Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Пластическая деформация материалов

Когда «наклеп», а когда «нагартовка»?

Сущность наклепа металла

Металлы и их сплавы имеют кристаллическую структуру и состоят из большого количества зерен. Эти зерна имеют неправильную форму и различные размеры. В каждом зерне атомы упорядочены, но смежные зерна по-разному ориентированы относительно друг друга. В процессе холодной деформации структура зерен меняется за счет их фрагментации зерен, движения атомов и искажения атомной решетки. Подробнее об этом см. Физическая сущность наклепа.

Когда материал подвергается механическому нагружению, в его кристаллической структуре образуются микроскопические дефекты, которые известны как дислокации. Если нагрузки продолжают увеличиваться, эти дислокации начинают продвигаться и взаимодействовать между собой. Таким образом они образуют новую внутреннюю структуру, которая сопротивляется дальнейшей пластической деформации. Эта структура повышает предел текучести материала, то есть его способность сопротивляться прилагаемым усилиям. При этом пластические свойства материала снижаются. Одним из наиболее известных путей намеренного создания наклепа является холодная формовка деталей и изделий.

Уменьшение плотности металла при наклепе

При наклепе металла его плотность уменьшается. Это происходит потому, что пластическая деформация приводит к нарушению порядка в размещении атомов, увеличение плотности дефектов и образование микропор. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема – объема единицы массы.

Остаточные напряжения при наклепе

Наружный наклёпанный слой стремится расшириться, а внутренние слои его «не пускают» — в нем возникают сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения бывают очень полезными, так как способны замедлять зарождение и рост поверхностных усталостных трещин.

Полезный наклеп

Наклеп может быть желательным и нежелательным, полезным и вредным. Если наклеп металла является полезным, то при его изготовлении стремятся применять операции холодного пластического деформирования: холодную прокатку, волочение, обработку дробью, галтовку, накатку и тому подобное

Это особенно важно для металлов и сплавов, которые не способны упрочнятся термически. К этим материалам относятся низкоуглеродистые стали, некоторые алюминиевые сплавы, а также чистая медь

Когда эти материалы подвергаются сжатию, волочению, гибке или ковке, то напряжения, которые при этом возникают, приводят к возникновению в кристаллической структуре дислокаций, которые упрочняют металл. В этом случае применяют оба термина: и наклеп, и нагартовка.

Стандарты о наклепе и нагартовке

Отечественные, еще советские, стандарты – ГОСТы — применяют к полезно «наклепанным» металлическим изделиям, например, листам алюминиевых сплавов только термин «нагартованные» и совершенно не употребляют слова «наклеп» или «наклепанные». Можно видеть это, например, в ГОСТ 21631 на листы из алюминия и алюминиевых сплавов: «листы нагартованные», «листы полунагартованные».

Вредный наклеп

Нежелательный, вредный наклеп возникает, например, когда пластичные и мягкие металлы и сплавы подвергаются механической обработке резанием. Чрезмерно глубокие резы за один проход приводят с большой скоростью могут приводить к возникновению интенсивного наклепа с нежелательным увеличением прочности металла и его охрупчиванию. Это препятствует дальнейшей механической обработке детали, а может привести и к повреждению режущих инструментов. Другим примером вредного наклепа может служить повторяющееся нагружение детали с превышением предела текучести материала. При таком нагружении материал в критических сечениях может быстро наклепываться, терять свою пластичность и разрушаться. В подобных случаях явление деформационного упрочнения называют наклепом, но никогда не называют нагартовкой.

Когда «наклеп», а когда «нагартовка»?

Учитывая выше изложенное, делаем два «смелых», но естественных вывода.

Наклепом называется любое проявление деформационного упрочнения кристаллических материалов – полезное и вредное, умышленное и неумышленное.

Нагартовкойназывается только полезное деформационное упрочнение изделий, которое умышленно применяют к изделиям с целью повышения их прочностных свойств. Иногда, может быть, и не умышленно, но всегда осознанно.

| следующая лекция ==>
Программа мониторинга и оценки окружающей среды Арктики (АМАП) | Составление схемы замещения

Дата добавления: 2015-11-23 ; просмотров: 1678 | Нарушение авторских прав

Наклеп — металл

Изменение полуширины липни Kai I. отношения интенсивностей / ( 310.

