SCIAGA TOB MAX FINAL(2).doc

█2. Co rozumiemy pod pojęciem przeróbki plastycznej metali; co stanowi o jej istocie i znaczeniu?

Termin obróbka plastyczna (lub przeróbka plastyczna) odnosi się do szeregu procesów, w czasie, których dochodzi do zmiany kształtu półwyrobu bez zmiany jego masy i składu chemicznego. Do najbardziej charakterystycznych cech procesów obróbki plastycznej należą:

   1. Duża wartość naprężeń koniecznych do kształtowania wyrobów. Naprężenia osiągają wartość od 50 do 2500 MPa w zależności od rodzaju procesu i gatunku kształtowanego materiału.

   2. Możliwość całkowitego przeformowania materiału (duże wartości odkształceń). Wymaga to stosowania urządzeń pozwalających uzyskać dużą wartość nacisków - zatem maszyn wielkogabarytowych, ciężkich i co za tym idzie -drogich. Plastyczne kształtowanie wyrobów odpowiedniej jakości wymaga stosowania maszyn bardzo precyzyjnych. Dlatego też zakłady stosujące procesy obróbki plastycznej muszą mieć odpowiednio wyposażoną narzędziownię.

   3. Zastosowanie procesów tylko do produkcji wielkoseryjnej ze względu na duży koszt maszyn i urządzeń do obróbki plastycznej. Jeżeli jest spełniony ten warunek, to można w pełni wyeksponować zalety obróbki plastycznej jako techniki wytwarzania:

a) dużą wydajność (krótki czas produkcji),

b) wysoką dokładność, wąski zakres tolerancji wymiarów i kształtu,

c) dobre właściwości mechaniczne wykonanych części.

      Wyroby wykonywane z zastosowaniem procesów obróbki plastycznej są często stosowane - wyróżnia się następujące grupy tychże wyrobów:

-1. Części pojazdów mechanicznych, maszyn i urządzeń precyzyjnych.

-2. Narzędzia ręczne, takie jak młotki, klucze, pilniki, narzędzia chirurgiczne.

-3. Części łączne i mocujące.

-4. Różnego typu naczynia i pojemniki.

-5. Części konstrukcyjne stosowane w budownictwie, drogownictwie i górnictwie.

-6. Części wyposażenia mieszkań i części dekoracyjne.

Wymienione typy wyrobów są wykonywane z różnego rodzaju materiałów metalowych - począwszy od różnych gatunków stali, poprzez stopy metali nieżelaznych, aż do najnowocześniejszych materiałów kompozytowych.

Celem większości procesów obróbki plastycznej jest nadanie materiałowi wyjściowemu żądanego kształtu, a więc wywołanie odpowiednich odkształceń plastycznych materiału bez naruszenia jego spójności. Uzyskanie żądanych odkształceń jest możliwe tylko wówczas, gdy materiał zostanie poddany działaniu naprężeń określonej wartości. Dlatego też do opracowania procesów obróbki plastycznej jest niezbędna znajomość związków między naprężeniami a odkształceniami plastycznymi.

Właściwości wyrobu z określonego gatunku materiału kształtowanego metodami obróbki plastycznej zależą od sposobu kształtowania i warunków prowadzenia procesu. Do warunków tych należy przede wszystkim zaliczyć temperaturę kształtowania, wartość odkształcenia i prędkość odkształcenia oraz stan

wyjściowy materiału.

Technologia obróbki plastycznej stwarza szczególnie duże możliwości wpływania na właściwości użytkowe. Odpowiedni dobór operacji obróbki plastycznej i ewentualnie obróbki cieplnej oraz cieplno-chemicznej pozwala uzyskać pożądany rozkład umocnienia, korzystny układ naprężeń własnych, właściwy przebieg włóknistych zanieczyszczeń.

Granica plastyczności odkształcanego materiału w dostatecznie niskiej temperaturze wzrasta w sposób ciągły w miarę zwiększającego się odkształcenia. Zwiększenie temperatury odkształcenia do temperatury rekrystalizacji lub wyższej, umożliwiającej wystąpienie procesów odnowy struktury, powoduje wielokrotne zmniejszenie oporu plastycznego materiału oraz eliminuje umocnienie półwyrobów. Stąd też przyjęto podział obróbki plastycznej na tzw. obróbkę na zimno i na gorąco. Obróbką plastyczną na gorąco nazywa się kształtowanie materiału w temperaturze równej temperaturze rekrystalizacji lub wyższej od niej. Procesy kształtowania przebiegające w temperaturze niższej są zaliczane do obróbki plastycznej na zimno.

