Пластическая деформация материалов

Опубликовано: 22 Июн 2021Рубрика: ТО и ТРАвтор: editor

Введение

В настоящее время
эксплуатирующаяся в сельскохозяйственном
производстве автотракторная техника не
в полной мере соответствует предъявляемым
к ней требованиям в отношении качества,
что выражается в ее низкой надежности
и экономичности, а также экологической
небезопасности для окружающей среды.

В большинстве случаев
качество восстановления автотракторной техники, применяемые при
ремонте технологические процессы и оборудование
— не позволяют обеспечить ее нормативный
межремонтный ресурс и долговечность
в целом. После капитального ремонта он
составляет в среднем не более 40… 55 % ресурса
новой техники, а условный эталонный гектар
только по затратам на техническое обслуживание
и ремонт становится дороже на 49 % при использовании
гусеничных тракторов и на 71 % — колесных
тракторов.

Развитие и совершенствование
автотракторной техники напрямую связано как с развитием автомобильной
и тракторной промышленности, так и с процессом моторизации
вооружённых сил и обновления их технической
базы.

Одной из основных причин кризисного состояния, сложившегося
в сельском хозяйстве Российской Федерации,
наряду с несовершенством межотраслевого
механизма регулирования экономических
отношений, нарушения эквивалентности
процесса обмен; между предприятиями в
условиях рыночных отношений, является
низкое качество техники и оборудования.
При этом оно формируется на всех этапах
их существования в условиях агропромышленного
комплекса страны: конструирования, испытания,
производства, эксплуатации и ремонта

Для обеспечения заданных технических, технологических
и экономических требований к трущимся
деталям автотракторной техники используют
технологические, конструктивные, материаловедческие
и эксплуатационные мероприятия, некоторые
из которых будут рассмотрены в данной
книге.

В связи с этим исследования,
направленные на разработку методов
и средств технического сервиса
автотракторной и сельскохозяйственной
техники, являются актуальной
задачей и имеют огромное значение как
для агропромышленного комплекса страны,
так и для других отраслей экономики Российской
Федерации.

Цель работы – выявить наиболее значимые
прогрессивные технологии технического
сервиса автотракторной техники.

Цель работы определила
ряд задач:

Рассмотреть сущность и особенности традиционных методов восстановления деталей;
Изучить перспективные методы восстановления деталей;
Разработать конспект-урок на тему: «Прогрессивные технологии технического сервиса автотракторной техники: изготовление рамы модели культиватора (плоскореза)».

Теоретическую
основу работы составили труды современных
исследователей, таких как: Балабанов
В.И., Беклемышев В.И., Махонин И.И., Башкирцев
В.И., Ищенко С.А.и т.д.

В процессе проведенного исследования применялись
общенаучные методы (наблюдение,
аналогия, анализ и т.д.).

Структура работы строилась в соответствии с поставленными
задачами и состоит из введения, пяти глав,
заключения и списка использованной литературы.

Изменение свойств металлов в результате пластической деформации

Пластическая деформация заготовки, сопровождающаяся изменением ее формы и размеров, связана с изменением формы каждого отдельного зерна. При обработке давлением зерна вытягиваются (деформация удлинения), а поперечный размер их уменьшается (деформация укорочения). При этом металл приобретает волокнистое строение. Такое направленное расположение зерен называется текстурой (слоистостью) деформации (рис. 15).

Рис. 15. Характерные текстуры металлов и сплавов: а – до деформации; б – после пластической деформации

Образующиеся волокна с вытянутыми вдоль них межзеренными прослойками определяют различные свойства деформированного металла или сплава вдоль и поперек волокон. При этом металл, практически изотропный до деформации, после нее становится анизотропным, т.е. обладающим различными свойствами в различных направлениях относительно волокон. Вдоль волокон прочность, особенно пластичность и ударная вязкость, выше, чем поперек волокон. Текстура даже после отжига и рекристаллизации частично остается в металле, и наведенная анизотропия сказывается на дальнейшей обработке давлением, например влияет на процесс образования фестонов при вытяжке листовых заготовок.

