Obróbka Metali
W tym artykule omówione zostaną obróbka cieplna i obróbka metali. Obróbka metali może być postrzegana jako procesy metalurgiczne, które zmieniają właściwości metali.
Obróbka Cieplna
Obróbka cieplna dużych elementów ze stali węglowej jest wykonywana w celu wykorzystania defektów krystalicznych i ich efektów, a tym samym uzyskania pożądanych właściwości lub warunków.
Podczas produkcji, poprzez zmienianie szybkości chłodzenia (hartowanie) metalu, kontroluje się wielkość i wzory ziaren. Charakterystyki ziaren są kontrolowane w celu uzyskania różnych poziomów twardości i wytrzymałości na rozciąganie. Ogólnie rzecz biorąc, im szybciej metal jest chłodzony, tym mniejsze będą rozmiary ziaren. To sprawia, że metal staje się twardszy. W miarę wzrostu twardości i wytrzymałości na rozciąganie w stali poddanej obróbce cieplnej, zmniejsza się jej odporność na pękanie i plastyczność.
Szybkość chłodzenia stosowana w hartowaniu zależy od metody chłodzenia i wielkości metalu. Jednolite chłodzenie jest kluczowe, aby zapobiec zniekształceniom. Zazwyczaj elementy stalowe są hartowane w oleju, wodzie lub emulsji tych dwóch.
Spawanie może wywołać naprężenia wewnętrzne, które pozostają w materiale po zakończeniu spawania. W stalach nierdzewnych, takich jak typ 304, sieć krystaliczna jest centrowana na twarzy (austenit). Podczas spawania w wysokiej temperaturze, niektóre otaczające metale mogą być podgrzane do temperatury pomiędzy 500°F (260°C) a 1000°F (537°C). W tym zakresie temperatur austenit przekształca się w strukturę sieci centrowaną na ciele (bainit). Gdy metal ostygnie, obszary otaczające spaw zawierają część oryginalnego austenitu i część nowo utworzonego bainitu. Problem pojawia się, ponieważ „współczynnik pakowania” (PF = objętość atomów/objętość komórki elementarnej) nie jest taki sam dla kryształów FCC jak dla kryształów BCC.
Bainit, który został utworzony, zajmuje więcej miejsca niż oryginalna sieć austenitu. To wydłużenie materiału powoduje resztkowe naprężenia ściskające i rozciągające w materiale. Naprężenia spawalnicze można zminimalizować stosując spawanie z wykorzystaniem radiatora, co skutkuje niższymi temperaturami metalu, lub poprzez wyżarzanie.
Wyżarzanie to kolejny powszechny proces obróbki cieplnej dla elementów ze stali węglowej. Podczas wyżarzania, element jest powoli podgrzewany do podwyższonej temperatury i utrzymywany tam przez długi czas, a następnie chłodzony. Proces wyżarzania jest wykonywany w celu uzyskania następujących efektów:
a. Zmiękczenie stali i poprawa plastyczności.
b. Redukcja naprężeń wewnętrznych spowodowanych wcześniejszymi procesami, takimi jak obróbka cieplna, spawanie lub obróbka mechaniczna.
c. Udoskonalenie struktury ziaren.
Obróbka na Zimno i na Gorąco
Odkształcenie plastyczne, które jest przeprowadzane w zakresie temperatur i w przedziale czasowym, w którym utwardzanie przez odkształcenie nie jest usuwane, nazywane jest obróbką na zimno. Uzyskano znaczne informacje na temat struktury stanu po obróbce na zimno. W początkowych etapach odkształcenia plastycznego poślizg odbywa się zasadniczo na głównych płaszczyznach poślizgu, a dyslokacje tworzą koplanarne układy. W miarę postępu odkształcenia następuje poślizg krzyżowy. Struktura po obróbce na zimno tworzy obszary o wysokiej gęstości dyslokacji, które szybko rozwijają się w sieci. Wielkość ziaren zmniejsza się wraz z odkształceniem przy niskim odkształceniu, ale szybko osiąga stały rozmiar. Obróbka na zimno zmniejsza plastyczność.
Obróbka na gorąco odnosi się do procesu, w którym metale są odkształcane powyżej ich temperatury rekrystalizacji i nie występuje utwardzanie przez odkształcenie. Obróbka na gorąco jest zazwyczaj wykonywana w podwyższonych temperaturach. Ołów jest jednak obrabiany na gorąco w temperaturze pokojowej ze względu na niską temperaturę topnienia. Na drugim krańcu, molibden jest obrabiany na zimno nawet w stosunkowo wysokich temperaturach z powodu wysokiej temperatury rekrystalizacji.
Opór metali na odkształcenie plastyczne zazwyczaj zmniejsza się w wyższych temperaturach. Z tego powodu większe masywne sekcje są zawsze obrabiane na gorąco przez kucie, walcowanie lub wytłaczanie.
Podsumowanie
Ważne informacje z tej sekcji są podsumowane poniżej:
Podsumowanie Wpływu Obróbki Cieplnej na Właściwości Metali
- Hartowanie
Zmienianie szybkości chłodzenia (hartowania) metalu kontroluje wielkość i wzory ziaren.
Charakterystyki ziaren są kontrolowane w celu uzyskania różnych poziomów twardości i wytrzymałości na rozciąganie.
Twardość i wytrzymałość na rozciąganie wzrastają w stali poddanej obróbce cieplnej; odporność na pękanie i plastyczność maleją. - Spawanie
Powoduje resztkowe naprężenia ściskające i rozciągające.
Naprężenia są minimalizowane przez stosowanie spawania z wykorzystaniem radiatora i wyżarzania. - Wyżarzanie
Zmiękcza stal i poprawia plastyczność.
Redukuje naprężenia wewnętrzne spowodowane wcześniejszymi procesami.
Udoskonala strukturę ziaren.