Наклеп металла в тонком поверхностном слое, характеризуемый твердостью, не отражает в полной мере глубоких изменений, происходящих в металле, поэтому в области больших давлений проявляется несоответствие между искажен — ностью кристаллической решетки и кристаллитов и твердостью металла.

Наклеп металла не всегда бывает полезным, так как твердый и прочный металл трудно обрабатывать. Для облегчения дальнейшей обработки металла наклеп устраняют путем отжига

В результате отжига прочность и твердость поверхностного слоя металла понижаются, что важно для облегчения дальнейшей обработки металла.

Наклеп металлов в процессе пластической деформации с точки зрения отдельных дислокаций пока не исследован. Многие из современных дислокационных теорий не дают ясного представления о том, например, связано ли упрочнение при пластической деформации в основном с взаимодействием дислокаций или же с нарушениями, которые остаются в плоскостях скольжения на месте передвижения дислокаций. Несмотря на то, что имеющиеся данные по изучению свойств пластически деформированных металлов и сплавов пока не позволяют достаточно полно представить физическую картину процесса упрочнения, все же, по-видимому, относительная роль показателей тонкой кристаллической структуры в процессе упрочнения изменяется в зависимости от способа и стадии упрочнения, а также от свойств материала.

Наклеп металла, получающийся от действия на металл в холодном состоянии растяжения, сжатия, изгиба или удара1, вообще понижает ударную вязкость. Критическая температура хладноломкости наклепанной стали смещается в область более высоких температур.

Наклеп металла в статически напряженном состоянии.

Наклеп металла не всегда бывает полезным, так как твердый и прочный металл трудно обрабатывать. Для облегчения дальнейшей обработки металла наклеп устраняют путем отжига

В результате отжига прочность и твердость поверхностного слоя металла понижаются, что важно для облегчения дальнейшей обработки металла.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Ртах ДО Рк ( см-рис.

Наклеп металла устраняют термообработкой — рекристалли-зационным отжигом, при котором снимается плотность дислокаций и металл восстанавливает свою пластичность и остальные начальные свойства.

Наклеп металла устраняется рекристаллизационным отжигом. При рекристаллизации металл восстанавливает свои свойства, и его можно вновь пластически деформировать.

Наклеп металла устраняют термообработкой ( рекристаллиза-ционным отжигом), при которой металл восстанавливает свою пластичность и остальные начальные свойства.

Изменение не ханических свойств при рекристаллизации меди.| Изменение механических свойств при рекристаллизации алюминия.

Излишний наклеп металла может вызвать образование трещин. Такой металл поэтому не удается исправить ни термической, ни механической обработкой.

Наклеп металла трубы, образующийся при раздаче на прессе, повышает прочность последней, что очень важно при использовании труб в газопроводах.

Сохраняется ли наклеп металла, если пластическая деформация осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации.

Состав и свойства

Процентный химический состав стали Гадфильда таков:

  • Fe — 82%,
  • Mn — 11,5-15%,
  • C — 0,9-1,6%,
  • Si — 0,3-1%,
  • другие составляющие — до 5%.

При таком проценте марганца и углерода сталь имеет аустенитную структуру. Именно она придает металлу повышенную стойкость к износам и склонность к увеличению прочности при нарушении геометрии первоначальной формы в результате удара. Аустенит — это структура металла, определяющая его технические характеристики, которые невозможно получить в другом состоянии, так как при изменении строения изменяются и свойства. Это твердый раствор углерода и легирующих компонентов в железе. Количество углерода и количество марганца в сплаве прямо связаны между собой. При увеличении количества углерода, необходимо увеличивать и содержание марганца. Длительность эксплуатации защитных покрытий, изготовленных из стали Гадфильда (футеровок), зависит именно от количества углерода в металле. Так как марганец — активный металл, то сталь Гадфильда имеет повышенную слабость к коррозии, это существенный недостаток этого сплава.

Упрочнение

Упрочнение при ударной деформации, или нагартовка — это процесс, применяемый для увеличения прочности металла, которое не может быть получено термическим воздействием (закалкой). Эта технология обработки направлена на изменение формы изделия методом холодной ковки, пластической деформации, ввода в металл механической энергии. В результате чего твердость сплава повышается, увеличивается его прочность, но уменьшается пластичность.

А невозможность закалки стали Гадфильда с получением привычного эффекта — упрочнения закаляемой детали – заметил сам изобретатель этого вида металла. При попытке закалить образец выяснилось, что металл стал не тверже, а мягче. Замена сред закалки не помогла, образец оставался мягким. Неожиданным было и то, что новая сталь не поддавалась ни токарной, ни фрезерной обработке. При попытке отковать образец холодным способом, без нагрева, участки, подвергнувшиеся ударам молота, стали твердыми. И чем большее количество ударов они получали, тем тверже становились. Попытка обработать металл напильником также закончилась неудачей. Чем сильнее был нажим напильника, тем сильнее было сопротивление металла, образец становился все более твердым.

Из-за невозможности перепилить прут из стали Гадфильда напильником, она применяется для изготовления тюремных решеток. При попытке перерезания прутка такой решетки, происходит сильный наклеп той части, которая подвергается воздействию. Значительно увеличивается твердость стали, до твердости самого напильника и даже выше. В результате попытка перепилить тюремную решетку обречена на провал.

Дислокации в алюминии

При разливке алюминиевых слитков первичные кристаллы растут из жидкой фазы и литая микроструктура обычно очень грубая. Когда алюминий пластически деформируют, каждое зерно деформируется путем движения линейных дефектов своей кристаллической решетки. Деформация происходит за счет проскальзывания по плоскостям скольжения вдоль направлений сдвига. Эти дефекты называют дислокациями (рисунок 1). Дислокации двигаются по некоторым кристаллографическим плоскостям в кристалле – так называемым «плотно упакованным плоскостям», которые известны как плоскости скольжения. Движение одной дислокации производит единичную сдвиговую деформацию, а объединенное движение сотен тысяч дислокаций — полную деформацию.

В ходе деформации при комнатной температуре число дислокаций возрастает и им становится трудно двигаться сквозь атомную решетку. В этом случае говорят, что алюминий «получил нагартовку», «получил деформационное упрочнение» или даже «наклепался», а такой алюминий или алюминиевый сплав называют нагартованным. Это означает, что для продолжения деформации требуется все большие усилия, а алюминий постепенно теряет пластичность, что, в конечном счете, приведет к образованию в нем трещин и его разрушению.

В это время на атомном уровне происходит следующее. В ходе деформации скольжение дислокаций происходит очень активно и движущиеся дислокации различных плоскостей скольжения начинают взаимодействовать друг с другом, перепутываться между собой и образовывать так называемый «лес» дислокаций. С увеличением плотности дислокаций возрастает предел текучести материала — где-то прямо пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций.

Наклеп и нагартовка: особенности и отличия видов упрочнения металла

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

Нагартованная лента нержавеющая и её особенности

Нагартованная нержавеющая лента представляет собой сортовой металлопрокат, имеющий определенные поперечное сечение и длину, и свернутую в аккуратный рулон. Это облегчает удобное и безопасное хранение, транспортировку и размотку.

Нержавеющая сталь обеспечивает пластичность материала, его устойчивость к влажности (коррозионная стойкость) и даже более агрессивным средам.

Это определяет не только долговечность, но и возможность, например, использования в контакте с пищевыми товарами.

Область применения

Нагартованная нержавеющая лента находит широкое применение в различных отраслях производства: машиностроении, строительстве, изготовлении различных металлических изделий.

В зависимости от геометрии и свойств её можно использовать, как заготовку для различных деталей (хомуты, крепежные изделия, кронштейны, ножи, различные сборные конструкции, емкости для пищи, инструменты и многое другое), так и для упаковки в качестве надежной стяжки.

Нагартованная лента нержавеющая имеет значительно более высокую прочность с определенной потерей пластичности и вязкости. Под нагартовкой понимается пластическая деформация поверхности с помощью механического упрочнения. В результате обработки исходный материал может классифицироваться, как мягкий, полунагартованный, нагартованный и высоконагартованный. Чем степень нагартованности выше, тем больше и прочностные характеристики.

Технологичность

Конкретный вид нагартованной ленты назначается исходя из требований к изделию.

При высоких механических свойства поверхности, резка нержавеющей стали в виде ленты не представляет большой трудности. Небольшая толщина позволяет применять любое типовое оборудование для, например, отрезании части рулона.

Если важно качество, то лучше выбирать нагартованную нержавеющую ленту , выполненную в соответствии с ГОСТ 4986-79, и имеющую сертификат на сталь. Если производитель внушает доверие, то допустимо производство по ТУ

Наиболее распространенными являются нагартованная лента толщина от одной десятой до миллиметра, а ширина от десяти до ста миллиметров.

Сущность наклепа и нагартовки

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:

  • повышается твердость и прочность;
  • снижаются пластичность и ударная вязкость, а также сопротивляемость к деформациям, имеющим противоположный знак;
  • ухудшается устойчивость к коррозии.

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.

Деформационное уплотнение кромки этого затвора произошло в результате эксплуатации, значит – это наклеп

3 Нагартовка – оборудование и технологический процесс

Данный способ упрочнения нашел свое применение в том случае, когда необходимо повысить устойчивость деталей к растрескиванию, а также предотвратить усталость материала. Он часто используется в таких областях, как автомобиле- и авиастроение, в нефтяной и строительной индустриях. Немаловажным в этом вопросе является и качество оборудования, с помощью которого производят наклеп металла. Сегодня выбор установок довольно велик, причем они могут быть как общего назначения, так и созданные для какого-то конкретного ассортимента, например болтов, пружин и т. д. При этом независимо от размеров и вида обработки, процесс полностью автоматизирован, каждая установка позволяет регулировать как количество дроби, так и скорость, с которой она подается.

Как говорилось выше, данное явление может быть желаемым и наоборот. Желательное (полезное) – его называют нагартовкой – в основном применяют, когда нет возможности упрочнить металл путем термической обработки, также тогда находят свое применение операции, осуществляемые путем холодного деформирования. Это накатка, волочение, холодная прокатка, дробеструйная обработка и т. д. В основном нагартовке подвергаются медь, некоторые алюминиевые сплавы и сталь с содержанием углерода менее 0,25 %.

Что же насчет вредного наклепа, так здесь тоже все понятно, он возникает как бы сам собой и является нежелательным результатом какого-либо механического воздействия. Таким образом, проводить дальнейшую обработку металла зачастую становится невозможно, потому что можно повредить как инструмент, так и само изделие. Еще одним поводом для нежелательного упрочнения может служить нагрузка, повторявшаяся несколько раз, и в каждом случае было превышение предела текучести материала. Вследствие чего металл может быть подвержен полному разрушению.

В случае, когда необходимо вернуть образцу первоначальные свойства, производят снятие наклепа. Осуществляется данная процедура путем нагревания металла, так как тогда движение атомов становится более интенсивным, что способствует протеканию процессов, которые возвращают его в более устойчивое состояние. При этом следует иметь в виду, если нагрев относительно невысокий, тогда происходит возврат (снятие микронапряжений второго рода и частичного искажения кристаллической решетки).

Но если температуру и дальше увеличивать, тогда атомы становятся все более и более подвижными, в результате чего появляются новые равноосные зерна. Данное явление носит название рекристаллизационный отжиг. Этот процесс является по своей сути диффузионным, первыми возникают зародыши новых зерен в местах, где плотность дислокаций повышена и сосредоточены наибольшие искажения кристаллической решетки. Далее же происходит рост очагов в результате перехода атомов от проблемных участков. В конце концов деформированные зерна исчезают полностью, а металл состоит из новых, равноосных. Так становится видно, что наклеп и рекристаллизация являются противоположными процессами.

Оксидирование стали в домашних условиях

Повысить прочность металлических изделий и улучшить их декоративные качества можно своими руками. Стоит учитывать, что покрытие будет уступать по качеству защитным слоям, полученным при промышленном процессе.

Подготовительные действия

Перед проведением процедуры необходимо подготовить рабочее место, требуемые препараты и инструменты. Для создания безопасных условий проводятся следующие мероприятия.

  1. Обеспечивается хорошая приточно-вытяжная вентиляция. Над местом проведения работ рекомендуется установить зонд.
  2. Подготавливается рабочая емкость для полного погружения детали.
  3. Изготавливается емкость из стекла, пластика или фаянса. Она необходима для приготовления растворов, нейтрализующих кислоту и щелочь.
  4. Приобретаются защитные средства: резиновые перчатки, респиратор, очки для работы с химреактивами, брезентовые фартук.

Соблюдение правил техники безопасности поможет провести оксидирование без травм, ожогов и убережет от вредного действия паров кислот и щелочей. Приобрести предметы индивидуальной защиты можно в магазинах рабочей одежды.

Щелочное оксидирование

Использование данного метода – самый простой способ нанесения оксидного слоя в домашних условиях. Для обработки изделия массой до 1 килограмма потребуется 100 г каустической соды и 30 г натриевой селитры.

Этапы проведения работ:

  1. В 1 литре воды растворяют 1кг каустика и 300 г селитры. Пропорции меняются в зависимости от требуемого объема реагента.
  2. Обрабатываемую деталь помещают в емкость с приготовленной смесью. В растворе, разогретом до 140⁰С, выдерживают изделие в течение 30 минут.
  3. После завершения процедуры проводят промывку от остатков рабочей смеси.
  4. Очищенную деталь пропитывают машинным маслом и протирают ветошью.

Для выполнения оксидирования можно использовать растворы едкого калия или натрия. Содержание реагента в 1 литре воды должно быть не меньше 700 граммов. Процедура проводится по аналогии.

Равномерный слой оксидной пленки можно получить, если обрабатываемое изделие полностью находится в растворе. Для этого необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости.

Кислотное оксидирование своими руками

Перед началом работ поверхность детали тщательно очищается, с нее удаляются все загрязнения и налет. После очистки проводится обезжиривание с помощью водки, чистого спирта или растворителя.

Поэтапное проведение работ.

  1. Изделие помещают на 1 минуту в емкость с серной кислотой 5% концентрации. По истечении времени деталь промывают в кипяченой воде. Процедуру повторяют 2-3 раза.
  2. Обрабатываемый материал несколько минут кипятят в растворе хозяйственного мыла.
  3. Готовое изделие промывают, сушат и протирают машинным маслом. Его излишки удаляют ветошью.

После правильно выполненного оксидирования металлическая поверхность должна поменять цвет.

При отсутствии серной кислоты можно использовать смесь лимонной и щавелевой кислот. На 1 литр раствора берут по 2 грамма того и другого реагента. Кипячение в нем продолжают 20 минут. Обработанную деталь промывают слабощелочным раствором и пропитывают машинным маслом.

Область применения

Изготавливают из нее части механизмов, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, сердечники для прокатки труб, гусеничные траки, броневые листы, детали дробилок, козырьки землечерпательных машин, все устройства, где требуется особая стойкость к износу при больших давлениях, ударным нагрузкам и истиранию. До 80-х годов из нее изготавливались защитные шлемы для солдат в британской и американской армиях. За двадцатый век их было выпущено порядка 30 миллионов штук. Эти шлемы — лишь один из способов использования стали Гадфильда. В 20-х годах из нее начали изготавливать траки для танков — это та часть гусениц, которая подвергается наибольшему воздействию и истиранию при передвижении тяжелых машин. Изготовленные из этой стали они позволили увеличить пробег техники без ремонта гусениц или их замены почти в 10 раз, с 500 км до 4800 км.

Сталь Гадфильда очень важна, она стала незаменимой в военной промышленности и танкостроении. С течением времени этот вид стали начали применять и в других областях деятельности.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации