Wstęp

Nadawanie przedmiotom pożądanych kształtów poprzez odpowiednio skierowane naciski przenoszone przez specjalne narzędzia, to znane już od dawna sposoby wytwarzania, zwłaszcza przedmiotów metalowych.

Naciski te muszą być na tyle duże, aby pokonać granice plastyczności materiałów.

Kształtowanie plastyczne znalazło szerokie zastosowanie w produkcji przemysło­wej, głównie do formowania wyrobów metalowych.

Podczas tych procesów następuje, prócz zmiany kształtu, również zmiana struktu­ry materiału (np. podczas gorącego walcowania czy kucia następuje ujednorodnienie i rozdrobnienie struktury metali) oraz zmiana własności mechanicznych na skutek zmiany stopnia umocnienia.

Poprzez dobór warunków odkształcenia (naciski jednostkowe, prędkość odkształ­cania, temperatura itp.) można uzyskać wyroby o wymaganych własnościach mecha­nicznych.

Podstawowe zalety kształtowania plastycznego są następujące: ilość odpadów materiałów jest minimalna; narzędzia stosowane w tej obróbce są trwałe i zwykle jest możliwe wielokrotne ich użycie; istnieje możliwość uzyskiwania wyrobów o kształ­tach trudnych do wytworzenia w inny sposób.

Wadami tych procesów obróbki są wysokie koszty urządzeń produkcyjnych oraz długie okresy uruchamiania nowej produkcji.

Poszczególne sposoby kształtowania plastycznego metali wymagają stosowania określonego rodzaju materiałów wsadowych. Odpowiednie ich przetworzenie nadaje im pożądany kształt. Proces przekształcania powinien przebiegać zgodnie z pewną ustaloną technologią i określonymi warunkami charakterystycznymi dla poszczegól­nych rodzajów wyrobów.

W poszczególnych procesach technologicznych wykorzystuje się określone urzą­dzenia i narzędzia.

Z powyższego wynika proponowany układ tematyczny w dalszych częściach tego rozdziału. Dla poszczególnych rodzajów procesów obróbki plastycznej opisano ro­dzaje wsadu i wyrobu, następnie technologię procesu, a na koniec typowe urządzenia i narzędzia.

Aby łatwiej zrozumieć poszczególne sposoby kształtowania plastycznego metali należy zapoznać się z mechanizmem tego odkształcenia.

Mechanizm plastycznego odkształcenia metali

Wszystkie metale mają budowę krystaliczne. Podstawową cechą stanu krystalicz­nego jest uporządkowane rozmieszczenie atomów w przestrzeni. Atomy leżące w jednej płaszczyźnie tworzą tzw. płaszczyznę krystalograficzną. Kilka płaszczyzn ułożonych równolegle do siebie tworzy sieć krystalograficzną.

Plastyczne odkształcenie monokryształów, wywołane obciążeniem zewnętrznym, może odbywać się przez poślizg lub bliźniakowanie.

Poślizg jest to przesunięcie się jednej części monokryształu względem drugiej jego części. Następuje ono kolejno na płaszczyznach poślizgu, które są najbardziej sprzy-jająco zorientowane względem kierunku działania siły zewnętrznej i w których mak­symalne naprężenie styczne stopniowo wzrasta do wartości krytycznej (rys. 3.1)

Bliźniakowanie polega na tym, że część kryształu zmienia w sposób symetryczny orientację w stosunku do pozostałej części tworząc jej zwierciadlane odbicie. Płasz­czyzny symetrii nazywa się płaszczyznami bliźniakowania (rys. 3.2).

Bliźniakowanie zachodzi po osiągnięciu wartości krytycznej naprężenia stycznego i podobnie jak poślizg odbywa się tylko w pewnych płaszczyznach krystalograficz­nych.

Podczas bliźniakowania przemieszczenie się atomów na każdej płaszczyźnie koń­czy się po przesunięciu ich o część odległości międzyatomowej, więc bliźniakowanie nie powoduje znacznego odkształcenia plastycznego. Dlatego też kryształy, które odkształcają się głównie przez bliźniakowanie (bizmut, antymon) mają bardzo małą zdolność do odkształceń plastycznych.

Teoretyczne wyliczenia naprężeń stycznych, które powinny wywołać przemiesz­czenie w kryształach metali wzdłuż płaszczyzny poślizgu wykazują, że naprężenia powinny być o wiele większe niż ma to miejsce w rzeczywistości.