W celu wyeliminowania takich wad obróbki plastycznej na gorąco jak intensywne utlenianie powierzchni półwyrobów i mała dokładność wymiarowa, z jednoczesnym zachowaniem możliwie małych oporów plastycznego kształtowania w porównaniu z wytrzymałością narzędzi, wprowadzono tzw. obróbką plastyczną na pół gorąco.

█3.Umowny i rzeczywisty wykres rozciągania

Rysunek 2.1 przedstawia zarejestrowaną w czasie próby rozciągania zmianę siły rozciągającej oraz wydłużenie próbki. Krzywa rozciągania jest więc wykreślana w układzie współrzędnych (AL, F). Jak widać z tego wykresu, po przekroczeniu granicy plastyczności siła rozciągająca wzrasta nadal mimo zmniejszania się przekroju próbki, czego powodem jest szybki wzrost umocnienia metalu. Po przekroczeniu wartości siły odpowiadającej wytrzymałości na rozciąganie dalszy wzrost umocnienia nic kompensuje już spadku siły związanego z malejącym przekrojem próbki. Ponieważ miernikiem własności wytrzymałościowych materiału nie jest siła, lecz naprężenie, wykres rozciągania przedstawiany jest często w układzie osi (e, a), gdzie a oznacza naprężenie, a E - wydłużenie względne (procentowe) (rys. 2.4). Taki wykres rozciągania nazywany jest umownym (krzywa l na rysunku), a naprężenie liczone jest wg zależności]

gdzie S0 jest początkową powierzchnią przekroju poprzecznego próbki.

Przedstawiane na takim wykresie wartości naprężeń nie uwzględniają faktu, że w zakresie odkształceń plastycznych następuje zmniejszenie pola przekroju poprzecznego próbki i tworzenie się szyjki. Naprężenie rzeczywiste σrz,- w rozciąganej próbce określa się z zależności

gdzie S jest chwilową powierzchnią przekroju poprzecznego próbki. Wartości tych naprężeń rzeczywistych są większe przy tym samym wydłużeniu próbki, niż te obliczane dla pierwotnego pola przekroju.

Jak widać z rysunku 2.4 naprężenia w czasie rozciągania próbki rosną stale w miarę wzrostu odkształcenia (krzywa 2). Wartość naprężenia rzeczywistego powyżej granicy plastyczności, a poniżej wytrzymałości na rozciąganie, z uwzględnieniem prędkości odkształcenia i umocnienia, nazywana jest naprężeniem uplastyczniającym σp. Związek pomiędzy naprężeniem uplastyczniającym a odkształceniem, czyli krzywa umocnienia danego metalu pozwala wyznaczać wartości odkształceń odpowiadające określonemu stanowi naprężenia lub odwrotnie. Do wykonania krzywych umocnienia metali odkształcanych na zimno wykorzystuje się próbę rozciągania. Wykresy rozciągania sporządzane są w ten sposób, że na osi rzędnych nanosi się rzeczywistą wartość naprężeń wzdłużnych, która dla zakresu plastycznego odpowiada naprężeniu uplastyczniającemu, natomiast na osi odciętych nanoszona jest wartość odkształcenia plastycznego wyrażonego w mierze logarytmicznej ln(L/Lo).

Rys. 2.4. Wykresy rozciągania stali niskowęglowej: umowny (krzywa 1) i rzeczywisty (krzywa 2) [701

Istnieje wiele metod analitycznego przedstawiania krzywych umocnienia materiału [70]. Jedną z nich jest zastosowanie wyrażenia potęgowego - wzoru Ludwika

Rys. 2.5. Krzywa zależności między odkształceniem i naprężeniem określona wzorem potęgowym [70]

W powyższym równaniu k i m są to stałe charakteryzujące dany materiał, które wyznacza się w punkcie najlepszej zgodności tego wzoru z krzywą umocnienia. Jeżeli B przedstawia całkowite odkształcenie, to krzywa powinna przejść przez punkt odpowiadający naprężeniu uplastyczniającemu i przynależne mu odkształcenie. W tym przypadku równanie 2.11 powinno być stosowane jedynie w obszarze umocnienia (rys. 2.5). Wyrażenie potęgowe stosuje się najczęściej jedynie do przedstawienia plastycznej części odkształcenia, zwłaszcza gdy materiał nie wykazuje wyraźnej granicy plastyczności. We wzorze 2.11 stałe k i m mają konkretny sens fizyczny: k oznacza wartość naprężenia uplastyczniającego ekstrapolowaną przy odkształceniu logarytmicznym równym l; m – jest natomiast wykładnikiem umocnienia i jest to maksymalna wielkość odkształcenia rzeczywistego, do którego w czasie próby rozciągania próbka odkształca się równomiernie na całej długości bazy pomiarowej, czyli jest to odkształcenie przy którym pojawia się szyjka. Wartości tych stałych dla wielu stali i metali nieżelaznych zostały obliczone [70],

█4..Znaczenie normalizacji warunków przeprowadzania statycznej próby rozciągania i zawartość polskiej normy

Podstawową próbą w badaniach materiałów, a zwłaszcza metali jest statyczna próba rozciągania. Wyznaczone w próbie własności mechaniczne umożliwiają odbiór techniczny metali i stopów, pozwalają na porównanie i klasyfikacją według przewidywanych zastosowań oraz ocenę skuteczności przeprowadzonych procesów technologicznych. Wyniki badań własności mechanicznych są wykorzystywane również przez konstruktorów w procesie projektowania elementów konstrukcyjnych. Zaletą tej próby jest między innymi to, że w prosty sposób pozwala określić szereg parametrów, które dzięki stosowaniu próbek znormalizowanych, można porównywać. Próbę wykorzystuje się również do badania własności mechanicznych i reakcji na obciążenie gotowych elementów konstrukcyjnych takich jak liny, druty, łańcuchy czy elementy złączne.

Próba polega na wolnym rozciąganiu próbki materiału na maszynie wytrzymałościowej, na ogół aż do rozerwania.

Jeżeli nie ustalono inaczej próbę należy prowadzić w temperaturze otoczenia od 10 oC do 35oC. Przy zaostrzonych wymaganiach próbę przeprowadza się w temperaturze 23±5 oC. Próbki powinny być zamocowane w odpowiednich uchwytach tak aby zapewnić osiowe działanie siły. Szczegółowe wytyczne dotyczące przeprowadzania próby rozciągania podaje norma PN-CN 10002-1+AC1:1998 [81].

  Próbki do badań

Kształt i wymiary próbek zależą od kształtu i wymiarów wyrobów metalowych, których własności mają być określone. Próbkę zwykle wykonuje się z wyrobu lub półwyrobu poprzez obróbkę mechaniczną, prasowanie albo odlewanie. Wyroby o niezmiennym przekroju poprzecznym (profile, pręty, druty itp.) jak i próbki odlane (np. z żeliwa i metali nieżelaznych} mogą być badane bez obróbki mechanicznej. Przekrój poprzeczny próbki powinien być okrągły, kwadratowy, prostokątny lub pierścieniowy. W szczególnych przypadkach dopuszczalny jest jednak inny kształt przekroju poprzecznego.

Próbki dla których początkowa długość pomiarowa L0 jest związana z początkową powierzchnią przekroju poprzecznego S0 i obliczona na podstawie równania

określa sit; jako proporcjonalne. Przyjęto, że międzynarodowa wartość k wynosi 5,65.

Jeżeli przekroje poprzeczne próbek zmieniają się, powinny one mieć łagodne przejścia między długością roboczą, a główkami, Kształt główek próbki może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszyny wytrzymałościowej (szczękowych bądź pierścieniowych).

Próbka o przekroju okrągłym z główkami do uchwytów szczękowych

Próbki z różnych materiałów powinny być pobrane i wykonane zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm. Normy te podają również zalecane wymiary i tolerancje wymiarowe próbek.

2.3. Wykres rozciągania - punkty charakterystyczne

W czasie próby rozciągania dokonuje się rejestracji siły oraz wydłużenia próbki. W praktyce wykonuje się to poprzez wykreślenie krzywoliniowej zależności w układzie współrzędnych siła F wydłużenie ΔL (rys. 2.2).

Spośród własności mechanicznych wyodrębnić można dwie grupy. Pierwsza, to własności wytrzymałościowe będące reakcją materiału na przyłożoną silę, których miernikiem jest naprężenie. Druga grupa to własności plastyczne określane w oparciu o zmianę wymiarów odkształcanej próbki.

Na podstawie punktów charakterystycznych wykresu rozciągania oraz stosownych pomiarów próbki przed i po próbie rozciągania, zgodnie z normą dokonuje się wyznaczenia własności mechanicznych (wytrzymałościowych i plastycznych) badanego materiału [81]:

Wykresy rozciągania stali z wyraźną granicą plastyczności (a) i bez wyraźnej granicy plastyczności (b)[60]

█6. Miary odkształceń w procesie odkształcenia plastycznego. Warunek zachowania stałej objętości.

W procesach obróbki plastycznej występują na ogół duże odkształcenia i w takich przypadkach wymiary odkształcanego elementu znacznie się zmieniają. Wobec tego celowe jest odnoszenie odkształcenia dokonanego w ciągu krótkiego czasu do wymiaru elementu w danej chwili. Całkowite odkształcenie określimy jako całkę nieskończenie małych przyrostów odkształceń. Rozpatrzmy proces spęczania próbki od początkowej wysokości ho do końcowej h1(rys. 3.1). Załóżmy, że w dowolnym momencie wysokość próbki wynosi h, a nieskończenie małe zmniejszenie wysokości dh; wtedy nieskończenie małe odkształcenie dcp = dh/h. Całkowite odkształcenie od h0 do h, jest równe:

Schemat spęczania próbki

Zakładając, że początkowe wymiary próbki wynosiły h0, b0,l0, końcowe zaś h1i, b1, l1, można w analogiczny sposób określić odkształcenia w kierunku szerokości i długości δ b   oraz δl Odkształcenia: δl    δ b   δh  noszą nazwę rzeczywistych lub logarytmicznych.

Stosunki wymiarów odkształconego elementu do odpowiednich wymiarów elementu przed odkształceniem nazywamy współczynnikami:

• γ - współczynnik gniotu,

• β - współczynnik poszerzenia,

• λ - współczynnik wydłużenia.

Współczynniki te określają zasadę stałej objętości, którą w najprostszy sposób wyrażamy następująco:

V0 = V1

b0 · h0 · l0 = b1 · h1 · l1

Jednym z podstawowych założeń teorii plastyczności jest zasada stałej objętości, którą można zapisać za pomocą odkształceń rzeczywistych:

δl  +  δ b +  δh  = 0

Odkształcenie względne:

εh + εb + εl = 0

Miary odkształcenia plastycznego pasma poddanego walcowaniu

█7. Wpływ obróbki plastycznej na zimno na własności mechaniczne

Odpowiedni dobór operacji obróbki plastycznej pozwala uzyskać pożądany rozkład umocnienia, korzystny układ naprężeń własnych, właściwy przebieg włóknistych zanieczyszczeń, i w ten sposób można osiągnąć żądane własności ubytkowe. Obróbka plastyczna na zimno powoduje, że przy wtórnym obciążeniu występującym w warunkach pracy materiału, wyrób wykazuje znacznie wyższą granice plastyczności niż przed obróbką. Dla materiałów wyżarzonych umocnienie najsilniej występuje na początku odkształcenia plastycznego. Podczas obróbki plastycznej na zimno powstaje w ukształtowanym przedmiocie pole naprężeń własnych. Są to naprężenia pozostające w odkształconym materiale po zdjęciu obciążenia zewnętrznego, a więc naprężenia równoważące się.

Pojęciem umocnienia określa się przyrost plastycznego oporu odkształconego materiału przejawiający się przede wszystkim we wzroście granicy plastyczności Re. Najistotniejszą ze zmian własności umocnionego metalu jest wzrost granicy plastyczności. Wzrost naprężenia uplastyczniającego wpływa bezpośrednio na

zwiększenie naprężeń i nacisków w procesach technologicznych. W procesach przeróbki  plastycznej  przez granicę plastyczności  określa  się naprężenia rzeczywiste uzyskane w próbie jednoosiowego naprężenia (ściskanie, rozciąganie) warunkujące powstanie odkształceń trwałych.

Wyznaczanie   granicy   plastyczności   w   próbie   rozciągania   jest   sposobem najprostszym zabezpieczającym czysty jednoosiowy stan naprężenia bez wpływu sił tarcia. Pozwala na określenie naprężeń, wskutek stosunkowo wczesnej utraty spójności, w wąskim zakresie odkształceń, wielokrotnie niższym od uzyskiwanych w innych stanach naprężenia.

Krzywa umocnienia jest to zależność naprężenia umacniającego od odkształcenia pozyskanego pozyskanego próbie jednoosiowego rozciągania w szerokim zakresie odkształceń.

Umacnianie się materiału pod wpływem odkształceń plastycznych na zimno można opisać za pomocą przybliżonego równania krzywej  umocnienia. W zastosowaniach praktycznych najczęściej spotyka się dwa rodzaje równań: 

- dla materiałów wyżarzonych,

- dla materiałów wstępnie odkształconych, gdzie:

n - wykładnik umocnienia,

C - współczynnik umocnienia,

φ0- odkształcenie wstępne.

█8. Porównaj wydłuzenie metalu w procesie kucia swobodniego, walcowania i wyciskania.

Kucie swobodne:

V0 = V1

b0 · h0 · l0 = b1 · h1 · l1

-współczynnik wydłużenia-współczynnik poszerzenia- współczynnik gniotu

...