Металлические изделия деформируются под воздействием разных сил, которые возникают со стороны производственного, человеческого и природного фактора. Деформация в зависимости от прилагаемой силы действует на металл снаружи и изнутри. Такие процессы приводят к тому, что сталь сжимается, растягивается, сгибается, скручивается.
Чтобы во время производства исключить деформационные изменения, производители анализируют причины возникновения разрушения металла и предлагают способы, как исключить нежелательные процессы.
В статье рассмотрим вопросы о природе изменений в структуре стальных сплавов, видах деформаций.
Что такое деформация. Природа ее возникновения
Металлическая деталь, заготовка или конструкция может изменить форму и размеры. Чтобы это произошло, изделие сгибают, растягивают, скручивают, сжимают с помощью специальных механических/ручных инструментов, станков, оборудования. Однако добиться изменений можно не только физическим, но и температурным воздействием.
Даже незначительное приложение силы приводит к изменениям в структуре металла. Если деталь растягивать, увеличится межатомное расстояние. При сжатии расстояние между атомами уменьшится.
Во время обработки металла можно кардинально изменить его характеристики. К таким изменениям приводят пластические деформационные процессы. При этом твердость сплава не имеет значения. Превышение предельных нагрузок будет всегда приводить к определенному результату.
Кроме того, у каждого сплава есть свои пределы упругости. Поэтому в производстве всегда учитывают эти показатели. Самой пластичной считается сталь с решетчатой структурой, состоящей из кубических кристаллов.
А вот если сталь подвергается статическому воздействию, изменения в его структуре будут протекать медленно. В этом случае деформационные процессы называют ползучими. Если к статической нагрузке добавляется повышение температуры, деформация будет протекать быстрее.
В производстве крупногабаритных деталей и конструкций, когда предполагается полное изменение кристаллической решетки металла, применяется метод температурной обработки. Это значит, что на сталь будут воздействовать высокой температурой.
Однако к изменениям характеристик металлических деталей приводит и холодная деформация. Технология предполагает воздействие на стальную заготовку температурой, которая не вызывает изменение/разрушение кристаллической решетки. Метод холодного температурного воздействия также приводит к повышению прочности изделия. Но такая технология упрочнения применяется только для металлопродукции малого сечения — проволоки.
Металл может изменяться и естественным способом, без антропогенного или производственного воздействия. В природе на стальные изделия воздействует много факторов, которые не зависят от человека.
Что такое упругая деформация
У каждого металла есть предел упругости. От этого параметра зависит то, как деталь сможет изменить свою форму и вернуться в первоначальное состояние, когда воздействие прекратится. Чтобы достигнуть нужного результата, величина приложенной силы не должна быть выше предела упругости. Как только нагрузка будет снята, материал примет свою изначальную форму/размер.
В физике упругая деформация — обратимое явление. То есть оно протекает не постоянно, проявляет себя, как линейная величина. Форма материала меняется незначительно.
В процессе этого физического явления межатомные расстояния временно растягиваются (увеличиваются), искривляются. Например, если согнуть листовой металлопрокат, атомные связи изогнуться/растянуться на 1–3%. Но перемещения атомов не происходит.
Причина возникновения упругой деформации— внешняя сила, действие которой направлено на сдвиг металла. Такое влияние приводит к тому, что межатомные расстояния сжимаются или растягиваются. Однако через короткое время связи возвращаются на прежнее место, если воздействие снять.
Для металлов наблюдается тенденция снижения сил упругости. С течением времени сталь становится менее пластичной. При напряжении стальная деталь с утраченной пластичностью может треснуть. Такой эффект наблюдается у олова. Если металл попадает под воздействие перепадов температуры(быстрого нагрева/охлаждения), в нем начинают протекать процессы, которые приводят к снижению эластичности материала.
Но как повысить эластичность металла:
- Увеличить процентное соотношение углерода.
- Добавить легирующие компоненты: марганец, кремний.
Поэтому в производстве механических и ручных инструментов, деталей оборудования, машин применяют углеродистую сталь, где содержание углерода составляет не менее 0,7%.
Пластическая деформация металла
Если к металлическим кристаллам приложить нагрузку, их части начнут смешиваться между собой. При этом фиксация эффекта происходит только в местах дефекта кристалла, не затрагивая всю площадь скольжения.
Чтобы объяснить суть пластической деформации, нужно подробно рассмотреть процессы кристаллографической природы — перемещения кристаллов. Двигаться кристаллы могут по-разному, что зависит от приложенного усилия.
Скольжение
В этом случае перемещение (смещение) кристаллов происходит из-за касательного напряжения. То есть части кристалла смещаются относительно друг друга по касательной.
Изменения, которые протекают в одном кристалле, называют линейными. Но как только на кристаллической поверхности появляются выступы, размер которых равен периоду решетку, значит, процесс затронул весь материал.
Скольжение вызывает напряжение. Возникают новые ступеньки атомов со сдвигами. Появление дополнительных атомных плоскостей приводит к нарушению только крайних частей дислокации. Кроме того, связи между атомами остаются, они все не разрываются.
В теории скольжения есть два факта:
- Распространение напряжения происходит постепенно, в той части, где произошел сдвиг по касательной.
- Скольжение появляется в местах, где была нарушена кристаллическая решетка. На кристалл была оказана определенная нагрузка.
Пластическая деформация в металлах будет зависеть от прочности связи атомов кристаллической решетки. В стали в зависимости от ее марки, состава принято два типа прочности: реальная, теоретическая. Чем выше показатели прочности, тем сильнее материал будет сопротивляться изменениям.
У железа (Fe) реальная прочность равна 30 килограмм на 1 миллиметр. Показатели теоретической прочности в 44,6 раз больше. Почему такая разница? Объяснение простое: при скольжении атомные связи изменяются по краям кристалла. А это требует меньше усилий.
Двойникование
В металлических кристаллах могут возникать зоны, где происходит закономерное изменение ориентации кристаллической структуры. В этом случае говорят от двойниковании. Такие изменения не сильно деформируют материал.
Почему возникает двойникование:
- Первоначальный или материнский кристалл начинает зеркально переориентироваться. Явление протекает не во всех плоскостях, а только в определенной.
- Матрица может вращаться относительно оси кристалла. Это значит, что матрица будет поворачиваться на определенный угол.
Двойникование возникает в металлах с гексагональными и объемно-центрированными атомными решетками. Явление характерно для железа, молибдена, цинка, титана и так далее.
Катализаторами двойникования возникает скорость деформационных изменений и температура. Если скорость деформации будет высокой, а температура нагрева материала снижаться, риск к изменению ориентации кристаллической структуры будет только возрастать.
Межзеренное перемещение
Еще один процесс,который появляется в металлической структуре — межзеренное перемещение. Когда на металл воздействуют силы растяжения, возникают изменения, которые влияют на его зерно (поликристаллические конгломераты, между которыми находятся смежные поверхности).
Под действием определенных сил появляется скольжение, которое совпадает с вектором нагрузки. Все это приводит к растяжению поликристаллических конгломератов.
Зерна, которые находятся в зоне действия сил, деформируются. Также они могут развернуться. Чтобы это произошло, скольжение должно совпадать с вектором нагрузки.
Межзеренное перемещение приводит к появлению волокнистых структур.
Что называют холодной деформацией
Чтобы сохранить свойства металла, сделать его прочнее, производители прибегают к холодной деформации.Структура материала, которая подверглась деформационным влиянием (воздействию давления), сохраняется. При этом возрастает прочность материала.
В производстве прибегают к нескольким способам холодной обработки стали: прокатке, волочению, штамповке. Однако эти методы требуют большого количества энергии, применения качественного промышленного оборудования, так как рабочий инструмент будет быстро изнашиваться.
Холодные способы обработки делают металлическое изделие менее пластичным, но более твердым. Усиление твердости структуры материала происходит за счет преобразований, которые происходят глубоко в структуре материала.
Но слишком твердая сталь становится уязвимой к ржавлению, воздействию кислотно-щелочной среды. Уменьшается электропроводность металла.
Разрушение металла при деформации
Чем выше напряжение, тем быстрее протекают деформационные процессы в металлических сплавах. С возрастанием нагрузки увеличивается и риск нарушения целостности сплава. В металле могут появиться трещины, распространение которых происходит очень быстро.
Причина появления трещин — концентрация движущихся дислокаций, на пути которых возникают определенные препятствия. Когда кристаллическая дислокация двигается и встречается с зоной, через которую не может пройти, усиливается напряжение. Постепенно конфликт зон возрастает, что приводит к появлению трещин. Дефект растет, и когда достигает максимума, трещина начинает разрастаться в произвольном направлении.
Для хрупких материалов характерны острые трещины с большим количеством разветвлений. Такой дефект будет расти очень быстро. Целостность поверхности нарушается моментально.
Чем еще характеризуется хрупкое разрушение:
- Минимальная энергоемкость.
- Распространение по поликристаллическим конгломератам. Трещина может распространяться как по границам плоскостей зерен, так и по самим зернам.
- Образование излома, напоминающего ручей. Плоскость излома будет находиться в перпендикулярном положении по отношению к зонам в нормальном состоянии.
- Распространение трещины происходит сразу же в нескольких плоскостях.
Также при разрушении возникают раскрывающиеся трещины. В отличие от хрупкого разрушения, тупые трещины распространяются медленно. К характеристикам этого явления относят следующие:
- Тупые трещины распространяются медленно.
- Для дефектов характерна повышенная энергоемкость.
- Излом имеет матовый блеск, в отличие от хрупкого разрушения с глянцевым блеском.
- Форма излома неровная.
Важно понимать, что появление трещин в большинстве случаев — это результат пластической деформации. Явление возникает, когда между пределами текучести и прочности металла прослеживается разница. Если между показателями разница большая, сталь будет обладать высокой пластичностью. У непластичных сплавов текучесть и прочности равны. Поэтому когда непластичные (хрупкие) металлы разрушаются, это связано не с пластическими изменениями.
Хрупкость материала возрастает и при повышении температуры. Сильный нагрев приводит к уравниванию показателей прочности/текучести.
Чтобы избежать изменения структуры, например, при сваривании металла, нужен предварительный расчет возможных дефектов. Также производители применяют технологию создания противоположных векторов напряжения, используют разные охлаждающие смеси.
Заключение
В производстве металлоконструкций, ответственных деталей, заготовок и прочих изделий из стали нужно знать о том, как появляется деформация и к чему она приводит. Механизмы появления дефектов могут быть разными, но независимо от этого металлические изделия должны быть прочными, безопасными в эксплуатации.
В компании Profbau можно заказать изготовление серийных деталей, металлоконструкций, а также прототипов с учетом всех производственных особенностей.
Почему выбирают Profbau:
- Применение всех видов металлообработки: фрезерование, сверление, сварка, штамповка, резка.
- Производство металлических деталей с помощью 3D-печати.
- Контроль качества продукции.
- Предоставление официальной гарантии.
- Соблюдение сроков изготовления.
Узнать об услугах компании можно онлайн и по телефону. Специалисты предоставят подробную консультацию.
