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