Wyjaśnienie tego zjawiska jest możliwe w ten sposób, że niekoniecznie musi następować poślizg całych warstw atomów względem siebie, a może następować przemieszczenie się warstw na skutek kolejnych przeskoków pojedynczych atomów.

Przeskoki atomów w sieci krystalicznej są najłatwiejsze w miejscach defektów tej sieci. Defekty te nazwano dyslokacjami. Istnieją dwa podstawowe typy dyslokacji: krawędziowa i śrubowa.

Dyslokacja krawędziowa. Jeśli założyć, że kryształ o doskonałej budowie zosta­nie przecięty wzdłuż określonej płaszczyzny atomowej na pewną głębokość, a nas­tępnie w rozcięcie dodatkowo wstawi się płaszczyznę (tzw. ekstra płaszczyznę), to krawędź tej płaszczyzny stanowi dyslokację krawędziową (rys. 3.3).

Płaszczyzna p-p na rysunku 3.3 nosi nazwę płaszczyzny poślizgu i wzdłuż niej następuje przemieszczenie dyslokacji.

Aby nastąpiło przemieszczenie się obu części kryształu względem siebie wystarczy przesunięcie się dyslokacji względem płaszczyzny p-p. Kolejne powtarzanie tego procesu zapewnia ruch dyslokacji, a tym samym powstawanie odkształcenia plastycznego przy stosunkowo małych naprężeniach.

Dyslokacja śrubowa powstaje wówczas, gdy wszystkie atomy na części płaszczyzny poślizgu zostaną przesunięte o jedną odległość atomową w tym samym kierunku, równolegle do osi AB zwanej linią dyslokacji śrubowej (rys. 3.4).

Miarą wielkości dyslokacji i związanych z nią odkształceń sieci jest wektor Burgersa oznaczony symbolem b. Sposób określenia wektora Burgersa dla dyslokacji krawędziowej pokazano na rysunku 3.5a, a dla dyslokacji śrubowej na rysunku 3.5b.

Oprócz dyslokacji krawędziowych i śrubowych mogą występować również dyslo­kacje mieszane, w których kierunek przesunięcia atomów nie jest ani równoległy do linii dyslokacji, ani prostopadły.

Można je rozpatrywać jako nałożone na siebie dyslokacje krawędziowe i śrubowe.

Dyslokacje tworzą się już w czasie krystalizacji metali. W zakrzepłym metalu gęstość dyslokacji jest rzędu 10
—10
na l cm
powierzchni kryształu. Po silnym odkształceniu plastycznym gęstość dyslokacji wzrasta do l O
—l O
na cm
. Oznacza to, że podczas odkształcenia plastycznego metalu muszą tworzyć się nowe dysloka­cje.

Najbardziej znanym mechanizmem mnożenia dyslokacji jest tzw. źródło Franka-Reada. Rozmnażanie się dyslokacji wg tego mechanizmu przedstawiono na rysunku 3.6.

Rys. 3.6. Rozmnażanie dyslokacji wg mechanizmu źródła Franka-Reada

Dana dyslokacja znajdująca się w płaszczyźnie poślizgu jest zakotwiczona w pun­ktach A i B, odległych o L (rys. 3.6 a), przy czym na dyslokację tę działa stale odpowiednio duże naprężenie t. Pod wpływem tego naprężenia linia dyslokacji AB wygina się włuk (rys. 3.6 b), a następnie tworzy dwie spirale (rys. 3.6 c). Trwa to do zetknięcia się obu spirali w punkcie C (rys. 3.6 d).

W tym punkcie obie stykające się części dyslokacji dzielą się na dwie części: zewnętrzną, tworząca krąg zamknięty i wewnętrzna, umieszczoną pomiędzy pierwot­nymi punktami zaczepienia A i B.

Podział występuje w wyniku tego, że stykające się w punkcie C części dyslokacji maja przeciwne orientacje śrubowe i znoszę się.

Zewnętrzna linia dyslokacji rozprzestrzenia się pod wpływem zewnętrznego nap­rężenia stycznego, a linia dyslokacji wewnętrznej daje początek nowej pętli dysloka­cji.

