Металлургия

Механическая обработка металлов

                Министерство образования Республики Беларусь
     Учереждение образования Гродненский государственный университет им.
                                  Я.Купалы



                                   РЕФЕРАТ
                       МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ



                                     Выполнил студент физико- технического
                                     факультета 3-го курса 2-й группы
                                     Цыпурко Е.В.



                                 Гродно 2004
Широкое применение в промышленности получили различные  механические  методы
разделения  металлов,  в  первую  очередь   резка   ножовочными   полотнами,
ленточными пилами, фрезами и др. В производстве  используются  разнообразные
станки общего и специального назначения для раскроя листовых,  профильных  и
других  заготовок  из  различных  металлов  и  сплавов.  Однако  при  многих
достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные  с
низкой  производительностью,  высокой  стоимостью   отрезного   инструмента,
трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному  криволинейному
контуру. С этими задачами прекрасно справляется лазерная резка металлов.
Отжиг - это  термообработка  ,которая  устраняет  частично  (или  полностью)
всякого рода неоднородности и  неравновесности  ,  которые  были  внесены  в
металл при предшествующих операциях ( мех. обработка ,  обработка  давлением
, литье , сварка ). В зависимости от исходного состояния стали отжиг   может
включать процессы  гомогенизации ,  рекристаллизации   и  снятия  остаточных
напряжений.
Именно об этих способах обработки металлов и пойдет речь в данном реферате.



                          Гомогенизационный отжиг.
Основной целью гомогенизационного отжига являются -  устранение  последствий
дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может привести к :
1.Снижению пластичности, за счет выделения   неравновесных хрупких фаз.
2.Уменьшению коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии
  внутри сплава.
3.Анизотропии мех. свойств.
4.Снижению температуры солидуса.
5.Уменьшению температуры плавления , из-за которого происходит оплавление
   дендритов при дальнейшей обработке.
6.Отсутствию стабильности свойств.
Физико - химической основой гомогенизационного отжига  является  диффузия  в
твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить  при  более  высоких
температурах , чтобы диффузионные процессы ,  необходимые  для  выравнивания
состава стали , проходили более полно.
Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .
Выдержка  будет  определяться  природой  ликвирующих  элементов  .  Так  как
гомогенизация интенсивно протекает в  начальный  период  отжига  (  по  мере
выравнивания состава сплава градиент концентрации dC/dX  уменьшается  ),  то
большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых  металлов  это
время составляет десятки или сотни  часов.  Для  уменьшения  времени  отжига
нужно
  1. Увеличить температуру
  2. Изменить dC/dX  , а для этого нужно изменить условия кристаллизации.
  3. Загрузить в печь уже нагретые слитки.
Гомогенизирующий отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:
  1. Рост зерна аустенита,следовательно ухудшение мех. свойств .
  2. Вторичная пористость и неоднородность .
  3. Коагуляция избыточных фаз.
Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной обработкой  ,  после
которой поводят полный отжиг,или обработку давлением , или отпуск  при  670-
680 градусах ,или нормализацию.
Для   устранения   неоднородностей   ,   вызванных   холодной   пластической
деформацией  применяют дорекристаллизационный и  рекристаллизационный  отжиг

При холодной деформации происходит:
1.Изменение формы и размеров кристаллов
2.Накопление  в  металле  большого  количества  избыточной  энергии  ,что  в
конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.
Из-за  этого   :   уменьшаются   пластические   характеристики,   появляется
анизотропия  механических  свойств,  увеличивается  электросопротивление   и
уменьшается коррозионная стойкость.
Все это можно попытаться устранить отжигом.
Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.
Смягчающий  отжиг  используют  для  повышения  пластичности  при   частичном
сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего его применяют  в  качестве
окончательной операции , придающей изделию требуемое сочетание  прочности  и
пластичности.  Кроме  того  ,  можно  уменьшить  остаточные   напряжения   ,
стабилизировать свойства  и  повысить  стойкость  к   коррозии.  Для  выбора
режима   дорекристаллизационного   смягчающего   отжига   необходимо   знать
температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.
Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют  для   повышения  упругих
свойств пружин и мембран.Оптимальную температуру подбирают опытным путем.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности  как  предварительную
операцию  перед  холодной  обработкой   давлением,для   придания   материалу
наибольшей   пластичности;как   промежуточный   процесс   между   операциями
холодногодеформирования,для   снятия   наклепа;    и    как    окончательную
термообработку,для придания материалу необходимых свойств.
При выборе режима отжига нужно избегать получения  очень  крупного  зерна  и
разнозернистости.Скорость нагрева  чаще всего не имеет значения.
                       Отжиг, уменьшающий напряжения.
При обработке давлением, литье,  сварке,  термообработке  в  изделиях  могут
возникать внутренние напряжения. В  большинстве  случаев,они  полностью  или
частично сохраняются в металле после  окончания  технологического  процесса.
Поэтому основная цель отжига - полная или  частичная  релаксация  остаточных
напряжений.
Причинами  возникновения   остаточных   напряжений   являются   неодинаковая
пластическая деформация или разное изменение удельного  объема  в  различных
точках тела, из-за наличия градиента температур по сечению тела.
Напряжения при отжиге уменьшаются двумя  путями  :  вследствии  пластической
деформации в условиях когда эти напряжения превысят  предел  текучести  и  в
результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.
Продолжительность   отжига   устанавливают   опытным   путем.   Определенной
температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует  свой  конечный
уровень  остаточных   напряжений,   по   достижении   которого   увеличивать
продолжительность отжига практически бесполезно.
Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .
Скорости  нагрева   и   особенно   охлаждения   при   отжиге   должны   быть
небольшими,чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.
Использование  отжига  лимитируется  теми  нежелательными   структурными   и
фазовыми  изменениями  ,  которые  могут  произойти  при  нагреве.   Поэтому
приходится  либо  мириться  с   недостаточно   полным   снятием   остаточных
напряжений  при низких температурах ,либо идти на компромис, достигая  более
полного снятия напряжений при  некотором  ухудшении  механических  и  других
свойств.
                               Отжиг II  рода.
Отжиг второго рода - это  термообработка ,  которая  заключается  в  нагреве
стали  до  температур  выше  точек  Ас3  или  Ас1  ,выдержке  и  последующем
охлаждении.  В  результате   мы  получаем  почти   равновесное   структурное
состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит , в  эвтектоидных
- перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит.
После отжига получаем : мелкое зерно,  частично  или  полностью  устраненные
строчечность, видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры  .

Сталь получается снизкой прочностью  и  твердостью  при  достаточном  уровне
пластичности.
В   промышленности   отжиг   II   рода   часто   используется   в   качестве
подготовительной и окончательной обработки.
Разновидности отжига II рода различаются  способами  охлаждения  и  степенью
переохлаждения  аустенита  ,  а  так  же   положением   температур   нагрева
относительно критических точек .
                                Полный отжиг.
Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры , возникших при
предыдущей обработке ( лить , горячей деформации или сварке ) , смягчение
стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений , для придания
стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для
приближения системя к равновесию.
[pic]
     Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали  до  температур
на 30-50 С выше температуры  Ас3   (чрезмерное  повышение  температуры  выше
этой точки приведет к росту зерна аустенита , что вызовет ухудшение  свойств
стали), выдержке для полного прогрева и  завершения  фазовых  превращений  в
объеме  металла  и  последующем  медленном  охлаждении.  Для  заэвтектоидных
сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому  что  при  медленном
охлаждении  после  такого  нагрева  образуется   грубая   сетка   вторичного
цементита , ухудшающая механические свойства  .  Для  доэвтектоидных  сталей
время нагрева и  продолжительность  обработки  зависят  типа  печи  ,способа
укладки  ,  типа  отжигаемого   материала   (лист,прокат   ,   ...).Наиболее
распространенная  скорость   нагрева   составляет   ~   100   C   /   ч   ,а
продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на  тонну  изделия.  Медленное
охлаждение  обусловленно   необходимостью   избежать   образования   слишком
дисперсной ферритно-цементитной  структуры  и  следовательно  более  высокой
твердости.  Скоростьохлаждения  зависит  от  устойчивости   переохлажденного
аустенита, а  следовательно  ,  от  состава  стали.  Ее  регулируют  проводя
охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с  полностью  или  частично
выключенным обогревом.
При полном отжиге происходит полная фазовая  перекристаллизация  стали.  При
нагреве  выше  точки  Ас3   образуется  аустенит,  характеризующийся  мелким
зерном  ,  который  при   охлаждении   дает   мелкозернистую   структуру   ,
обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и получение  высоких  свойств
после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит  из  избыточного
феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям  обычному  отжигу  .Это  отжиг  на
крупное зерно с нагревом до 950-1100 С ,  который  применяют  для  улучшения
обработки резанием мягких низкоуглеродистых  сталей .
                               Неплный отжиг .
Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур  выше
Ас1  ,  но  ниже  Ас3   .  При  таких  температурах   происходит   частичная
перекристаллизация стали  , а именно  лишь  переход  перлита  в  аустенит  .
избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть  его
не подвергается перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг  не  устраняет
пороки стали связанные  с  нежелательными  размерами  и  формой  избыточного
феррита . Для доэвтектоидной стали  неполный отжиг применяется лишь тогда  ,
когда отсутствует перегрев , ферритная  полосчатость,  и   требуется  только
снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием .



                           ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА

      В промышленности  получил  распространение  ряд  процессов  разделения
материалов, основанных на  электрохимическом,  электрофизическом  и  физико-
химическом  воздействиях.  Ацителено-кислородная  резка,  плазменная   резка
проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения  обеспечивают
повышение производительности по сравнению с механическими  методами,  но  не
обеспечивают высокой точности  и  чистоты  поверхностей  реза  и  требуют  в
большинстве случаев последующей  механической  обработки.  Электроэрозионная
резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с  малой  шириной
и высоким качеством реза,  но  одновременно  с  этим  характеризуются  малой
производительностью.
      В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке  и
промышленном освоении методов резки современных конструкционных  материалов,
обеспечивающих высокую  производительность  процесса,  точность  и  качество
поверхностей  получаемого  реза.  К  числу  таких  перспективных   процессов
разделения материалов следует отнести лазерную  резку  металлов,  основанную
на процессах нагрева, плавления, испарения, химических  реакциях  горения  и
удаления расплава из зоны резки.
      Сфокусированное лазерное излучение , обеспечивая высокую  концентрацию
энергии, позволяет разделять практически любые металлы и  сплавы  независимо
от их  теплофизических  свойств.  При  этом  можно  получить  узкие  резы  с
минимальной зоной  термического  влияния.  При  лазерной  резке  отсутствует
механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают  минимальные
деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные  после  полного
остывания. Вследствии этого лазерную  резку  можно  осуществлять  с  высокой
степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок  или
деталей.  Благодаря   большой   плотности   мощности   лазерного   излучения
обеспечивается  высокая производительность процесса в  сочетании  с  высоким
качеством  поверхностей  реза.  Легкое  и  сравнительно  простое  управление
лазерным  излучением  позволяет  осуществлять  лазерную  резку  по  сложному
контуру  плоских  и  объемных  деталей  и  заготовок  с   высокой   степенью
автоматизации процесса.  Кратко  рассмотренные  особенности  лазерной  резки
наглядно демонстрируют несомненные  преимущества  процесса  по  сравнению  с
традиционными методами обработки.
Лазерная  резка  относится  к  числу   первых   технологических   применений
лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х  годов.  За  прошедшие
годы  созданы  лазерные  установки  с  широким  диапазоном   мощности    (от
нескольких   десятков   ватт   до   нескольких   киловатт),   обеспечивающие
эффективную  резку  металлов   с   использованием   вспомогательного   газа,
поступающего в зону обработки одновременно с  излучением  лазера.   Лазерное
излучение нагревает, плавит и испаряет  материал  по  линии  предполагаемого
реза,  а  поток  вспомогательного  газа  удаляет  продукты  разрушения.  При
использовании кислорода  или  воздуха  при  резке  металлов  на  поверхности
разрушения   образуется   оксидная   пленка,    повышающая    поглощательную
способность материала, а в  результате  экзотермической  реакции  выделяется
достаточно большое количество теплоты.
Для  резки  металлов   применяют   технологические   установки   на   основе
твердотельных и газовых CO2 - лазеров, работающих как в непрерывном,  так  и
в  импульсно-периодическом  режимах   излучения.   Промышленное   применение
газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот  процесс  не  может
полностью   заменить   традиционные   способы   разделения    металлов.    В
сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок  стоимость
лазерного оборудования для резки еще достаточно  высока,  хотя  в  последнее
время  наметилась  тенденция  к  ее  снижению.  В  связи  с   этим   процесс
газолазерной  резки  (в  дальнейшем  просто   лазерной   резки)   становится
эффективным только при условии  обоснованного  и  разумного  выбора  области
применения, когда использование традиционных способов трудоемко  или  вообще
невозможно.



Список  литературы.

1. Новиков И.И. Теория термичесеой обработки металлов .М.:
Металлургия,1986.
2. Лахтин Ю.М.  Металловедение и термическая обработка металлов.
    М.: Металлургия , 1993
3. Лившиц Металлография. М.: Металлургия ,1994.