1.3. Fémek képlékeny alakítása

1. A fémek képlékenységének alapfogalmai

  • Az iparban használatos valamennyi fém és ötvözetei mechanikai igénybevétel hatására többé - kevésbé alakíthatók anélkül, hogy az anyag folytonossága (kontinuitása) megszűnne.

A nagy pontosságú, forgács nélküli alakítás után ugyanis rendszerint már nincs szükség a munkadarabok forgácsoló megmunkálására.

  • A fémek képlékeny alakításakor csak a munkadarab alakja változik, tömege, térfogata és folytonossága változatlan marad.

Jelenleg a képlékenység mérésére, számszerű meghatározására jellemző paraméter nincs. Általában annál képlékenyebbnek tételezhetjük fel a fémet, minél nagyobb a szakítószilárdság és folyáshatár viszonya (Rm/ReH), a kontrakciója (Z) és nyúlása (A).

2. Az alakváltozás mechanizmusa

Ha egy fémkristályt (8/a ábra) rugalmassági határát meg nem haladó igénybevételnek vetünk alá, a kristály alakja rugalmasan megváltozik (8/b ábra).


8. ábra. A fémkristály különféle alakváltozásainak mechanizmusa
a) alakítás előtt b) rugalmas alakváltozás c) transzláció d) ikerképződés

A további alakváltozás során, ha a rugalmassági határt már meghaladó igénybevételnek tesszük ki a kristályt, a kristály alakja maradandóan változik meg. Ez az alakváltozás úgy megy végbe, hogy a kristály egyes részei kristálytanilag meghatározott, ún. csúszási síkok mentén bizonyos irányban egymáson elcsúsznak anélkül, hogy a két kristályrész elválna egymástól. Ezt a jelenséget csúszásnak, transzlációnak nevezzük

A csúszás síkja és iránya a legtöbb fémnél az a kristálytani sík, illetve irány, amelyben az atomok a rácsszerkezetben a legsűrűbben fordulnak elő.

A transzláció feltétele ugyanis, hogy a működő csúszási síkban a fémre jellemző nagyságú csúsztatófeszültség ébredjen.

Az ikerképződés lényege az, hogy a kristálynak két párhuzamos sík közé eső része az eredeti tükörképének megfelelő helyzetbe kerül.

A rácshibák, elsősorban a diszlokációk tehát megkönnyítik a fémek képlékeny alakítását.

3. Az alakváltozás hatása a fémek tulajdonságaira

A fémek mechanikai tulajdonságai az egyes kristályok tulajdonságaitól, és nem utolsósorban a szemcsenagyságtól függenek. Ezzel is indokolható, hogy a durva szemcséjű fémeket a kis szakítószilárdság és a kis nyúlás jellemzi. (9/a ábra)

A maradandó alakváltozás - képlékeny alakítás - következtében a fémek és ötvözeteik legtöbb tulajdonsága (pl.elektromos vezetőképesség) megváltozik. A legnagyobb mértékű a mechanikai tulajdonságok változása.

  • A változások azonban csak akkor maradandóak, illetve figyelhetők meg, ha az alakítás a fémre jellemző hőmérséklet alatt, tehát a fém „hideg" állapotában megy végbe. Ha az alakítás után a fémet a jellemző hőmérséklethatárt meghaladó hőmérsékletre hevítjük, az alakváltozás következményei részben vagy egészen eltűnnek. A fémek és ötvözeteik e jellemző hőmérséklete a lágyulási hőmérséklet. (9/b ábra)

Az anyag ellenállása az alakváltozással szemben megnő, tehát további alakváltozást csak az előbbinél nagyobb igénybevétel hozhat létre, vagyis a fém alakíthatósága csökken.

9. ábra A 0,15 % széntartalmú acél a) keményedése b) lágyulása

  • Azt a belső feszültséget, amelynek hatására az anyagban a képlékeny alakváltozás megindul, alakítási szilárdságnak nevezzük. Egytengelyű feszültségi állapotban ez megegyezik az anyag mindenkori folyáshatárával. Az alakítási szilárdság értéke az alakváltozás sebességének növelésével nő, az alakítás hőmérsékletének emelésével viszont általában csökken.
  • Az alakítási ellenállás a gép által kifejtett nyomóerőnek és a munkadarab erőátvivő vetületterületének hányadosa. Minden anyagra jellemző egy nyomásérték, amelyet meghaladva a transzláció megindul. Az alakítás mértékén az alakváltozás irányába eső méretváltozásnak az eredeti méret százalékában kifejezett értékét értjük.

A hevítésnek (izzításnak) a mechanikai tulajdonságokra gyakorolt hatását lágyulásnak nevezzük. A lágyulás tehát az alakváltozásnak az alakítási ellenállás növelő hatását szünteti meg (10. ábra).

10. ábra.  Az  alakváltozás  mértékének  hatása a  lágyulási  hőmérsékletre

A  hőmérséklet  emelésével  először  az  alakítási  feszültség  csökken,  ezután  következik  a  lágyulás  és  végül  az  újrakristályosodás. Egy  kis  hőmérséklet-intervallumban  nagymértékű  változások  következnek  be. A  hidegalakítás  következtében  létrejött  keményedés  megszűnik,  a  fém  visszanyeri  alakítás  előtti  tulajdonságát,  kilágyul.

Az  újrakristályosodáskor  keletkező  szövet  szemcsenagyságát  alapvetően  az  alakítás  mértéke  és  az  izzítás  hőmérséklete  határozza  meg.  Eszerint  az  újrakristályosodott  fém  annál  finomabb  szemcséjű,  minél  nagyobb  volt  az  előzetes  hideg-alakítás  mértéke,  és  mennél  kisebb  az  izzítás  hőmérséklete  (11. ábra).  Fontos  szerepe  van  az  izzítás  idejének  is.  Meghatározó  az  alakítás  mértéke  is,  de  a  hőmérséklet  hatása  gyengébb.

 11. ábra  0,8 % széntartalmú  acél  újrakristályosodási  diagramja