Źródło Franka-Reada może teoretycznie wytworzyć dowolną liczbę dyslokacji. Praktycznie wydłużające się linie dyslokacji napotykają pewne przeszkody, jakimi są inne efekty strukturalne. Ich rozwój jest wówczas możliwy pod wpływem większej siły ścinającej.

Na podstawie przedstawionych mechanizmów można by przypuszczać, że im więcej w metalu swobodnych dyslokacji, tym większa możliwość odkształcenia plastycznego. Tak jednak nie jest, gdyż nadmierna liczba swobodnych dyslokacji powoduje, że mogą one sobie wzajemnie przeszkadzać.

Wartość graniczna gęstości dyslokacji, dla której naprężenia uplastyczniające są najmniejsze nazywa się krytyczny gęstością dyslokacji
(rys. 3.7).

Na wielkość naprężenia uplastyczniającego (
) ma wpływ również wielkość ziaren.

Odpowiednia zależność jest następująca:

gdzie:
,
— stałe odnoszące się do danego materiału i warunków odkształcenia,

d — średni wymiar ziarna.

Wzrost naprężenia uplastyczniającego wywołany odkształceniem to umocnienia. Umocnienie wiąże się z powstawaniem przeszkód na drodze dyslokacji znajdujących się na różnych płaszczyznach poślizgu spotykających się na ich przecięciu. Przeszko­dami są również granice ziarn.

Odkształcenie plastyczne metali na zimno zwiększa granice proporcjonalności, sprężystości, plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. Wzrasta również twar­dość metali. Zespół zmian mechanicznych i fizykochemicznych (zmiana oporu elek­trycznego, odporność na korozję, przewodnictwa cieplnego itp.) zachodzących w od­kształconym na zimno metalu nosi nazwę zgniotu.

Podgrzanie umocnionego metalu do pewnej temperatury usuwa skutki umocnie­nia. Proces ten nazywa się zdrowieniem i rekrystalizacją.

Jeśli proces odkształcenia metalu jest prowadzony w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, to prędkość procesu umocnienia jest większa niż równo­cześnie przebiegającej rekrystalizacji; gdy temperatura jest wyższa od granicznej wówczas przeważa rekrystalizacja.

W pierwszym przypadku jest to odkształcenie metalu na zimno, w drugim — na gorąco.

Z dokładniejszej analizy wynika, że znaczenie ma nie tylko temperatura odkształcenia ale również prędkość i stopień odkształcenia i warunki chłodzenia po odkształceniu.

Umocnienie materiału podczas odkształcenia prowadzi do wzrostu naprężeń w materiale, które po przekroczeniu wartości granicznych mogą spowodować znśz-czenie materiału.

Kształtowanie plastyczne materiału następuje w wyniku oddziaływania złożonego stanu naprężeń. Nie ma dotychczas ogólnej teorii wiążącej stan plastyczny materiału ze stanem naprężeń.

Próbą takiego rozwiązania dającą dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi jest wykres stanu mechanicznego wg Pełczyńskiego (rys. 3.8). Współrzędne tego wykresu to:

- intensywność naprężeń,

- naprężenie średnie (hydrostatyczne).

gdzie:
- — naprężenie główne działające w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach.

Zgodnie z tym wykresem zachowanie materiału podczas odkształcenia zależy od wzajemnego położenia prostych:

— przechodzących przez punkt R, wyznaczający stany naprężeń wywołujących złom kruchy,

— prostej
— określającej naprężenie równe granicy plastyczności materiału,

— prostej
— określającej naprężenie wywołujące złom plastyczny,

— prostych wychodzących z początku układu, reprezentujących stany naprężeń w danym procesie kształtowania.

Dla danego materiału charakterystyczne jest położenie punktu R, który można traktować jako granicę naprężeń wywołujących złom kruchy. Na tej podstawie można zbudować krzywą ABCDE reprezentującą charakterystyczny dla danego materiału stan naprężeń.

Kolejnymi charakteryzującymi dany materiał czynnikami jest jego granica plas­tyczności o,, oraz wartość naprężeń t, powodujących powstanie złomu plastycznego.

Możliwe są trzy różne przypadki:

1. Materiał pod wpływem przyłożonego stanu naprężeń osiągnie wcześniej krzy­wą ABCDE niż naprężenie
. Skutek: nastąpi złom kruchy, bez wcześniejszego odkształcenia plastycznego.

2. Najpierw zostanie osiągnięte naprężenie
, a potem naprężenie określone linią ABCDE. Skutek: wpierw odkształcenie plastyczne, potem złom kruchy.

3. Stany naprężeń
i
zostaną osiągnięte przed naprężeniem ABCDE. Skutek: nastąpi odkształcenie plastyczne, potem złom plastyczny.

Jeśli materiał o wykresie stanu mechanicznego z rysunku 3.8 poddany prostemu rozciąganiu
,
, wówczas otrzymamy:
,
oraz
.

Zwiększając obciążenie wzdłuż prostej
nastąpi w punkcie B powstanie złomu kruchego, ponieważ punkt ten leży poniżej prostej
.

Gdy materiał ten poddamy prostemu ściskaniu
,
, to postępując podobnie otrzymamy
.

Zwiększając naprężenie wzdłuż tej prostej, materiał będzie się plastycznie odkształcał po przekroczeniu granicy
, aby ulec złomowi plastycznemu po osiągnięciu granicy
.

Z wy kresu (rys. 3.8) wynika, że im stany naprężeń w dany m procesie kształtowania przebiegają wzdłuż prostej bardziej odchylonej w lewo od osi
tym mniejsze niebezpieczeństwo powstania złomu. Przejście materiału w stan plastyczny zależy wiec od wartości kata
, którego funkcje nazywamy zdolnością zgniatania:

Rys. 3.9. Stany naprężeń występujące w podstawowych procesach kształtowania plastycznego na tle wykresu stanu mechanicznego wg Pełczyńskiego: l — jednoosiowe rozciąganie, 2 — skręcanie i czyste ścinanie, 3 — - jednoosiowe ściskanie, 4 — dwuosiowe równomierne rozciąganie, 5 — dwuosiowe równomierne ściskanie, 6 — dwuosiowe nierównomierne ściskanie, 7 — trójosiowe ściskanie

Zwiększanie zdolności zgniatania uzyskuje się poprzez zwiększenie naprężeń ściskających w danym procesie odkształcania.

Stany naprężeń występujące w różnych procesach kształtowania plastycznego przedstawiono aa rysunku 3.9.

Z powyższego wynika, że wyciskanie jest procesem, w którym niebezpieczeństwo powstania domu jest znikome i dlatego można w ten sposób kształtować materiały, które powszechnie uważa się za kruche.

3.1.2. Klasyfikacja procesów kształtowania plastycznego

Procesy kształtowania plastycznego klasyfikowane wg schematu stanu naprężenia opisują wykresy na rysunku 3.9.

Klasyfikacja wg sposobów wywierania nacisku prowadzi do podziału na walcowa­nie, wyciskanie ciągnienie, tłoczenie i kucie.

Klasyfikacja ze względu na zmianę kształtu ciała została przedstawiona na rysunku 3.10.

Ukośnokątny układ osi współrzędnych na rysunku 3.10 odpowiada zmianom średnicy, wysokości i długości materiału.

Rysunek umożliwia dokonanie wyboru rodzaju procesu obróbki plastycznej. Pro­cesy te zostały opisane w następnych punktach.

Rys. 3.10. Klasyfikacja procesów wg zmiany postaci ciała przy odkształceniu zbliżonym do jednorodnego:

l —ciągnienie prętów, 2—wyciskanie, 3 —wyciąganie naczynia, 4—wydłużanie walcowaniem, 5 — wydłużanie poprzez kucie swobodne, 6 —kucie pierścienia na trzpieniu, 7 — walcowanie pierścienia, 8 — wybijanie obrzeża otworu, 9 — przeciąganie, 10—zwiększanie średnicy przez walcowanie, 11—wywijanie obrzeża tulei, 12 —próba tłoczności Erichsena, 13—powiększanie średnicy przebijakiem, 14 —spęczanie swobodne, 15 —spęczanie na kuźniarce, 16 —spęczanie końca rury na kuźniarce, 17 — obciskanie obrzeża tulei, 18 — obciskanie szyjki w przedmiocie tłoczonym, 19 —przepychanie tulei przez pierścień, 20 —wyklepywanie blachy na wzorniku, 21 —zawijanie obrzeża na walcach, 22 —przeciąganie rur, 23 — przetłaczanie, 24 —wyoblanie

---