Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекция - Теоретические основы машиностроения. Часть 1 - файл 1.doc


Лекция - Теоретические основы машиностроения. Часть 1
скачать (666 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc666kb.12.12.2011 22:32скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет
Конспект лекций

по курсу «Технологические основы машиностроения»
для студентов направления 6.09.0 «Инженерная механика»

специальности 7.09.0202 «Технология машиностроения»

7.09.0203 «Металлорежущие станки и системы»
дневной и заочной форм обучений

Севастополь 2005
УДК 621.5 (075)

Конспект лекций по дисциплине “Технологические основы машиностроения ” для студентов направления 6.090 «Инженерная механика» дневной и заочной формы обучения / Сост.Л.М.Мурзин – Севастополь: СевНТУ, 2005. –53с.


В курсе лекций по дисциплине “Технологические основы машиностроения ” для студентов специальности “Технология машиностроения» и «металлорежущие станки и системы» излагаются основы формирования системы показателей технологических методов производства изделий, приводятся основные технико - экономические показатели и проводится их сравнительный анализ. Экономически достижимый уровень показателей технологий и изделий обоснован изложением физико – химических основ технологических процессов по основным направлениям машиностроения. Дается развернутая характеристика технологий обработки резанием. Рассмотрены основы теории базирования и ее применение в задачах достижения заданной точности обработки изделий.


Составитель:

Л.М.Мурзин, доцент кафедры технологии машиностроения

Отв. за выпуск:

Ю.К.Новоселов, профессор, зав. кафедрой технологии машиностроения

содержание

1 ЧАСТЬ

Лекция 1 Введение 4

1. Структура изложения учебного материала. 4

2. Основные понятия и определения 6

Лекция 2. Литейное производство. 7

1. Структура литейного производства. 8

2. Сравнительный анализ достижимых уровней 8

технико-экономических показателей, ограничения способов литья.

Лекция 3

Основы формирования качества литых изделий 9

1. Основные материалы. Их применение и перспективы развития. 9

2. Специальные технологические требования к литейным сплавам. 11

3. Физико-химические основы формирования качества литых изделий 12

Лекция 4

^ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 13

1 Структура производства. Классификация методов ОМД. 13

2 Основные способы, виды ОМД и их назначение. 13

3 Cравнительный анализ достижимых уровней технико-экономических показателей. 16

Лекция 5

Физико-механические основы обеспечения 18

высоких показателей при ОМД

1. Локализация деформации. 18

2. Температурные эффекты 18

3. Временные эффекты 19

4. Специальные структурные эффекты 22
^

5. Принципы и приемы организации производства изделий 23

высокого качества методами ОМД.


6. Приложение. Примеры новых технологических процессов ОМД 24

Лекция 6

^ СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 25

Технологические процессы получения изделий сваркой 25

Лекция 7

Физико-механические основы обеспечения 28

высоких показателей при сварке

1. Кинетические характеристики способов сварки 28

2. Группы свариваемости 30

3. Особенности сварки различных металлов и сплавов 30

Лекция 1

Введение

Повышение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, совершенствование машин и механизмов, механизация и автоматизация производственных процессов, устранение или снижение уровня экологической нагрузки на окружающую среду, снижение и исключение производственного травматизма все эти задачи являются важнейшими в деле развития технического процесса.

Изучение теории и практики технологических процессов обработки материалов и изготовления продукции машиностроительных отраслей промышленности является непременным условием формирования личности будущего специалиста в области охраны труда, развития инженерной эрудиции для самостоятельного решения сложных задач современного машиностроения.

Для студентов специальности «Технология машиностроения» главными задачами при освоении дисциплины следует считать:

  1. Изучить примеры оптимальных технологических решений в производстве изделий
    машиностроения.

  2. Изучить принципы выбора оптимальных решений при вероятностном характере
    альтернативных вариантов производства продукции.

  3. Изучить принципы и закономерности формирования комплекса эксплуатационных
    характеристик изделий машиностроительного профиля при использовании
    различных технологий их производства.

Для студентов специальности «Металлорежущие станки и системы» при освоении дисциплины главными задачами следует считать:

  1. Изучить примеры оптимальных технологических решений в производстве изделий
    машиностроения.

  2. Изучить принципы и закономерности формирования комплекса эксплуатационных
    характеристик изделий при использовании различных технологий.

  3. Изучить особенности использования различных технических средств в практике применения различных технологических процессов.

В результате изучения дисциплины «Технологические основы машиностроения», студент специальности «Технология машиностроения» должен:

  1. Уметь выбрать рациональный технологический процесс изготовления изделия
    заданного назначения.

  2. Знать принципы и приемы организации технологического процесса для
    обеспечения заданного уровня качества изделия и технико-экономических
    показателей производства.

  3. Знать принципы и приемы организации безаварийного проведения
    технологических процессов изготовления изделий и обеспечение их высокого
    качества.

Студент специальности «Металлорежущие станки и системы» должен:

  1. Уметь правильно выбрать оборудование для изготовления изделий машиностроительного производства и обосновать свой выбор на основе физико – механических и физико – химических условий проведении технологических процессов.

  2. Знать принципы и приемы организации безаварийного проведения
    технологических процессов изготовления изделий и обеспечение их высокого
    качества.


^ 1. Структура изложения учебного материала.

Дисциплина «Технологические основы машиностроения» рассматривает организационные принципы, особенности формирования комплекса технико-экономических характеристик изделий по направлениям»:

  1. Литейное производство

  2. Обработка материалов давлением

  3. Обработка материалов резанием

  4. Сварочное производство

  5. Порошковая металлургия

  6. Производство изделий из пластмасс

  7. Электрофизикохимические методы обработки материалов.

По каждому направлению будут рассмотрены следующие вопросы:

  1. Структура производства. Назначение и области применения.

  2. Основные материалы, их применение и перспективы развития.




  1. Сравнительный анализ достижимого уровня технико-экономических
    показателей технологий производства.

  2. Физико-химические и физико-механические основы формирования комплекса
    технических и технико-экономических характеристик изделий.

  3. Принципы управления технологическими свойствами материалов и приемы
    рациональной организации технологических процессов изготовления изделий.

  4. Факторы риска и особенности охраны труда в технологиях производства.


Историческая справка.

Технология (от греческих слов «τεχυη» - мастерство и «λόγός» -слово, знание) - означает буквально - «знание мастерства», или,- знаю как сделать».

Итак, «технология» - это свод знаний о процессе, например, о процессе изготовления изделия, обладающего определенными потребительскими качествами. Технология совершается по определенным правилам и ее могут повторить многие люди владеющие такими знаниями.

Какие же технологии следует считать наиболее древними в истории человечества.

«Древнюю историю и предисторию человечества подразделяют главным образом на четыре эпохи - каменную, медно-каменную (энеолит), бронзовую и железную... названия этих эпох определяет лишь основной для каждой цивилизации материал ...» Это строки из статьи доктора технических наук Ларикова Л.Н., профессора, заслуженного деятеля науки Украины, заведующего отделом института металлофизики Национальной академии наук Украины (см. журнал «Металознавство та обработка металів № 1 1997г., ст. 67-74. Бронза стародавна і сучасна. Л.Н. Лариков»)

Однако эти эпохи отличались также и по основным технологиям.

В железный век основной технологией была обработка металла давлением, а именно, горячая обработка давлением - ковка.

В бронзовый век основной технологией было литье - литье в землю.

В более древние эпохи медно-каменном (энеолите) и каменном (неолите) основными материалами, которые использовал и обрабатывал человек, были камни и природные металлы - свинец, медь, золото и метеоритные металлы.

Какими способами обрабатывал эти материалы древний человек? Ведь литье, как технология появилась в бронзовый век, т.е. значительно позже энеолита и, тем более, неолита.

В раскопках наиболее древних поселений человека находят в основном каменные орудия (наконечники стрел, ножи), изготовленные из кремней или обсидиана (вулканическое стекло). Изготовлены эти наконечники стрел, ножи, топоры, ударами каменных тел друг по другу. Форма предмета получена путем скола отдельных частичек материала. В современных представлениях эта технология может быть отнесена к абразивной обработке резанием. И хотя в результате такой обработки древний человек не всегда получал орудие требуемой формы, однако он действовал целенаправленно, осмысленно и добивался повторения своего результата. Значит это уже была технология! А что касается надежности изготовления предмета требуемой формы, то и сейчас при абразивной обработке резанием не всегда получается то, что хочется. Право на брак и сейчас общепризнано, как неизбежность. Не так уж и далеко мы ушли от своих предков.

А самородные материалы - золото, свинец, медь - в то давнее время обрабатывали, методом ковки - т.е. методом холодной обработки металлов давлением. Что же раньше появилось в человеческой практике - технология абразивной обработки резанием или холодная обработка металлов давлением?

Современная наука не располагает сведениями на этот счет, да и вряд ли приоритет какой-либо технологии будет доказан. Примиримся с версией о равновероятном равенстве обеих технологий. Может кто-то из Вас откроет эту загадку в истории человечества?
^ 2. Основные понятия и определения

Производство - отрасль машиностроения, в которой изготовление изделий осуществляется на основе единых или подобных физико-химических принципов проведения технологических процессов.

Изделие - продукт машиностроительного производства, обладающий комплексом технических характеристик, обеспечивающих выполнение им требуемого назначения. Понятие изделие включает этапы: заготовка и деталь.

Заготовка - первичный или промежуточный вид изделия, имеющий комплекс технических и технико-экономических характеристик, обеспечивающих возможность дальнейшей обработки для превращения заготовки в деталь.

Деталь - окончательный вид изделия, обладающий комплексом технических характеристик, обеспечивающих функционирование в условиях эксплуатации.

Технологические свойства (Т.С.) - способность материала изделия поддаваться различным видам обработки в рамках технологического процесса. Понятие имеет комплексный характер, определяемый совокупностью фундаментальных свойств материала, суперпозиция которых определяет количественную величину показателя (Т.С.) в условиях специальных технологических испытаний. Примеры технологических свойств - литейные свойства, свариваемость, ковкость, обрабатываемость резанием и др.

Эксплуатационные свойства (Э.С.) - способность изделия функционировать в условиях эксплуатации в соответствии с техническими требованиями, определяемыми назначением изделия или машины. Понятие имеет комплексный характер, определяемый совокупностью технологических характеристик материала и особенностей формы изделия. Количественный показатель Э.С. определяется в условиях натурных испытаний машины или механизма. Примеры Э.С. – износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

В гибких производственных системах (ГПС) к Т.С. и Э.С. предъявляются особые требования, которые позволяют вести комплексный технологический процесс в заданном ритме на всех стадиях изготовления изделия или эксплуатации, соблюдая его высокое качество.

Технология - организованная последовательность действий и движений,

обеспечивающая определенное взаимодействие параметров и средств для достижения заданных технико-экономических показателей производства, работоспособность средств производства и высокое качество изделия.

Показатель - характеристика цели, заданная качественно и количественно, которая является реакцией на воздействие факторов (параметров), которые определяют поведение технологической системы при изготовлении изделия.

В зависимости от вида и назначения изделия и назначения изделия, характера технологического процесса показатели могут быть весьма разнообразными.

Чтобы ориентироваться в этом многообразии, введем некоторую классификацию (табл.1.1)
Показатели

Экономические

Технико-

экономические

Технико-

технологические

Прочие

Прибыль

Производительность

Выход продукта

Психологические

Себестоимость

Надежность

Механические характеристики

Экологические

Рентабельность


КПД

Физические характеристики

Эстетические

Затраты на эксперимент

Долговечность

Геометрические характеристики

Статистические




Стабильность

Характеристики точности и качества










Медико-биологические характеристики




Экономические

Технико-

экономические

Технико-

технологические

Прочие


^ Таблица 1.1 Классификация показателей

Параметр
- характеристика фактора, которая служит для количественного измерения управляемого воздействия на материал и форму изделия со стороны средств технологического процесса.

Средство - материальные элементы технологической системы, функционирование и взаимодействие которых определяет направленные действия и количественный уровень параметров технологического процесса.

Средства подразделяются на агрегаты, системы управления и материалы, используемые для создания изделия.

Примечание. В зависимости от вида технологического процесса параметр и средства могут быть разнообразными. Классификация параметров средств и их специализация будут рассмотрены в соответствующих разделах дисциплины по типам производства.
Лекция 2

Литейное производство

Введение. Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением изделий - заготовок и деталей, путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полости которой соответствуют конфигурации изделия.

Задачей литейного производства является изготовление фасонных изделий.

Способ литья используют в двух направлениях:

- для удешевления производства изделий;

- для изготовления изделий, которые нельзя или затруднительно получить другими способами.

В современных условиях развитых промышленных стран основным направлением в литейном производстве становится второе из названных выше направлений.

Стоимость литой детали в большинстве случаев ниже стоимости аналогичной детали, полученной другими способами. Значительную роль в этом играет тираж деталей. Наиболее дешевым способом получения оливок является способ литья в землю. Масса отливок может составлять от нескольких грамм до сотен тонн. Литьем изготавливают как наиболее ответственные детали, в том числе и уникальные, так и малоответственные детали широкого потребления.

Литейное производство является одной из важнейших отраслей машиностроения. Около 6080% (по массе) всех деталей машин изготавливают различными способами литья.

Способом литья изготавливают заготовки и детали. В настоящее время основной объем продукции литейного производства составляет изготовление заготовок.

Развитие и внедрение новых высокоточных способов литья определяет тенденцию перехода к производству, ориентированному на изготовление литьем деталей машин.

Из общего объема выпуска отливок 75% изготавливают литьем в землю, 20% - литьем в металлические формы и остальные – другими способами литья.

По мере роста технических достижений в области литейного производства повышается качество отливок, их точность, уровень физико-механических и других свойств. За последние 20 лет прочность отливок из углеродистых сталей повышена с 400 МПа до 2000 МПа, из чугуна от 100 МПа до 1000 МПа. Такое повышение достигнуто в основном за счет применения новых марок сталей и чугунов, однако существенную роль сыграло также и совершенствование технологии литья. Разработка новых составов преследует и другую цель – удешевление литейных материалов и, в целом, литейного производства. Одним из путей решения этой задачи является замена дорогостоящих марок сплавов сложного состава более дешевыми марками простого состава специализированными для узкой конкретной задачи.

В целом проблема формирования состава сплава для достижения определенного комплекса свойств литого материала является наиболее сложной в научном плане, однако и наиболее актуальной. В настоящее время накоплен значительный объем научных представлений и практических рекомендаций, позволяющий сформулировать критерии и требования, регламентирующие состав литого материала заданного назначения.
^ 1. Структура литейного производства.

Получение литого изделия - отливки основано на процессе заполнения жидким металлом специальной литейной формы, последующее охлаждение и затвердевание материала и извлечение готовой отливки путем разрушения разовой или раскрытия многоразовой формы.

Разовой называется форма, которая служит для изготовления в ней одной отливки и разрушается при извлечении из нее готовой отливки.

Примеры разовых форм - песчано-глинистые формы, оболочковые формы, формы для литья под давлением.

Такие формы изготавливают из неметаллических материалов.

Многоразовой называется форма, в которой можно изготовить последовательно несколько отливок.

Примеры многоразовых форм - кокиль, формы для литья под давлением, формы для центробежного литья.

Такие формы изготавливают из металлических материалов, хотя, отдельные элементы формы и покрытия на поверхностях могут быть из неметаллических материалов.

По способам проведения и организации технологических процессов технологии литейного производства подразделяются на ручные, механизированные и автоматизированные.
^ 2. Сравнительный анализ достижимых уровней технико-экономических показателей, ограничения способов литья.

Точность размеров отливок, изготавливаемых различными способами литья, ограничена квалитетами 817.

Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества и при различных способах литья ограничена диапазоном = 10320 мкм.

К показателям, ограничивающим применение способа литья при изготовлении изделий, относятся такие - оптимальная (минимальная) толщина стенок отливок, а такие радиусы галтелей - сопряжений стенок, расположенных под углом друг к другу.

Сведения для сравнительного анализа показателей, характеризующих достижимые уровни точности и качества отливок при различных способах литья приведены в таблице 1. 2.




Способ

литья

Характерные

ос оcобенности

размеров

Минимальные размеры

Точность

квалитет

Шероховатость,

мкм

Толщина

стенок,

S, мм

Радиусы

галтелей,

, мм

Черные

Цвет

В

землю

Любые

610

S10

16- 1 7

160-320

80-320



В

кокиль

кокиль

В одной

части

формы

2.58


--

S6

9 - 12
12 - 17

40-320

20-160

В двух и

более

частях

Под

давлением

В одной

части

формы

1


--

S

сумме

толщин

стенок

8 - 10
9 - 12

10-80

10-40

В двух и

более

частях

Оболочк

формы

В одной

части

формы

28


--

110

10 - 14
12 - 16

40-160

20-80

В двух и

более

частях

Выплавл

модели

В одной

части

формы

0.60.7


--

18

8 - 10
10 - 12

20-80

10-80

В двух и

более

частях


Таблица 1.2 Экономически достижимые показатели точности и качества технологий литья

Примечание. Экономически достижимый уровень - достижение которого возможно в условиях существующего технического оснащения производства стран. Физически достижимый уровень - прогноз на базе научных достижений. Реализация такого уровня требует перевооружения производства, применения новых технологических подходов в рамках известного метода обработки.
Лекция 3

Основы формирования качества литых изделий.

^ 1. Основные литейные материалы. Их применение и перспективы развития.

Литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами, тепло и электропроводностью.

При выборе сплава необходимо учитывать его свойства и стоимость. Если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливки из: ковкого чугуна - 130%, стали - 150%, цветных сплавов - 300-600%.

В целом, в общем производстве отливок:

74% - отливки из серого чугуна, 3% - отливки из ковкого чугуна, 21% - отливки из стали,

2% - отливки из цветных сплавов.

Основными требованиями к литейным материалам являются прочность, способность последующей механической обработки, стоимость при равенстве свойств.

При проектировании отливки в первую очередь учитывают механические свойства сплава, основными из которых являются прочность и относительное удлинение. На рисунке 1.1, показано расположение современные материалы в соответствии с уровнями достигнутых показателей механических свойств.


σв

МПа

1200
800

400


0 1 5 10 15 20 25 30 δ,%

Рисунок 1.1 Показатели прочности (σв) и пластичности (δ) различных литейных сплавов.

1-серый чугун, 2-ковкий чугун, 3-высокопрочный чугун, 4-сталь углеродистая, 5-сталь легированная, 6-латунь, 7-бронза, 8-алюминиевый сплав, 9-магниевый сплав.
Кроме прочности и пластичности имеет значение плотность, коррозионная стойкость, жаропрочность, износостойкость, стоимость.

Конструктор, проектирующий отливку при выборе сплава, обязан принимать оптимальное решение, учитывающее суперпозицию различных свойств материалов.

По мере роста технически достижений в области материаловедения и литейного производства повышается качество отливок, уровень их свойств.

Разработка новых составов сплавов преследует и другую цель - удешевление литейных материалов и, в целом, литейного производства, замену дорогостоящих марок сплавов более дешевыми. Как правило, это достигается заменой сплавов сложного состава на сплавы простого состава с дешевыми примесями, формирующими определенные свойства материалов.

В целом проблема создания сплавов с высоким уровнем свойств является наиболее актуальной в современном материаловедении и литейном производстве.

Решение этой проблемы путем введения сложных и дорогостоящих составов добавок не имеет большой перспективы. Наиболее реальный путь - это совершенствование структуры литых сплавов простых и дешевых составов. Решение проблемы таким путем реально и основной упор при этом делается на достижения физики твердого тела, исследования в области кристаллизации и структурообразования сплавов. Подробнее об этих направлениях речь пойдет в разделе "физико-химические и физико-механические основы формирования комплекса химических и технико-экономических характеристик изделий литейного производства".
Справка. Литейные материалы.

Чугуны. Для производства фасонных отливок применяют серые чугуны марок С410С445-11 марок; ковкие чугуны марок КЧ30-12 до КЧ80-1.5-6 марок; высокопрочные чугуны марок ВЧ35-12 до ВЧ100-1.5-? марок.

Структура градиента: в серых чугунах - пластинчатая, в ковких чугунах - хлопьевидная, в высокопрочных чугунах - шаровидная.

По микроструктуре чугуны подразделяются на :

белый - имеет в структуре ледебурит  перлит (ЛП),

серый перлитный - имеет в структуре перлит  графит (ПГ),

серый ферритный - имеет в структуре феррит  графит (ФГ).

Кроме основных видов чугуна получают промежуточные структуры:

половинчатый - имеет в структуре ледсбурит  перлит  графит (ЛПГ),

перлито-ферритный - имеет в структуре феррит  перлит  графит (ФПГ).

Высокопрочный чугун имеет ферритную (Ф) или перлитную (П) структуру.

Получают высокопрочный чугун модифицированный магнием и ферро-силицием.

Ковкий чугун в зависимости от способа производства имеет ферритную (Ф) или перлитную (П) структуру.

Получают ковкий чугун путем длительного отжига белого чугуна.

Название "ковкий" - условно. Ковке такие отливки не подвергают.

Для малоответственных деталей (гайки, фланцы) применяют марки КЧ30-6, КЧ35-8 - с ферритной структурой. Для ответственных деталей автомобилей и сельхозмашин, работающих при динамических нагрузках (задний мост) и высоких статических (крючки тяг, подвесок) применяют марки КЧ37-12, КЧ38-10 - с ферритной структурой. Прочность перлитного чугуна выше, чем ферритного. Основные марки КЧ50-5, КЧ60-3, КЧ-63-2.

Стали - углеводистые марок 15Л55Л (феррито-перлитные), легированные стали - широкой номенклатуры - изготавливают детали газотурбинных двигателей, роторы, арматуру.

Алюминиевые сплавы - широкой номенклатуры. Изготавливают широкий ассортимент изделий различного назначения. Основные применения - корпуса приборов, блоки цилиндров.

Медные сплавы - широкой номенклатуры - бронзы, латуни - хорошие литейные свойства. Изготавливают широкий ассортимент изделий различного назначения. Основные применения - коррозионностойкие материалы.

Магниевые сплавы - имеют низкие литейные свойства. Основные применения - корпуса приборов, инструменты.

Титановые сплавы - имеют низкие литейные свойства. Применяются в деталях реактивных двигателей, в химической промышленности, судостроении, медицинской промышленности.
^ 2. Специальные технологические требования к литейным сплавам.
Жидкотекучесть - способность сплава заполнять литейную форму. Определяется длиной спирали, отлитой в земляную форму (проба на жидкотекучесть).

Усадка - изменения (как правило уменьшение) объема и размеров отливки при ее затвердевании и последующем охлаждении. Величина усадки (в %) составляет для сплавов:

а) чугуны - 0.91.3%; б) стали - 1.82.5%; в) медные сплавы - 1.52.5%;

г) алюминиевые сплавы - 0.91.5%; д) магниевые сплавы - 1.01.6%;

е) титановые сплавы – 0,61,5%

Газопоглощение - способность материала растворять и удерживать газы: кислород, водород, азот.

Ликвация - неоднородность химического состава сплава по сечению отливки.

Различают два основных вида ликвации:

- внутрикристаллитная (дендритная) - характеризуется неоднородностью в пределах зерна (дендрита),

- зональная - характеризуется неоднородностью в различных зонах отливки.

^ 3. Физико-химические основы формирования качества литых изделий.
Основным процессом, лимитирующим литейные свойства, является кристаллизация. В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор.

Только некоторые металлы (Fe-Pb, Cu-Pb) практически нерастворимы в жидком состоянии и, отличаясь по плотности, образуют несмешивающиеся слои.

Переход сплава из жидкого состояния в твердое происходит в результате образования центров кристаллизации и последующего их роста в виде дендритов.

Для образования устойчивого зародыша необходимы флуктуации концентрации, то есть временно возникающие отклонения химического сплава в отдельных малых объемах жидкого раствора от среднего состава.

При кристаллизации чистых металлов состав отдельных малых объемов соответствует среднему, а смысл флуктуации заключается в отклонении термодинамической температуры малого объема от средней температуры жидкого расплава. В этом случае, при понижении температуры вероятным процессом становится процесс одновременного образования множества флуктуаций и, соответственно, образования множества зародышей твердой фазы. Такой процесс происходит при некоторой степени переохлаждения жидкого расплава называется гомогенной (самопроизвольной) кристаллизацией.

Чистые металлы как правило не обладают требуемым уровнем свойств, поэтому возникает необходимость получения сплавов, компоненты которого могут значительно отличаться по кристаллохимическим и термодинамическим свойствам.

Вследствие таких отличий, степени переохлаждения, необходимые для кристаллизации отдельных компонентов сплава могут значительно отличаться.

Возникает проблема совместной кристаллизации компонентов сплава, то есть при кристаллизации сплава становится вероятной ликвация, то есть образование химической неоднородности по сечению слитка. Преодоление проблемы ликвации является одной из важнейших в литейном производстве.

Наиболее эффективный путь решения задачи совместной кристаллизации сплава является получение эвтектики.

Эвтектика (легкоплавящаяся) - это структура, состоящая из определенного сочетания двух (и более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого расплава при постоянной и самой низкой для данной системы температуре.

Эвтектики образуются во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в системе. Системы, в которых образуются эвтектики, изучены достаточно хорошо и представлены в виде справочных данных по диаграммам состояния. Наличие эвтектики в системе определяется в первую очередь химическим составом взаимодействующих компонентов.

Примеры систем с эвтектиками.

Fe-Fe3C, Fe-Mn, Al-Si, Al-Cu, Mg-Zn, Mg-Al-Zn-Mn,

Cu-Pb, Mg-Bi – присутствие этих систем в литейных сплавах затрудняет их обработку давлением.

Рассмотрим теперь физико-химические принципы управления литейными свойствами.

Академик А.А.Бочвар показал в своих работах, что существует определенная связь между диаграммой состояния и литейными свойствами.

Сплавы - твердые растворы, имеют низкие литейные свойства – плохая жидкотекучесть, склонность к трещинообразованию.

Для получения высоких литейных свойств концентрация элементов в литейных сплавах должна превышать их максимальную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу.

Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, низкой склонностью к ликвации, усадка проявляется в виде концентрированной раковины.

Примечание: Сплавы в области однородных твердых растворов пластичны, в области эвтек-тики пластичность сильно снижается, то есть сплавы эвтектического состава отличаются высокой хрупкостью. Поэтому в деформируемых сплавах максимальная растворимость при эвтектической температуре является верхним пределом содержания компонента в сплаве.

Лекция 4
^ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Введение.

Обработка материалов давлением (ОМД) является одним из древнейших способов изготовления изделий, известных человеку и имеющих признаки технологии, т.е. осмысленного и воспроизводимого многократно приема или совокупности приемов. Вместе с тем, это древнейшее технологическое направление является наиболее перспективным в современных условиях развития техники и малоотходности методов ОМД, что отвечает стратегии развития техники в современном мире, ориентированном на экономию ресурсов земли и, особенно, ресурсов металлов и энергии.

Обработка материалов давлением основана на их способности, в определенных условиях, получать остаточные деформации в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил. Анализ основных понятий и эффектов, определяющих сущность процессов ОМД, будет дан в параграфе "физико-механические основы ОМД".

^ 1 Структура производства. Классификация методов ОМД.

Организационно изготовление изделий методами ОМД производится в отдельных цехах или заводах, а также, участках ОМД, размещенных в машиностроительных цехах общего назначения или в инструментальном производстве. Следует отметить, что такой широко распространенный метод, как прокатка, организационно является частого металлургического комплекса и традиционно называется "третьим переделом" при производстве изделий из черных металлов.

Методы обработки материалов давлением подразделяются:

по назначению - на два направления:

а) для получения длинномерных заготовок постоянного сечения по длине. К этому направлению относятся прокатка, волочение, прессование, экструдирование;

б) для получения штучных деталей или заготовок, имеющих форму и размеры приближенные к окончательным параметрам готового изделия. К этому направлению относятся ковка, штамповка, выдавливание;

По температурным условиям технологического процесса - на два направления:

в) горячую обработку материалов давлением (ГОМД);

г) холодную обработку материалов давлением (ХОМД);

По виду исходных продуктов - на два направления:

д) листовую обработку; е) объемную обработку;

По результату воздействия - на три направления:

ж) формообразующую обработку; з) разделительную обработку; и) отделочную обработку.
^ 2 Основные способы, виды ОМД и их назначение.

Прокатка - получение длинномерных заготовок путем обжатия их между вращающимися валками на прокатных станах.

Виды прокатки:

а) продольная; б) поперечная; в) поперечно-винтовая.

Сортамент изделий - листовой прокат, сортовой прокат, трубы и специальный прокат.

Полупродукты - сляб - заготовки для листового проката изготавливают размерами сечения: S=65300; =6001000 мм.

Блюм - заготовки для сортового проката, изготовляют размерами сечения: =200200450450 мм.

При прокатке листового проката используют гладкие валки. При прокатке сортового проката используют калиброванные валки, имеющие ручьи. Совокупность двух ручьев пары валков образуют калибр. Ручей - профиль сечения впадины или выступа на калиброванном валке.

При поперечной прокатке необходимо обеспечить продольное движение заготовки вдоль рабочих валков. Условие для обеспечения этого требования состоит в обеспечении неравенства tg  f, где f - коэффициент трения пары валков,  - угол захвата.

При этом выполняется силовое условие f = , где  - реакция;  - сила трения.

Волочение - протягивание заготовки через отверстия в инструменте (волоке) при действии усилия на готовую деталь.

Волочением получают: проволоку диаметром 0.00210 мм; трубы диаметром 0.3200 мм; прутки диаметром 3150 мм.

Волочение производят на специальных волочильных станках путем многократного протягивания заготовки сквозь отверстия специальной конфигурации – фильеры, (рис.4.1). При этом достигается значительная степень деформации металла. Волочение осуществляется при комнатной температуре, однако для увеличения пластичности металла после значительного обжатия заготовки применяют промежуточные отжиги в печах, расположенных по ходу движения.



1 2 3 4

Рисунок 4.1 - Сечение фильеры.

1 - зона захвата, 2 - зона деформации, 3 - зона калибровки, 4 - выходная зона.
Условием обеспечения высокого качества изделия является ограничение степени деформации ниже предельно допустимого значения для данного материала. Степень деформации определяется соотношением  = dD, где d - диаметр изделия; D - диаметр заготовки.

Прессование - продавливание заготовки через отверстие в форме.

Прессованием получают изделия с постоянным, преимущественно сложным сечением: прутки с размером по сечению 3250 мм; трубы с наружным диаметром 20400 мм.

^ Схемы прессования: а)прямое; б)обратное; в)комбинированное.

Примечание. При изготовлении однотипных изделий схема обратного прессования на 30% экономичнее прямого.

Экструдирование - является аналогом прессования.

Применяется для изготовления длиномерных изделий постоянного, преимущественно сложного сечения. Используют схему прямого экструбирования для получения изделий из высокопластичных металлов.

Ковка - свободное изменение формы и размеров изделия путем последовательного ударного локального воздействия инструмента на заготовку. Ковка применяется для изготовления преимущественно уникальных изделий или для получения изделий с высоким уровнем физико-механических свойств.

Процесс ковки производят с помощью молотов, ручных или механизированных. Заготовка при ковке находится в пластичном состоянии, которое достигается за счет предварительного нагрева.

Характерной особенностью ковки является использование универсального инструмента и оснастки для изготовления уникальных изделий.

^ Горячая обьемная штамповка - экономичный и высокопроизводительный способ производства. При нагреве образуется слой окалины, поэтому, при условии дальнейшей механической обработки, на размеры заготовки назначают припуски. Отверстия малого диаметра получить штамповкой нельзя ( например  30 мм при прошивке толстых стальных заготовок ).

Для облегчения выемки поковки из полости штампа назначают штамповочные уклоны - наружные уклоны при штамповке на молотах - 57, при использовании прессов с выталкивателем - 23.

Внутренние уклоны назначают на 23 больше наружного. Для снижения вероятности образования трещин в сопряженных стенок изделия предусматривают радиусы скруглений - галтели. Наружные радиусом  =16 мм; внутренние радиусом  =(34).

^ Холодная штамповка. Разновидности обьемной холодной штамповки.

Высадка - образование местных утолщений с отношением длины "L" к диаметру "D"

LD  2.5  2.8

^ Обьемная формовка - заполнение полости штампа.

Разновидностью объемной формовки является холодное выдавливание, которое применяется для изготовления небольших изделий сложной конфигурации из пластичных материалов. Способы холодного выдавливания - прямое, обратное, радиальное, комбинированное.

Габариты изделий, полученных холодным выдавливанием, определяются мощностью оборудования. Холодное выдавливание можно применять при изготовлении не менее 40-50% всех небольших и средних серийных и массовых деталей, получаемых в настоящее время резанием из прутка стали, цветных металлов и сплавов, излитых заготовок, из горячештампованных заготовок. Экономические показатели холодного выдавливания по сравнению с другими технологическими процессами приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1.. Экономические показатели холодного выдавливания в сравнении с другими способами.

Технология

Экономия при холодном выдавливании, %

Расход металла

трудоемкость

Себестоимость

Обработка резанием

Литье

Горячая штамповка

40 - 90

10 - 35

15 - 45

30 - 65

10 - 20

20 - 35

20 - 75

15 - 35

15 - 40


^ Разновидности листовой разделительной штамповки.

а) резка - разделение заготовки на части;

б) вырубка - получение изделия типа диска;

в) пробивка - получение отверстия в изделии.
Разделение состоит из зоны внедрения режущей кромки поверхности (срез) и зоны разрушения трещинами, наклоненными под углом 4 - 6 к оси инструмента (скол).

Качество поверхности среза обеспечивается правильным зазором  между кромками пуансона и матрицы. При  = 0.030.05 δ ( где δ- толщина листа ) проходит чистый срез и обеспечивается высокое качество изделия.

При неверно выбранном зазоре происходит рваный срез, образуется заусенец (при увеличении зазора ) или поломка инструмента (при уменьшении зазора ).
^ Разновидности листовой формоизменяющей штамповки.

Гибка - изменение кривизны вдоль определенного направления заготовки ( лист, полоса, труба ).

Деформация при изгибе определяется из условий r = 0.1  0.2  и   = S   2 + S , где  - относительная деформация,  - предельно допустимая деформация, r - радиус изгиба. S – толщина заготовки листового материала.

Вытяжка - образование полого изделия из плоской заготовки.

Заготовка диаметром D3 и толщиной δ продавливается пуасоном в отверстие матрицы, диаметром , образуя полог изделия типа стакана с фланцем диаметром .

Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки в= 3    2.1 при 3 -   (1820 )  возможна потеря устойчивости фланца и образования складок. Это явление предотвращают прижимая фланец к матрице.

Зазор  между пуансоном и матрицей при вытяжке без утонения составляет  = ( 1.11.3 ) δ.

При вытяжке с утонением зазор  уменьшается и определяется задачей формообразования толщины стенки изделия. При вытяжке с утонением толщина днища изделия практически не изменяется.

Отбортовка - образование фланца в полом изделии.

Характеризуется коэффициентом отбортовки 0, 0=, представляющим величину обратную коэффициенту вытяжки.

^ Обжим - уменьшение диаметра полой заготовки  до величины .

Раздача - увеличение диаметра полой заготовки диаметром  до диаметра .

Операции обжима и раздачи характеризуются придельным коэффициентом    = 0.70.8. который определяется исходя из допустимой деформации материала при растяжении.

Рельефная формовка - местное деформирование листовой заготовки для образования рельефа. Рельеф предназначен для обеспечения жесткости листового изделия или придания ему эстетических качеств.
^ 3 Cравнительный анализ достижимых уровней технико-экономических показателей.

Методами ОМД можно изготавливать как заготовки, так и готовые детали.

Возможности горячей обработки (ГОМД) в основном ориентированы на изготовление заготовок.

Возможности методов холодной обработки ХОМД в основном ориентированы на изготовлене деталей без применения последующей механической обработки резанием или с обработкой резанием некоторых элементов полученной заготовки.

Ниже приводится таблица 4.2, в которой показаны экономические достижимые показатели точности и качества изделий, получаемых различными методами ОМД.

Метод

ОМД

Особенности формы

Экономически достижимый показатель

Точность, квалитет

Шероховатость,

R, мкм

черные

цветные

Горячая ковка

Горячая пробивка

Горячая вырубка

Горячая объемная штамповка




1517

1516

1516

1011

1416

1415

1415

910

12.5100

12.5100

12.5100

12.550

Холодная вытяжка

Холодная вытяжка

Холодная вырубка

Холодная пробивка

Холодная пробивка

с калибровкой

Раскатывание

Калибрование

Ручная гибка


Простая

Глубокая

Контур

Контур

Контур
Контур

Труба

Лист


11

9-12

13

11

7
5-6

5-6

17


10

8-9

12

10

6
5-6

5-6

16


0.83.2

0.83.2

3.2100

3.2100

0.83.2
0.080.63

0.08

3.212.5

Прессование




12-13

10-11

3.212.5

Волочение




10

9

0.83.2

Прокат




17

16

3.2100

Метод

ОМД

Особенности формы

черные


цветные

Шероховатость,

R, мкм

Точность, квалитет

Экономически достижимый показатель



Таблица 4.2. Экономически достижимые показатели точности и качества технологий ОМД

Примечание. Экономически достижимый уровень - достижение которого возможно в условиях существующего технического оснащения производства стран. Физически достижимый уровень - прогноз на базе научных достижений. Реализация такого уровня требует перевооружения производства, применения новых технологических подходов в рамках известного метода обработки. По данным таблицы видно, что методы холодной обработки давлением (ХОМД) позволяют получить изделия весьма высокой точности и чистоты поверхности.

Например, 5-6 квалитет точности и шероховатость 0.08 мкм - показатели, достижимые при калибровании и раскатывании позволяют этим методам конкурировать с наиболее точными методами обработки резанием при изготовлении прецизионных деталей. Вместе с тем у методов ОМД есть одно неоспоримое преимущество перед методом резания - безотходность материала изделия и инструмента. Поэтому себестоимость изделий, получаемых отделочными методами ХОМД ниже себестоимости аналогичных изделий, полученных резанием. Обращает на себя внимание существенная разница в достижимых уровнях точности и шероховатости при холодной и горячей обработке. Рассмотрим основные причины этого различия.

^ Преимущества и недостатки горячей обработки.

Среди недостатков горячей обработки можно отметить следующие:

- Трудности поддержания постоянной температуры.

Например, тонкие листы и проволока малого диаметра охлаждается настолько быстро, что без специального подогрева валков или волоки изделия приобретают неоднородную структуру и, соответственно, низкие качества. Необходимое оборудование требует больших затрат на его эксплуатацию и в условиях незначительных масштабов производство становится неэкономичным. Большинство изделий, получаемых в малых масштабах, деформируют в холодном состоянии. Предельный размер изделия, ниже которого горячая обработка не экономична зависит от природы материала, геометрии сечения, способа и скорости обработки. Обжатие горячим способом редко применяется при производстве изделий, размер сечения которого меньше 2 3мм.

- Затруднен точный контроль температуры.

Причинами этого эффекта могут быть следующие: разогрев металла при деформации и низкая точность приборов, контролирующих температуру. Например, в диапазоне 10001200С точность определения температуры оптическими параметрами составляет 20-50С. При значительных обжатиях тяжелых изделий простой формы, для которых отношение поверхности к объему мало, при деформации происходит значительный внутренний разогрев тела.

- Затруднен точный контроль размеров.

Вследствие потери металла за счет окисления нельзя учесть величину изменений линейных размеров изделия. При ковке окалина разрушается отделочными кусочками, некоторые из которых попадают под рабочие поверхности молота, вызывая локальные деформации изделия.

- Низкое качество поверхности. Окалина, образующаяся при нагреве в атмосфере воздуха, является неоднородным покрытием на изделии. В процессе дальнейшей деформации окалина отслаивается локально, значительно ухудшая качество поверхности изделия. Еще более значительное влияние окалины на режущий инструмент при обработке резанием заготовок, изготовленных горячей обработкой давлением. Удаление окалины затруднительно и требует больших затрат времени и средств.
Лекция 5

Физико-механические основы обеспечения высоких показателей

при ОМД
Обработка методом ОМД и управление технологическим процессом изготовления изделия с целью достижения высоких технико-экономических показателей базируется на фундаментальных научных исследованиях, изучении механизмов, определяющих формирование структуры и свойств материалов.

Рассмотрим основные эффекты, сопровождающие процесс деформирования твердого тела.

^ 1 Локализация деформации.

Главной, отличительной особенностью пластической деформации является ее локальный характер, т.е. ограничение объема в котором она происходит.

Главным следствием из локализации деформации является резкое снижение напряжения, требуемого для поддержания процесса деформирования тела.

Известно, что под действием чистого растяжения или чистого сжатия, остаточная деформация в теле образоваться в теле не может, т.к. при удалении атомов друг от друга на величину более половины межатомного расстояния межатомная связь ослабевает и тело разрушается. При сближении атомов на расстояние меньше равновесного, возрастают силы отталкивания между атомами, и дальнейшее сближение атомов становится невозможным.

Единственным типом нагружения, способным вызвать остаточную деформацию, является сдвиг. При этом типе нагружения происходит относительное скольжение двух смежных плоскостей атомов в твердом теле. Такой тип остаточной деформации называется пластической деформацией. Механизмом, обеспечивающим пластическую деформацию, является дислокация. Дислокации имеют определенную кристаллографическую ориентировку, вследствие чего – пластическая деформация может происходить только в кристаллическом твердом теле.

Пластической деформацией в теле охватывается незначительное число атомов. Например, при предельно достижимой путем деформирования тела плотности дислокаций = 1012 см-2 число атомов, сдвинутых из положений равновесия составляет величину 10-4 от общего числа атомов. Плотность тела при этом практически не меняется. Изменения плотности и разрыхление тела происходит при плотности дислокаций более 1015 см-2, однако достигнуть такого уровня деформаций тела внешними усилиями невозможно, для этого требуются методы химико-термической обработки, ядерно-физического или лучевого воздействия.

^ 2. Температурные эффекты

При повышении температуры подвижность атомов увеличивается и энергия тела повышается. это явление иллюстрирует график зависимости свободной энергии E при смещении атома из равновесного положения, r0 на рис 5.1.
Рисунок 5.1 Схема изменения свободной энергии

при смещении атома из равновесного положения.

Так как температура тела пропорциональна энергии

E = kT (k – постоянная Больцмана), то из схемы на рисунке 5.1, следует, что температура тела повышается при смещении атома из равновесного положения.

Аккумулирование в металле энергии увеличивается с повышением степени деформации до некоторой величины (порядка 0.52.0 кал/ч) и ее действие складывается с воздействием внешней температуры, обеспечивая изменение структуры и свойств материала.

При повышении температуры уменьшается незначительно предел текучести. Наглядно температурные эффекты изменения прочности и пластичности показывает известная схема Иоффе, рис.5.2.

Рис.5.2 Зависимость предела прочности В и предела текучести Т от температуры.
ТХП – температура хрупкости.

ТВП – температура вязко-пластического перехода.

ТПЛ – температура плавления.


Рассмотрим области, обозначенные на рисунке 5.2 римскими цифрами.

Ниже температуры хрупко-пластического перехода при нагружении тело может испытывать упругие деформации вплоть до достижения предела прочности и разрушиться при превышении этого предела. В области I тело обратимо деформируется, испытывая только упругую деформацию. Поэтому в области II тело не может находиться при нормальных условиях нагружения растяжения и может быть только в условиях всестороннего сжатия, что технически неосуществимо для кристаллических тел. В области III (выше ТХП) тело деформируется упруго и испытывает эффекты релаксации и ползучести, которые протекают во времени с определенной скоростью при пластическом механизме их действия.

В области IV напряжение превышает предел текучести и тело пластически деформируется.

В области V напряжение превышает предел прочности и тело разрушается. При этом достигается некоторая предельная степень деформации. Разрушение происходит сколом.

В области VI (выше ТПВ – или температуры рекристализации) тело деформируется упруго и испытывает эффекты релаксации и ползучести при вязком механизме их действия.

В области VII напряжение превышает предел текучести и тело деформируется при совместном действии вязкого и пластического механизмов течения.

В области VIII напряжение превышает предел прочности и тело разрушается. При этом предельная деформация существенно выше, чем в области V и тело разрушается срезом.

В области IX тело переходит в жидкое состояние и деформируется по вязкому механизму течения.

^ 3. Временные эффекты

Любой процесс обработки материалов давлением проходит во времени и конечный результат деформирования определяется скоростью процесса. В конечном итоге оказывается, что переходы из одной области в другую на схеме рис.5.2 являются следствием не только воздействия температуры, но и скорости изменения напряжения и деформации. Изменяя скорость нагружения или деформации можно существенно корректировать воздействие температуры на тело. Сама ТХ – температура хрупко-пластического перехода не может быть константой материала, так как значение этого температурного порога зависит от скорости деформации. Например, широко известные хрупкие материалы, такие как вольфрам, твердые сплавы, керамика, мрамор могут пластически деформироваться при низких температурах в условиях сверхмалых скоростей нагружения.
Контроль за состоянием материала при горячей обработке давлением можно осуществлять визуально по цвету материала, используя шкалу температур и цвета. Например, для стали можно использовать следующую шкалу температур и цвета, таблица 5.1.


При закалке (нагретое состояние

При отпуске (холодное состояние)

Т, оС

цвет

Т, оС

цвет

405

480

530

535

576

580

746

800

843

900

940

1000

1080

1209

1400

1660

Красный, едва виден в темноте

Светло-красный

Темно-красный, виде на свету

Красный, виден на солнечном свете

Темновишневый

Среднеспелая вишня

Вишнево-красный

Светловишневый

Светло-красный

Красный, средней яркости

Ярко-красный

Лимонно-желтый

Светло-желтый

Бело-желтый

Ярко-белый

Бело-голубой, ослепительный

220

230

240

245

250

255

260

265

276

282

287

293

305

315

Соломенный-желтый

Среднеяркий соломенный

Яркосоломенно-желтый

Темносоломенно-желтый

Темно-желтый

Желто-бурый

Буро-желтый

Красно-бурый

Пурпурный

Ярко-пурпурный

Ярко-голубой (слабый)

Ярко-голубой (сильный)

Глянцево-голубой

Темно-голубой




Таблица 5.1 Таблица температур и цвета стали при термической обработке.
Явления, определяющие кинетику поведения материалов, это релаксация и ползучесть.

Релаксация – уменьшение напряжения во времени от начального, повышенного значения до некоторого устойчивого уровня, соответствующего равновесному состоянию материала при данной температуре. Процесс релаксации во времени описывается экспоненциальной зависимостью, график которой приведен на рис. 5.3



Рис.5.3 Графики релаксации при разных температурах.
0 – исходное напряжение

1; 2; 3 – равновесное напряжение при температуре соответственно Т1; Т2; Т3.

Т3 > Т2 > Т1


Величину напряжения t в момент времени t можно, определить из выражения



где - время релаксации при температуре Т (определяет период времени в течении которого напряжение 0 уменьшается в e – раз, e основание натурального логарифма.)
Ползучесть – самопроизвольное удлинение тела во времени под действием приложенной постоянной нагрузки. Кривая ползучести представляет собой зависимость деформации  от времени действия напряжения , рис.5.4.


3






а) б) в

Рисунок 5.4. Графики ползучести: а) типичная кривая ползучести, б) кривые ползучести при разных напряжениях и в) при разных температурах.

Отметим, что определение предела прочности при кратковременном испытании является частным случаем испытания на ползучесть.

Действительно, если увеличивать напряжение до некоторого предела, то долговечность тела будет стремиться к нулю в соответствии с схемой на рис.5.4, а). Таким образом, при достижении предела прочности В кривая ползучести будет включать участок мгновенной деформации, а продолжительность остальных трех стадий кривой ползучести хотя и будет малой величиной, однако не равной нулю, так как любому разрушению реальных твердых тел всегда предшествует накопленная деформация.

Характерной особенностью процесса ползучести твердых тел является постоянство скорости установившейся ползучести на стадии II рис.5.4, а). С ростом напряжения скорость установившейся ползучести увеличивается в соответствии с выражением

где А – температурно зависимый член, n – показатель степени.

Поэтому с ростом скорости деформации напряжение в теле возрастает и наоборот, с уменьшением скорости деформации напряжение в теле уменьшается. Скорость деформации влияет и на температуру хрупко-пластического перехода. Математическое выражение этой зависимости следующее:



На рисунке 5.5 изображены зависимости TX от скорости деформации для некоторых тугоплавких металлов – W, Мо, Сr.



Рисунок 5.5. Зависимости температуры хрупкости от скорости деформации для тугоплавких металлов.

Так, для Мо, повышение на порядок приводит к увеличению Тх на 20-300. Переход от статических испытаний () к ударным () повышает Тх на 2000.

Аналогичным образом скорость деформации влияет на температуру вязко-пластического перехода (или температуру рекристализации - Тр). Поэтому при определении областной горячей обработки и холодной обработки и установлении температурного порога между этими областями следует регламентировать скорость деформации, которая будет использоваться в конкретном технологическом процессе.

Вязкость.

Если твердое кристаллическое тело при деформации упрочняется, то жидкое тело нет. Когда же речь идет о твердом теле в различных условиях обработки – горячей или холодной, то неясно, почему выше температуры рекристаллизации Тр твердое тело не испытывает упрочнения.

Явление, при котором скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению, свойственно жидкостям, в которых энергия деформации рассеивается главным образом между молекулами. Такое поведение тела называется ньютоновское поведение, а тело называется ньютоновской жидкостью. Как мы видели, кристаллическое тело при деформации обязательно испытывает упрочнение, а твердое тело в области горячей обработки не испытывает упрочнения.

Следовательно, такое тело в области горячей обработки давлением теряет кристаллическую структуру и становится жидкостью – ньютоновской жидкостью.

Подробно эти эффекты описаны в специальной литературе по реологии.

^ 4. Специальные структурные эффекты

Влияние размера зерна на Тх.

Экспериментально установлено уменьшение температуры хрупко-пластического перехода. Тх при уменьшении размера зерна dЭФ кристаллического твердого тела.

Математическое выражение, устанавливающее эту связь имеет вид, .

Схемы зависимостей Тх (dЭФ) для тугоплавких металлов показаны

на рис 5.6.
Рисунок 5.6. Зависимости температуры хрупкости от размера зерна для тугоплавких металлов.
dЭФ – эффективный размер зерна – зависит от реальной структуры сплава. Например, в перлитной стали это толщина пластинок цементита.

^ Влияние внешнего давления среды на Тх.

Установлено влияние гидростатического давления на температуру хрупко-пластического перехода. Так при деформации хрупких материалов в условиях гидростатического давления, начиная с некоторого порогового значения пластичность тела существенно возрастала.

На рисунке 5.7 показана схема изменения предельных характеристик В и Т при действии гидростатического давления Рг.
Рисунок 5.7. Схема изменения прочности при действии гидростатического давления
При увеличении гидростатического давления от РГ=1 до РГ>>1 предел прочности возрастает от В до ’В, так как гидростатическое давление усложняет условия образования и раскрытия трещин. Эффективная величина температуры хрупко-пластического перехода снижается от ТХ до ТХ’. Описанное явление открывает перспективы для расширения возможностей прессования, гидроэкструзии.
Выводы. Рассмотренные в данном разделе явления позволяют рационально организовывать технологический процесс обработки материалов для получения изделия высокого качества при минимальных затратах на производство.

  1   2



Скачать файл (666 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru