивает однородность деформации (аустенит и феррит различаются по свойствам), что может привести к большим остаточным напряжениям и растрескиванию.
superbotanik.net
Под влиянием пластической деформации изменяется кристаллическая структура металла, искажаются кристаллические решетки отдельных кристаллов. Это приводит к росту сопротивляемости металла дальнейшему увеличению деформации. Металл упрочняется, его твердость повышается, вязкость уменьшается.
Такое изменение механических свойств металла под влиянием пластической деформации называется наклепом.
Такое же явление наблюдается и при резании. Поэтому стружка, полученная от пластичного металла, раза в 1,5-2 тверже, чем сам металл.
Рис. 15. Наклеп при резании.
В процессе резания деформации подвергается не только срезаемый металл, но и наружный слой обработанной поверхности на некоторой глубине h(Рис.5). Дело в том, что режущая кромка любого инструмента в действительности не так остра, как это кажется невооруженному глазу. Под микроскопом на ней видны зазубрины и некоторый радиус закругления
. Даже у тщательно заточенного инструмента
=0,01-0,03мм. Такое закругление режущей кромки препятствует её врезанию в срезаемый слой. В результате некоторая часть металла подминается закруглением, вызывая пластические деформации в поверхностном слое обрабатываемой детали. Вот почему твердость наружного слоя обработанной детали иногда намного выше твердости нижележащих слоев: при обработке алюминия на 90-100%, латуни – на 60-70%, мягкой стали – на 40-50%, твердой стали на 20-30%.
Наклепанный слой имеет разную глубину при различных способах обработки. Так, при обычных условиях обработки деталей из стали средней твердости глубина наклепанного слоя получается при черновой обработке резцом 0,4-0,5, а при чистовой – только 0,04-0,06мм, при шлифовании 0,04-0,06 и при полировании 0,02-0,04мм.
На глубину наклепа значительное влияние оказывают условия работы и режим резания. Она уменьшается с повышением скорости резания и растет с увеличением толщины среза. Затупленный резец дает в 2-3 раза большую глубину наклепа, чем острый, так как тупой резец труднее внедряется в срезаемый слой, особенно если этот слой тонкий.
Разные металлы имеют неодинаковую способность к наклепу. Чем пластичнее сталь обрабатываемой детали и меньше ее твердость, тем большее повышение твердости она дает при обработке. Встречаются такие металлы, которые при невысокой твердости отличаются чрезвычайно большой способностью к наклепу. Их твердость в процессе резания настолько возрастает, что нередко механическая обработка этих металлов становится невозможной. К ним, например, относится кремнемарганцевая сталь, содержащая 13% марганца, и некоторые другие стали. Хрупкие же металлы – чугун, бронза и др. не наклепываются.
Наклеп – следствие пластической деформации обрабатываемого металла: чем больше деформация, тем больше наклеп. Следовательно, на образование наклепа, как и на усадку стружки, должна влиять величина переднего угла. Так с увеличением переднего угла деформации срезаемого слоя и наружного слоя обработанной поверхности уменьшаются, следовательно, степень и глубина наклепа резко снижаются. Например, при угле 
=5
глубина наклепанного слоя примерно в 2-3 раза больше, чем при угле
=45
.
studfiles.net