Пластическая деформация существенно изменяет механические свойства поликристаллического тела.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

30 кг/мм — реальная;
1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Изучение деформации[ | ]

Деформация физического тела определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки.

Физика твёрдого тела — занимаются изучением деформации твёрдых тел в связи со структурными особенностями.

Теория упругости и пластичности — рассматривают перемещения и напряжения в деформируемых твёрдых телах. Тела рассматриваются как «Сплошные».

Механика деформируемого твердого тела — занимается изучением в реальных телах равновесных состояний и перемещений с учётом изменения расстояний между частицами в процессе перемещения. При этом реальные тела рассматриваются ка сплошные.

Сплошность — под сплошностью понимается материальные объекты тела которые сплошным образом занимают весь объем пространства, который ограничен непрерывными поверхностями. Тело является сплошным, если удовлетворяет условиям сплошности. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело.

Закон Гука — описывает поведение деформируемого твердого тела в зоне упругости.

У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование деформации заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.

Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.

Физическая сущность пластической деформации

Кристаллографическая плоскость скольжения в решетке: a-G12. 6-квадрат; l-K12 Рисунок 7.2: изменение кристаллической решетки при пластической деформации Плоскость скольжения — это плоскость кристаллической решетки с наибольшей атомной плотностью. Это связано с тем, что вдоль этих плоскостей сопротивление скольжению минимально.

На рис. 7.1 показаны плоскости скольжения кристаллических решеток G12 (a)t K8(b) и K12. На минимальном количестве скользящих поверхностей(всего 1) находится металл с решеткой G12. Металл с решеткой K12 имеет 4 плоскости, а металл с решеткой K8 имеет 6 плоскостей. В связи с тем, что небольшое количество плоскостей и направлений скольжения делают его менее пластичным, металлы с решетками G12 (Mg, Zn, Vei и др.) имеют малую пластичность и недостаточно обрабатываются давлением.

Скорость фиг и Температура пластической деформации относительно хрупкости и вязкости твердых тел(А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденков, И. В. Фридман）： / — Зона хрупкого разрушения: II-зона вязкого разрушения Во время двойникования (рис.7.2) атом движется через определенную часть монокристалла, так что 1 часть, по-видимому, вращается симметрично относительно другой части монокристалла.

При незначительной деформации скольжение атомного слоя начинается вдоль плоскости, оптимально расположенной в сдвиге direction. As деформация увеличивается, скольжение распространяется на другие плоскости, и в результате процесс пластической деформации последовательно распространяется по всему монокристаллу. При пластической деформации полированного металлического образца след скольжения обнаруживается в виде линии скольжения (отдельных частиц), сгруппированных в пластины, пакеты, а затем деформация развивается в полосу скольжения.

В результате двойникования в микроструктуре металла наблюдается характерная двойная пластина (двойникование), например, Cu, Cu-Zn и y-Fe. Скольжение пластической деформации и сдвоение наблюдаются одновременно. Формованный металл Наблюдается линейный дефект (дислокация). Обычно, 1-это я. При пластической деформации Взаимодействие с другими дефектами кристаллов

В связи с тем, что в металле всегда присутствуют дислокации в процессе пластической деформации, они образуются и накапливаются еще больше. В поликристаллических телах процессы скольжения тормозятся достаточно большим количеством частиц разного размера и формы, разного направления. При пластической деформации поликристалла увеличивается количество дислокаций и других дефектов в кристаллической решетке. Дислокации и их концентрации перераспределяются на границах зерен, обломков и блоков мозаики.

Поэтому сопротивление деформации поликристалла значительно выше, чем у монокристалла, а пластичность ниже. Если металл имеет низкую пластическую деформационную способность (хрупкое состояние), вероятно, произойдет внезапное хрупкое разрушение (разрушение из-за разделения).Из-за значительной способности к пластической деформации (вязкое состояние) может происходить вязкое разрушение(разрушение сдвигом-сдвиг, рис.7.3).

Металлы, которые являются вязкими при определенных условиях (например, при растяжении гладких образцов), могут стать хрупкими при других условиях (например, при растяжении быстрых или режущих образцов). Важным показателем является температура перехода в хрупкое состояние state. In в случае мелкого железа эта температура соответствует −40°С, а в случае грубого железа-около 0°С.

Строение и изменение механических свойств деформированных металлов и сплавов	Углеродистые стали
Рекристаллизационные процессы	Чугуны

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Холодную.
Горячую.

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

t_рек=0,4×t_пл.

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже t_рек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;
неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

Температура, выше t_рек.
Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
Отсутствует упрочнение.
Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

при относительно небольших температурах;
при повышенном давлении;
с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

Технологии ИПД:

кручение (ИПДК);
разноканальное угловое прессование;
всесторонняя ковка;
мультиосевое деформирование;
знакопеременный изгиб;
аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

1.1. Общие сведения об обработке металлов давлением

В основе всех процессов обработки металлов давлением (ОМД) лежит способность металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться, т. е., не разрушаясь, необратимо изменять свою форму и размеры. При этом изменяется структура металла, его механические и физические свойства.

Обработка металлов давлением известна с древнейших времен. Холодная ковка самородной меди и метеоритного железа была известна еще до того, как люди начали добывать металлы из руд (VII в. до н. э.). Техника обработки металлов давлением получила развитие в X…XIII веках, когда кузнецы научились изготавливать многослойные мечи и топоры со стальными закаливаемыми лезвиями, а также предметы бытового назначения, инструменты и ремесленные приспособления. Ручная ковка была исторически первым из применяемых до сих пор способов формоизменяющей обработки металлов. Первый паровой молот, появившийся в 1843 г., деформировал металл силой падения груза, а для поднятия которого использовался пар. В 1888 г. появился молот двойного действия, у которого верхняя «баба» при движении вниз дополнительно разгонялась силой пара. Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые сведения о прокатке относятся к XV в. (прокатка свинцовых полос). Основоположником современных методов прокатки принято считать английского изобретателя Г. Корта, изготовившего первый прокатный стан в 1783 г.

В настоящее время давлением обрабатывают около 90 % всей выплавляемой в мире стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов (до 60 %). В машиностроении наиболее широко применяется штамповка (горячая объемная и листовая). В современном автомобиле насчитывается до 90 % штампованных деталей (облицовочные детали, детали подвески, колесные диски, валы и шестерни коробки передач, детали двигателя (поршни, шатуны, коленчатые и распределительные валы, клапаны), тормозные колодки, бензобаки, глушители и др.), половина из которых не подвергается никаким другим видам обработки, в тракторе — 70 %. Современные двигатели конструктивно состоят из деталей (до 100 %), полученных ОМД.

Обработка металлов давлением — группа методов получения полуфабрикатов или изделий требуемых размеров и формы путем пластического деформирования заготовок за счет приложения внешних усилий.

Основными процессами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная и листовая штамповка. По назначению они подразделяются на следующие две группы:

1. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных профилей — изделий постоянного поперечного сечения по их длине (прутков, труб, проволоки, лент, листов и др.). К этим процессам относятся прокатка, прессование и волочение. Изделия, полученные этими методами, применяются в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей другими методами (резанием, ковкой, штамповкой и т. д.).

2. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных заготовок, которые имеют форму и размеры, приближенные к готовым деталям, и только в рядечсалеув требуют обработки резанием для придания им окончательных размеров и получения необходимого качества поверхности. К этим процессам относятся ковка и штамповка.

При ОМД, во-первых, достигается получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и, во-вторых, улучшается кристаллическая структура исходного литого металла и повышаются его физико-механические свойства.

Преимуществами методов ОМД являются следующие:

1) низкая трудоемкость процессов и, следовательно, их высокая производительность;

2) рациональное использование металла (коэффициент использования металла (КИМ) приближается к единице);

3) стабильность размеров и относительно высокая точность изготавливаемых деталей при большой сложности их форм;

4) универсальность используемого прессового оборудования;

5) возможности для механизации и автоматизации технологических процессов;

6) простота осуществления процесса.

Главными недостатками методов ОМД являются следующие: относительно высокая стоимость инструмента (в условиях серийного производства она составляет до 14 % от себестоимости деталей), а также сложность и уникальность прессового оборудования.

1.doc

… 15 …
^

6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

Рис. 6.2. Классификация способов восстановления деталей пластической деформациейОсадку Р σ_Т— d — сечения22, 3 Р 4 ^Таблица 6.1. Виды восстановления деталей давлением2, 3, d — Рис. 6.3. Восстановление втулок осадкой Рис. 6.4. Восстановление втулок осадкой без выпрессовки^Таблица 6.2. Температурный интервал при горячей обработке давлением деталей из сплавов

Химический состав сплава	Температура начала обработки, °С	Температура конца обработки, °С
Углеродистый:
С до 0.35%	1200 — 1150	800—850
С 0,3 — 0,5 %	1150 — 1100	800—850
С 0,5 — 0,9 %	1100— 1050	800—850
Низколегированный	1100	825—850
Среднелегированный	1100— 1150	850—875
Высоколегированный	1150	875-900
Сплав на основе меди:
Бронза	850	700
Латунь	750	600

^ 2 4 6, ^ Рис. 6.5. Схема процессе раздачи крестовин с нагревом в результате действия сил трения4. ° Dо _min_нDв — ^ Таблиц а 6.3. Теоретические и экспериментальные значения относительной деформации

β	δтеор	δэксп	β	δтеор	δэксп
0.1	0,740	0,52	0.6	0.144	0,21
0,2	0,590	0,50	0,7	0,084	0.20
0,3	0,445	0,39	0.8	0,036	0,15
0,4	0,335	0^0	0,9	0,010	0.08
0.5	0530	0.28

Рис. 6.6. Восстановление поршневых пальцев электрогидравлической раздачейб — 1— 3 — 4 —^ 5 — — 7 —- 8 —10 — ^ 3 2 2 токарной обработки^ 2 3 — 4 Рис. 6.11. Восстановление шестерни ротационным вдавливанием1 и 4 — детали; 2 — пуансон; 3 — накатник; 5 — синхронизатор; 6 — центраторС в 3 ₁₂₃₄галтели Рис. 6.12. Оправка с зубчатым накаточмым роликомРис- 6.13. Схема электромеханического способа накатывания деталей3у в lplр — lАВ АС, lАВ = АС llllР.р ^ Рис. 6.14. Схеме накатывания и сглаживания деформированной поверхности детали3 — D₁ — ₂К — ^ Рис. в-15. Схема для определения усилия высадки металла при электромеханическом способе накатываний поверхностейО — h — ^Таблица 6.4. Режимы восстановления посадочных мест валов электромеханическимнакатыванием ^ Восстановление геометрической формы деталей_отп_отп — ^ Правка статическим изгибом %. _п1_п2 3 5 f4.Рис.6.16. Правка статическим изгибомР; 6 — ^ Правка ударом _.а). Рис. 6.17. Схема холодной правки вала: а — монтажная; б — расчетнаяРис. 6.18. Схема двойной правки валаа — 1г — ^ Рис.6.19.Правка наклёпом^ Термическая правка а ^ Восстановление механических деталей. Рис 6.20. Правка коленчатого вала местным наклепом^ Рнс. 6.21. Стальной брус квадратного сечения (30X30 мм), выправленный газопламенным методом^ Дробеструйная обработка :^ Обработку шариками (роликами) ₁R‘_zR_zВыглаживание 2. ^Таблица 6.5. Схемы обработки цилиндрических поверхностей Рис. 8.22. Алмазная гладилка2 —
… 15 …