Часть 1. Термопластические технологии в машиностроении и поведение конструкционных материалов в условиях горячей пластической деформации

В материаловедении и металлургии технологические процессы, основанные на использовании одного из основных свойств материалов – пластичности, объединены одним термином: «Обработка металлов давлением» (ОМД). Практическое и смысловое содержание ОМД состоит в изменении формы объекта путем его пластической деформации с возможным участием термического воздействия.

Пластичность – способность тела необратимо изменять свою форму без разрушения. В этом состоит необходимое условие ОМД в холодном или горячем состоянии материала.

Количественно пластичность оценивают по данным испытаний образцов в условиях одноосного растяжения или сжатия и результатам вычисления предельной степени деформации, при которой появляются признаки разрушения (трещины). Нетрудно заметить, что в условиях сжатия заготовка пластически деформируется неоднородно (рис.2).

Рис. 2. Схема пластической деформации (осадки) цилиндрической заготовки в условиях одноосного сжатия.

Неоднородность деформации с одной стороны оказывает сильное влияние на технологические свойства (штампуемость, обрабатываемость), а с другой стороны во многом определяет эксплуатационные свойства материала в изделии, что затрудняет правильный прогноз поведения материала.

При сжатии цилиндрической заготовки предельную деформацию ε (%) вычисляют по формуле:

где Н₀ и Н — высота заготовки «до» и «после» пластической деформации без трещин.

Свойством пластичности обладают стали, цветные металлы и сплавы на их основе, пластмассы, резины, керамические материалы и др. В изготовлении продукции методом ОМД используется до 90 % выплавляемой стали. Чугуны, будучи хрупкими сплавами, не могут пластически деформироваться и не подвергаются обработке давлением. К достоинствам методов ОМД следует отнести:

- высокую производительность и удовлетворительное качество изготавливаемых изделий;

- меньшие производственные отходы металла в сравнении с обработкой резанием;

- удовлетворительный комплекс структурно-механических свойств.

Методом ОМД обрабатывают заготовки и изготавливают изделия массой от нескольких граммов до сотен тонн. В судостроении и энергомашиностроении в зависимости от назначения продукции термопластическую обработку сталей и сплавов производят разными способами.

Определения и способы термопластической формовки металлических материалов

Полуфабрикаты (как правило, слитки) сталей и сплавов, которые применяются в энергомашиностроении и судостроении, в настоящее время обрабатываются в разных вариантах термопластической обработки. Например, для получения заготовок, имеющих «приближенные» формы и размеры необходимых деталей и требующих обработку резанием для придания им окончательных размеров с поверхностью заданного качества, основными операциями являются ковка и штамповка. Для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, листов, лент, проволоки) используют прессование, прокатку (рис.3).

Рис.3 Наиболее распространенные способы термопластической обработки сталей и сплавов с помощью давления Р.

Ко́вка —высокотемпературная обработка, как чистых металлов, так и сплавов на основе железа, меди, титана, алюминия и др., нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических и химических свойств (табл.1). Без нагрева ковка не производится. Пластическая деформация без нагрева рассматривается как просто гнутый металл.

Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей, вес которых может достигать нескольких десятков тонн. Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют «поковка».

Штамповка – производственный метод массового изготовления продукции путем пластической деформации заготовки с помощью штампа заданной или требуемой формы.

Прессование – процесс ОМД, в котором разогретая до высокой температуры заготовка, помещенная в замкнутую прочную форму, выдавливается из нее сквозь одно или несколько отверстий. Форма и размеры поперечного сечения выдавленной части заготовки соответствуют форме и размерам отверстий.

Таблица 1