Разновидность деформации при котором на металле появляется колдобина

Обновлено: 07.07.2024

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Прикладываемые к кристаллу/кристаллам внешние силы вызывают упругую и – далее - пластическую деформацию. В последнем случае потребуется нагрузить кристалл таким усилием, чтобы происходящие внутри него изменения приобрели необратимый характер. Для каждого металла момент перехода упругих деформаций в пластические строго индивидуален, и определяется соотношением значений предела временного сопротивления к пределу пластичности/текучести.

Физическая природа деформации металлов

Этот процесс включает в себя упругую и остаточную стадии. Возникающие при этом деформации подразделяются на три группы:

Упругие, т.е., такие, которые полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил. Тело при этом приобретает свои первоначальные размеры. Изучением упругих деформаций занимаются теория упругости и сопротивление материалов. Связь между напряжениями и деформациями в этом случае линейна и подчиняется закону Гука.

Упругопластические, которые возникают тогда, когда упругая и пластическая (остаточная) составляющие соизмеримы между собой. Изучение упругопластических деформаций имеет значение для всесторонней оценки запаса прочности металла, поскольку в практике металлообработки такой вид деформации не используется.

Пластические/конечные, при которых упругие изменения формы незначительны, и ими можно пренебречь. Здесь зависимость напряжений и деформаций не носит линейного характера, и зависит от множества факторов.

Любой реальный металл представляет собой совокупность анизотропных кристаллов, ориентация которых произвольна. Поэтому предполагается, что во всех направлениях имеется приблизительно одинаковое количество одинаково ориентированных зёрен. Именно поэтому свойства металла во всех направлениях одинаковы и определяются некоторыми средними значениями. Квазиизотропность металлов облегчает изучение физических основ их деформирования.

Основой для любого изменения формы металла является наличие дефектов в его структуре, прежде всего – дислокаций. С помощью теории дислокаций объясняются механизмы разрушения металла, его кристаллизация, упрочнение/разупрочнение и пр. Ключевым положением теории дислокации является то, что любое изменение формы представляет собой результат перемещения и размножения дефектов в кристаллической решётке. При этом механизм деформации рассматривается на уровне отдельных атомов. Такое представление позволяет анализировать многие физические явления, происходящие в деформируемом теле под нагрузками, при повышенных температурах и т.д.

Упругая деформация

Как уже указывалось, такой вид деформации представляет собой изменение формы материала во времени, которая самопроизвольно снимается после снятия силы или внешней нагрузки. Форма материала изменяется при приложении силы в пределах предела упругости металла, иначе называемого модулем Юнга. Это физическое свойство гарантирует, что эластичные материалы возвращают свои первоначальные размеры после снятия приложенной нагрузки. Здесь деформация обратимая и непостоянная. Упругая деформация металлов обычно наблюдается при малых формоизменениях; их упругое поведение, как правило, линейно.

Упругая деформация включает временное растяжение или искривление связей между атомами кристаллической решётки. Например, при изгибе стального листа все имеющиеся в металле дислокации и связи изгибаются (либо растягиваются) только на несколько процентов, но относительного перемещения атомов при этом не наблюдается. Такая деформация может быть вызвана приложением внешних сил сдвига, которые вызывают соответствующие напряжения растяжения/сжатия.

Наличие упругой деформации материала позволяет всем связям восстанавливаться после напряжения. Но со временем эти свойства ухудшаются, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Примером могут служить изменения, которые происходят в олове. При резких температурных колебаниях этот металл становится менее пластичным (известны аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот, которые в Средние Века именовали оловянной чумой). Часто изменения вызываются воздействиями определённых химикатов, снижающих эластические характеристики металлов.

Эластичность (пружинистость) стали повышается при увеличении процентного содержания углерода в ней. Не случайно для производства автомобильных рессор принимают специальные марки сталей, количество углерода в которых не должно быть менее 0,62…0,70 % (ГОСТ 14959-2016). Упругость таким сталям придаёт также повышенный процент марганца и кремния.

Пластическая деформация

Теория дислокаций утверждает, что с приложением нагрузки к реальным кристаллам металла смещение одной части кристалла относительно другой происходит не одновременно по всей площади скольжения. Начинается оно в точке дефекта кристалла и распространяется при значительно меньшем внешнем усилии, чем при одновременном скольжении целого блока атомов. Значительное расхождение между теоретическими и фактическими значениями напряжений (например, для меди оно составляет 1540 МПа и 1 МПа, для железа – 2300 МПа и 29 МПа) объясняется наличием в стали структурных дефектов, около которых сдвиг вначале локализуется, а затем распространяется вместе с самим дефектом с некоторой скоростью.

Дислокации располагаются в наиболее плотноупакованных плоскостях кристаллической решётки. При возрастании нагрузки первыми начинают двигаться дислокации той плоскости скольжения, в которых касательные напряжения максимальны. Для начала пластического течения необходимо, чтобы касательное напряжение превышало критическое значение, величина которого зависит от исходной структуры деформируемого металла. Данное обстоятельство предопределяет необходимость учёта истории деформирования материала, что позволяет определять количественные и качественные параметры процесса пластической деформации.

Виды пластической деформации металлов определяются характером перемещения кристаллов во время приложения усилия. Такое перемещение может происходить скольжением и двойникованием.

Скольжение

Скольжение является основным видом пластической деформации идеального кристалла. Обычно в качестве плоскостей скольжения выступают плоскости с наибольшей плотностью расположения атомов, а направлениями скольжения являются направления, по которым межатомные расстояния имеют минимальное значение.

В гексагональной решётке можно провести только одну плоскость, в которой расположено наибольшее число атомов – это плоскость основания. В решётках кубической формы таких плоскостей больше. Поэтому при прочих равных условиях металлы с гексагональной решёткой менее пластичны, чем металлы с кубической решёткой.

Пластическое деформирование начинается, прежде всего, в тех плоскостях скольжения, и по тем направлениям, которые расположены под оптимальным углом по отношению к внешней силе. Так, при сжатии и растяжении пластическая деформация возникает в первую очередь в плоскостях, расположенных под углом 45 0 к линии действия внешней силы.

Скольжение является сдвиговым деформационным процессом. Известно, что если отполированный образец из моно- или поликристалла подвергнуть нагружению, то при определённой нагрузке на поверхности образца появляются сетки линий скольжения, называемые линиями Чернова-Людерса. Эти линии качественно характеризуют сдвиг одних частей образца относительно других.

Двойникование

В некоторых металлах – магнии, цинке, золоте, железе – наряду со скольжением наблюдается двойникование. При двойниковании происходит поворот деформированной части кристалла в положение, зеркальное по отношению к деформированному. Однако и в этом случае происходит сдвиг атомов в новые положения устойчивого равновесия на расстояния, которые пропорциональны основному параметру решётки.

Двойникование часто возникает при ударном деформировании и распространено для металлов и сплавов, кристаллизация которых происходила с образованием кристаллитов в форме многогранников.

Как происходит разрушение металлов

Процесс разрушения металлов адекватно описывается методами специальной механики разрушения. Исходное положение теории заключается в том, что разрушение элементов конструкций связано с возникновением и развитием трещин, которые проявились:

В процессе изготовления деталей (сварка, шлифовка, закалка);

В период их эксплуатации вследствие превышения допустимых нагрузок;

Как следствие коррозионных явлений.

Механика разрушения учитывает влияние дефектных участков при анализе напряжённого состояния конструктивных элементов и при определении реальных характеристик материала во время испытаний. Такие испытания должны проводиться с образцами, в которых имеются искусственно наведенные трещины.

В результате испытаний устанавливаются количественные связи между номинальными напряжениями, формой и размерами дефекта, с одной стороны, и сопротивлением материала в условиях стабильного и нестабильного варианта развития трещины – с другой. Именно в этом заключается принципиальная основа использования методов механики разрушения при выборе материала, определения размера и установления срока службы деталей машин и элементов металлоконструкций.

Установлено, что при оценке вероятности и времени разрушения металла следует рассматривать изотропную пластину бесконечной длины и конечной толщины, внутри которой имеется трещина. Критерием развития трещины принимают параметр интенсивности поля напряжений в зоне одного из концов трещины (критерий Ирвина), при этом радиусные переходы между участками равны 0. Раскрытие трещины (после чего и наступает разрушение) происходит при максимальном уровне растягивающих напряжений у её краёв.

Дефекты металлический изделий

Производство предметов из металла представляет собой сложный технологический цикл. Некоторые операции могут как исключаться из этой цепочки, так и проводиться повторно. В процессе обработки металл претерпевает изменения, на нем могут появляться изъяны. Далее вы узнаете, какие бывают дефекты металлических изделий, а также как их можно выявить.

Типы дефектов металлических изделий

Из-за дефектов ухудшаются физико-механические свойства металлов, такие как электропроводность, магнитная проницаемость, прочность, плотность, пластичность. Принято выделять изъяны тонкой структуры или атомарного масштаба, а именно дислокации, вакансии, пр., и более грубые. К последним относятся субмикроскопические трещины, появляющиеся на границах блоков кристалла и на его поверхности.

Еще более грубыми считаются микро- и макроскопические дефекты металлических изделий, предполагающие нарушение сплошности или однородности. Они появляются по двум причинам: из-за несовершенства используемой технологии и низкой технологичности многокомпонентных сплавов. Дело в том, что при работе с подобными сплавами необходимо особенно точно соблюдать режимы, установленные для всех этапов изготовления и обработки.

С точки зрения прикладного, технического понимания, дефектами называют отклонения от установленной нормы, при которых ухудшаются рабочие характеристики металла или металлического изделия, происходит снижение сортности или отбраковка продукции. Но нужно понимать, что не любой изъян металла распространяется на изделие. Если отклонения не влияют на работу металлической детали, они не воспринимаются в качестве недостатков.

Отклонения, признанные дефектами для изделий, эксплуатируемых в определенных условиях (допустим, при усталостном нагружении), могут не приниматься во внимание при других условиях работы (например, при статическом нагружении).

Литьевые дефекты металлических изделий

Сегодня в металлургии принято использовать несколько классификаций брака, получаемого при литье.

Дефекты делятся на типы по месту нахождения. Так, если брак выявлен внутри участка, его считают внутренним. Если же проблема проявилась при дальнейшей обработке, ее относят к внешнему браку.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

С точки зрения внешнего проявления, выделяют такие основные виды дефектов отливок, как пригар, при котором слой формовочных материалов, спекшихся с металлом, крепко присоединился к поверхности заготовки, и приливы, которые представляют собой отклонение размеров отливок от проекта в большую сторону.

Приливы делят на:

Заливы, которые образуются вдоль стыка частей формы. Причина их появления кроется в несоблюдении размеров моделей и плохом соединении элементов опок.
Подутость (распор) – возникает из-за давления расплава на рыхлую смесь.
Нарост, который появляется, когда поток расплава размывает форму при заливке.
Просечки (гребешки, заусенцы), образующиеся при затекании расплава в повреждения формы или стержня.

Нередко дефекты при литье проявляются в виде пороков поверхности. Сюда относятся:

Засоры. Массы зерен земли или шлаков. Эта проблема появляется из-за ошибок, допущенных при проектировании форм, непродуманного расположения литников, несоблюдения технологии складирования и перевозки.
Ужимины – образуются при сырой формовке, когда слой земли разрывается в месте конденсации жидкости и расплав заполняет образовавшуюся пустоту.
Спаи, или неслитины, возникают, когда происходит контакт между слоями охладившегося расплава. Поскольку не достигнута необходимая температура, потоки не могут правильно сплавиться.
Плены – появляются, когда окисляются легирующие добавки.
Морщинистость, или складчатость. Данный дефект выглядят как разнонаправленные складки на поверхности металлического изделия. Такой изъян связан со скоплением большого объема углерода в металле.
Выпот – провоцирует взрывообразное выделение скоплений графита, поэтому он похож на множество лопнувших пузырьков.
Корольки появляются и из-за разбрызгивания расплава при заливке. В этом случае шарик металла кристаллизуется отдельно от отливки, не соединяясь с ней.
Коробление отливки возникает по причине внутренних напряжений, провоцируемых неравномерным остыванием.

Также среди распространенных пороков литья стоит назвать трещины. Подобные дефекты металлических изделий также делятся на виды:

Горячие. Возникают, когда металл достигает температуры кристаллизации, обычно вызваны усадочным напряжением. Имеют неровные формы.
Холодные. Появляются при более низких температурах, чем горячие, при этом отличаются ровным, прямым профилем.
Межкристаллические. Образуются на металлических изделиях из легированных сталей в тех зонах, где имеются неметаллические включения.

Помимо прочего, нередко на предметах из металла появляются газовые дефекты:

Ситовидная пористость, то есть большое количество мелких пузырьков в теле детали.
Газовые раковины, которые представляют собой крупные каверны, возникшие после выхода и объединения мелких пузырьков.

Пластические дефекты металлических изделий

При отбраковке заготовок достаточно часто приходится сталкиваться с включениями инородных металлических или неметаллических тел, причем последние бывают различной величины, формы.

Надрыв представляет собой местные несквозные разрывы, находящиеся поперек или под углом к направлению обработки материла. Такие дефекты образуются из-за раскрытия внутренних несплошностей материала, а также несоблюдения норм, установленных для процесса обработки.

Сквозной разрыв отличается от предыдущего вида тем, что на металлическом изделии наблюдаются сквозные несплошности. Они образовываются при деформации плоской заготовки, имеющей неравномерную толщину, либо причиной появления сквозного разрыва могут стать вкатанные инородные тела.

Накол выглядит как несквозные единичные или групповые точечные углубления. Они появляются при использовании загрязненных смазочно-охлаждающих жидкостей, попадании на заготовку мелких металлических и инородных элементов. Еще одной причиной для образования накола могут стать выступы и налипшие частицы на валках.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Вмятинами называют отдельные единичные углубления различных размеров, форм, имеющие пологие края. Вмятины появляются из-за повреждения металла в процессе производства, перевозки, хранения.

Забоина представляет собой углубление неправильной формы. Обычно такой дефект имеет острые края, поскольку появляется при ударе металлического изделия.

Отпечаток – периодически повторяющиеся углубления, выступы, расположенные по всему металлическому изделию или на некоторых его участках. Отпечатки появляются под действием неровностей на прокатных и правильных валках.

Задир выглядит как широкое продольное углубление с неровным дном и краями. Причина его появления состоит в резком трении заготовки о детали оборудования, при помощи которого осуществляется обработка.

Риска – это продольное узкое углубление, дно которого может быть закругленным либо плоским. Образуется при царапании заготовки металлического изделия выступами на поверхности оборудования.

Царапина представляет собой углубление неправильной формы, имеющее произвольное направление. Появляется из-за механических повреждений, например, во время складирования, перевозки металлических изделий.

Потертостью называют нарушение блеска на отдельно взятом участке металлического изделия, а также скопление мелких разнонаправленных царапин. Такие дефекты появляются из-за трения металлических изделий между собой.

Налип появляется в результате прилипания к металлическому изделию частиц или слоя металла с инструмента.

Закат образуется за счет вдавливания в изделие частиц обрабатываемого металла, заусенцев, выступов и других дефектов, появившихся в процессе обработки.

Пережог проявляется в виде темных, оплавленных или окисленных пятен на металлическом изделии, которые образуются, если была превышена температура, время нагрева материала.

Расслоение выглядит как отделение слоя материала на торцах, кромках металлического изделия, заготовки. Причина для расслоения одна – изначально внутри металла были дефекты, такие как рыхлости, включения, внутренние разрывы, пережог.

Плена представляет собой расслоение, обычно имеет форму языка, идущего по направлению обработки и одним краем соединенного с основным металлом. Подобное расслоение появляется, если в металле изначально были надрывы, трещины, пузыри, либо при нагреве материала был допущен его пережог, оплавление.

Чешуйчатость представляет собой пластическую деформацию, вызванную пережогом или недостаточной пластичностью металла периферийной зоны. В соответствии с названием, такие разрывы на металлическом изделии больше всего похожи на чешую или сетку.

Рябизна выглядит как скопление углублений, появившихся на металлическом изделии во время проката или плавки.

Смятой поверхностью называют тип деформации, при котором на металлическом изделии появляются складки, изгибы, волны, при этом не вызывающие разрыва металла.

Излом представляет собой полосу поперек направления прокатки или под углом к нему. Изломы появляются из-за резкого перегиба в процессе сматывания, разматывания рулонов, либо при перекладке тонких листов.

Недотрав выглядит как пятна, полосы, появившиеся на металлическом изделии из-за неравномерного травления.

Перетрав – это местное или общее разъедание поверхности изделия, которое проявляется как точечные либо контурные углубления. Образуется, так же как и недотрав, при несоблюдении режима травления.

Пятна загрязнения могут иметь форму полос, натеков, разводов. Их оставляют на поверхности металлического изделия технологическая эмульсия, загрязненное масло, мазут.

Коррозионные пятна могут быть светлыми или темными, обычно имеют шероховатую текстуру, так как появляются под действием коррозии.

Цвета побежалости проявляются в виде окисленных участков, то есть пятен и полос различной окраски и формы. Такие пятна отличаются гладкой поверхностью, так как проявляются при нарушении норм термической обработки и травления.

Кольцеватость характерна только для круглых металлических заготовок – на их поверхности появляются повторяющиеся кольцеобразные выступы, углубления. Виной тому пластическая деформация, плавка.

Следы плавки несколько похожи на кольцеватость, они выглядят как повторяющиеся светлые и темные полосы. Однако в данном случае полосы идут по заготовке в любом направлении: могут быть продольными, поперечными либо спиралеобразными. Образуются при плавке.

Омеднение проявляется как покраснение некоторых участков поверхности металлического изделия. Такие пятна образуются после контактного выделения меди, что связано с нарушением режимов термической обработки и травления.

Серповидность полос и лент – это отклонение формы металлического изделия от поверочной линейки. Такой дефект измеряют в миллиметрах на метр длины полуфабриката.

Овальностью называют отклонение поперечного сечения изделия от формы круга. Если с – максимальный, d – минимальный и т – средний диаметр сечения, то по формуле c - d/m × 100 можно рассчитать отклонение от идеальной формы в процентах.

Разностенность – несовпадение толщины стенки по длине трубы с номинальной толщиной либо разница в толщине заготовки по ее площади.

Разнотолщинность – отклонение толщины плоского изделия по длине и ширине от установленных параметров либо разница толщины стенки вдоль длины металлической трубы.

Фестонистость представляет собой появление выступов по краю металлического изделия при глубокой штамповке листов и лент. Направление выступов соответствует направлению оси прокатки.

Способы обнаружения дефектов металлических изделий

Существует несколько уровней исследования, которые используются для разных глубин и размеров дефектов:

Субмикроскопическое исследование.
Микроанализ.
Макроанализ.

Под дефектами кристаллического строения металлов принято понимать отклонения от структуры идеального, то есть бездефектного, кристалла.

Дефекты кристаллической структуры делят на типы в соответствии с их формой и размерами:

Дислокации, то есть отсутствие полуплоскости кристаллической решетки.
Вакансии или пустоты в узлах кристаллической решетки.
Атомы внедрения, предполагающие присутствие в решетке дополнительных атомов между узлами.
Атомы замещения, то есть атомы другого элемента, находящиеся в узлах кристаллической решетки обрабатываемого металла.

1. Субмикроскопическое исследование.

Цель его состоит в выявлении дефектов на границах кристаллов или зерен. Дело в том, что из-за неравномерности кристаллизации или недостаточного питания зародышей жидким раствором появляются тонкие прослойки между блоками кристаллов. Либо причина может скрываться в выделении на поверхности кристаллов твердой фазы нерастворимых соединений и элементов. Так, фосфор и целый ряд тугоплавких металлов не способны образовывать соединения с железом в сталях, поэтому они откладываются на границах зерен.

В число субмикроскопических дефектов входят сколы в стали 38Х2МЮА. Причина их появления проста: во время легирования стали алюминием по границам зерен выделяются локальные плоскости, которые и становятся слабым местом металла во время дальнейшей обработки.

2. Микроанализ.

При подобном исследовании для выявления дефектов используют микроскопы с увеличением более 100 крат. Именно микроанализ применяется чаще всего при поиске литейных дефектов. Этот метод позволяет определить балл зерна, наличие и количество включений неметаллической природы, меди, серы и фосфора, структуру металла.

От доли углерода и легирующих элементов, содержащихся в стали, зависит, какие твердые фазы выделятся при кристаллизации. Отметим, что данные стадии имеют различную прочность, твердость и пластичность. В стойких к коррозии марках стали при разных температурных режимах охлаждения формируются фазы аустенита, мартенсита или ледобурита.

Также к ключевым характеристикам, определяющим качество металла, относится балл зерна. Дело в том, что при снижении данного показателя повышается пластичность металла, но снижается его прочность. Однако легирование карбидообразователями или тугоплавкими материалами позволяет добиться упрочнения стали, сохраняя при этом ее изначальную пластичность.

Одним из главных направлений исследования микроанализа считается определение доли вредных примесей и неметаллических включений (в процентах). Чаще всего роль вредной примеси играют сера и фосфор, из-за которых сталь приобретает такие свойства, как красноломкость и хладноломкость.

Чтобы металл мог применяться для производства изделий, доля этих двух элементов должна укладываться в установленные нормы. Благодаря контролю неметаллических включений удается установить содержание в стали оксидов, сульфидов, нитридов и других соединений. Отметим, что такие примеси могут влиять на металл как положительным, так и отрицательным образом.

3. Макроанализ.

Данный способ изучения представляет собой визуальное выявление дефектов металлических изделий, иными словами, с его помощью поверхность рассматривается при увеличении до 30 крат. Такое исследование позволяет обнаружить крупные дефекты поверхности или глубинных слоев металла. Нужно понимать, что макроскопические изъяны могут образовываться на любом этапе производства металлического изделия – от выплавки и до хранения. Чаще всего после выявления подобных деформаций металл забраковывают или возвращают на доработку.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Деформация металла

Деформация металла происходит под воздействием внешних факторов природного или антропогенного характера. Этот процесс используется в промышленности для придания заготовке необходимых параметров.

Существует несколько видов деформации, которые влияют на конечные изменения в изделии. В нашей статье расскажем, какова природа этого процесса, разберем его виды и применимость в производственных вопросах.

Природа деформации металлов

Деформация предполагает изменение формы и габаритов изделия. Чтобы добиться нужного эффекта, металл можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Для этих целей используют специальные инструменты и процессы, например, повышение температуры для деформации металла.

К деформации приводит даже небольшое силовое воздействие. Растяжение изделия вызывает увеличение расстояния между атомами, тогда как на фоне сжатия наблюдается обратный процесс.

При обработке металла важно учитывать, что пластическая деформация способна спровоцировать кардинальное изменение характеристик. Она может наблюдаться даже в тех случаях, когда изделие имеет повышенную твердость, но была превышена предельная нагрузка.

Каждый металл обладает своим показателем предела упругости, поэтому при подборе необходимого воздействия учитывают свойства конкретного материала. Наиболее пластичными и лучше всего поддающимися деформации считаются металлы с кубической кристаллической решеткой.

Статичная нагрузка вызывает медленные изменения металла, которые специалисты обозначают как ползучесть. Повышение температуры воздействия приводит к ускоренному протеканию подобных процессов.

Деформация, осуществляемая на фоне высокой температуры, называется горячей деформацией металла. Она применяется при производстве крупных изделий и предполагает полную рекристаллизацию.

Изменить характеристики заготовки позволяет и холодная деформация металла, которая протекает при температуре, не достигающей уровня рекристаллизации. Она способствует повышению прочности материала, однако подходит исключительно для изделий малого сечения, таких как проволока.

Деформация возможна и без специального воздействия – именно в таком виде она распространена в природе. То есть внешний вид, прочность и другие характеристики металла меняются под действием естественных факторов, к которым человек не имеет никакого отношения.

Упругая деформация металлов

При данном виде деформации металла происходит изменение формы, а после прекращения воздействия изделие принимает прежний внешний вид. Такой эффект достигается при приложении силы, не превышающей предел упругости или модуль Юнга. Благодаря данному физическому свойству после снятия нагрузки заготовки из эластичных материалов возвращаются к первоначальным размерам.

Иными словами, упругая деформация металлов является обратимой и непостоянной. Чаще всего она сопровождается малыми изменениями формы, а упругое поведение обычно является линейным.

При упругой деформации происходит временное растяжение, искривление связей между атомами. Так, изгиб листа из стали приводит к тому, что все дислокации и связи в металле изгибаются или растягиваются всего на несколько процентов. При этом манипуляция не вызывает относительного перемещения атомов. Причиной подобной деформации может быть приложение внешних сил сдвига, провоцирующих соответствующее напряжение растяжения или сжатия.

Благодаря упругой деформации все связи в материале восстанавливаются после напряжения. Постепенно данные свойства металла ослабевают, иногда он даже утрачивает пластичность, становится хрупким.

Например, подобные перемены наблюдаются у олова: его пластичность снижается при резких скачках температуры, происходят аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот – в Средневековье такие процессы носили название оловянной чумы. Нередко снижение эластичности объясняется воздействием химических веществ.

Повысить эластичность или пружинистость стали удается за счет увеличения доли углерода. Поэтому рессоры для автомобилей изготавливаются из марок сталей, в которых содержится минимум 0,62–0,7 % данного компонента – этот показатель установлен ГОСТ 14959-2016. Кроме того, добиться необходимой упругости металла позволяет увеличенное содержание в нем марганца и кремния.

Пластическая деформация металла

Данный тип деформации металла объясняется процессами кристаллографической природы, а именно скольжением, двойникованием, межзеренным перемещением. Остановимся на них более подробно:

Процесс скольжения

Под действием касательных напряжений одна часть кристалла смещается относительно другой. Пока изменения наблюдаются в пределах одного кристалла, их обозначают как линейную дислокацию. Когда на поверхности кристалла образуется ступенька размером в один период решетки, значит, изменения начали распространяться по материалу.

В результате повышается напряжение, перемещаются новые атомные плоскости, появляются дополнительные ступеньки единичных сдвигов. Продвижение дислокации не сопровождается разрывом всех межатомных связей в зоне плоскости скольжения – они нарушаются лишь по краю дислокации.

Согласно современной теории:

скольжение распространяется последовательно в плоскости сдвига;
данный процесс деформации металла возникает в месте нарушения решетки – эта область появляется в результате воздействия нагрузки на кристалл.

К свойствам металла относится теоретическая прочность, которая позволяет описать сопротивление пластической деформации. Она зависит от сил связей между атомами в кристаллических решетках, при этом значительно превосходит реальный уровень прочности. Например, железу свойственны:

30 кг/мм – реальная прочность;
1 340 кг/мм – теоретическая прочность.

Столь значительная разница в показателях объясняется тем, что при движении дислокации нарушаются связи только у края, а для этого необходимы меньшие усилия.

Процесс двойникования

В кристалле появляются зоны с закономерно измененной ориентацией структуры. Двойникование приводит к незначительной деформации металла.

Причиной формирования такого образования являются:

зеркальная переориентация структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
поворот матрицы на некоторый угол вокруг кристаллографической оси.

Процессы могут происходить в металлах, которые обладают кристаллическими решетками двух типов:

гексагональной – ею характеризуется магний, цинк, титан, кадмий;
объемно-центрированной – присутствует у железа, вольфрама, ванадия, молибдена.

Склонность к двойникованию возрастает с ростом скорости деформации металла и снижением степени нагрева.

У алюминия, меди, как у металлов с кубической гранецентрированной решеткой, такие перемены наблюдаются в результате отжига заготовки, прошедшей стадию пластического деформирования.

Процесс межзеренного перемещения

Подобное изменение структуры проявляется в результате растягивания и запускается в зерне, где направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. В результате зерно растягивается. Находящиеся в непосредственной близости зерна разворачиваются и деформируются, как только направление легкого скольжения в них совмещается с направлением силы.

В итоге после такой деформации структура металла становится волокнистой, а механические характеристики материала определяются вектором воздействия:

пластичность выше в направлении, в котором прикладывалось растягивающее усилие;
прочность заметнее проявляется поперек приложения усилия, а в продольном направлении показатели ниже.

Данную разницу в свойствах, проявившуюся в результате процесса деформации металла, обозначают как анизотропия.

Разрушение металла при деформации

Высокие напряжения являются причиной более активной деформации и даже разрушения металлов. Последний процесс протекает из-за растрескивания материала: зародившаяся трещина распространяется через сечения, вызывая окончательное разрушение.

Причина образования трещины – в сосредоточении дислокаций, находящихся в движении, перед препятствием. Это приводит к тому, что напряжение возрастает до уровня, при котором металл трескается. Когда трещина достигает критического размера, она развивается произвольно.

При хрупком разрушении образуются острые, разветвленные трещины, которые стремительно разрастаются. Процесс протекает моментально, отличается низкой энергоемкостью, а работа распространения трещины оказывается практически на нулевом уровне.

Еще одна причина появления трещин связана с транскристаллитным и хрупким интеркристаллитным разрушением. Тогда трещины распространяются по телу зерна или по границам зерен соответственно.

Хрупкое разрушение приводит к формированию блестящего кристаллического излома, обладающего ручьистым строением. Он имеет плоскость, перпендикулярную нормальным напряжениям. Трещина распространяется в нескольких плоскостях, расположенных параллельно.

Причиной вязкого разрушения является срез, который происходит в результате воздействия касательных напряжений. Данному процессу всегда предшествует значительная пластическая деформация металла.

Тупая раскрывающаяся трещина имеет перед собой обширную пластическую зону и распространяется с малой скоростью. Также ее характеризуют высокие показатели энергоемкости, которые объясняются затратами энергии на формирование поверхностей раздела. Излом получается неровный, матовый, а его плоскость находится под определенным углом.

Деформация металла при сварке

Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.

Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Виды деформаций металла после сварки

Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.

Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).

По причинам возникновения

Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке

В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала

По времени существования

Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит

Остается в деталях и после устранения причин возникновения

По задействованной площади

Имеющееся во всей конструкции

Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла

Присутствующее в кристаллической решетке материала

По направленности воздействия

Появляется по линии шва

Размещается поперек оси соединения

По состоянию напряжения

Происходит только в одном направлении

Распространяется на два различных направления

Воздействие происходит по трем осям

В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:

Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.

Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.

Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Способы устранения деформации металла при сварке

Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.

Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.

Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.

Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.

Способы избежать деформации металла при сварке

Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.

Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.

Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.

Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.

При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.

Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.

Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.

Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.

Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.

Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.

Читайте также: