Прокатное производство

роцесс обработки металла давлением (ОМД) – это придание материалу требуемой формы, размеров и физико-механических свойств без нарушения его сплошности путем пластической деформации. Пластичность металлов и сплавов зависит не только от их химического состава, структуры, но и условий, при которых происходит деформация – температуры, скорости и степени деформации. Технические процессы ОМД производятся в горячем и холодном состоянии.

При нагреве металла его способность к пластической деформации увеличивается, а сопротивление деформации падает, поэтому процессы горячей обработки менее трудо- и энергоемкие. В то же время, качество поверхности изделий, полученных горячей обработкой, хуже, так как образуется окалина, и меньше точность геометрических размеров по сравнению с изделиями, полученными холодной обработкой.

Металлы являются кристаллическими телами. При затвердевании жидкого металла сначала образуются кристаллы с правильным расположением атомов в пространственной решетке. В дальнейшем, правильная форма кристаллов нарушается в результате их взаимного воздействия. Кристаллы с неправильной формой называются зернами или кристаллитами.

Опыты показывают, что металл чаще разрушается не по границам зерен, а по самим зернам – по плоскостям скольжения кристаллов. Установлено, что для металлов и их сплавов основным механизмом пластической деформации является скольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений. Плоскости, по которым происходит скольжение, называют плоскостями скольжения.

Скольжение в металлах нельзя рассматривать как одновременный сдвиг одной части кристалла относительно другой по всей плоскости скольжения из-за нарушений (несовершенств) строения кристаллической решетки. Такие несовершенства (дефекты) могут быть точечными или линейными. Точечные образуются в результате выхода атомов из узлов решетки с образованием пустых мест, называемых вакансиями. Линейные же дефекты, в отличие от точечных, распространяются на значительную длину. Их принято называть дислокациями.

Дислокации бывают двух видов: краевые (линейные) и винтовые. Краевая дислокация образуется в результате вторжения в кристаллические решетки дополнительной атомной полуплоскости (рис. 48, а), именуемой экстраплоскостью. За счет этого число атомов над плоскостью АВ становится на один больше, чем под ней. Лишняя по сравнению с идеальной решеткой плоскость вызывает искажения – сжатие или растяжение решетки. Край экстраплоскости называют линией дислокации. Дислокации могут быть положительными или отрицательными в зависимости от расположения экстраплоскостей.

Винтовая дислокация (рис. 48,б) является более сложным несовершенством, чем краевая. Винтовая дислокация заключается в том, что часть кристаллической решетки на некотором протяжении оказывается сдвинутой на один параметр решетки относительно другой. При винтовой дислокации лишней атомной плоскости нет.

Дислокации образуются при кристаллизации металла, его пластической деформации и термической обработке. Они могут взаимодействовать между собой: дислокации одного знака отталкиваются, а разных – притягиваются друг к другу. При взаимодействии дислокаций противоположных знаков может происходить слияние экстраплоскостей и полное их устранение.

Количество дислокаций достигает 16⁶ - 10¹² на 1 см² поверхности металла в зависимости от его состояния. Основными свойствами дислокации являются способность их к перемещению под действием небольших усилий, способность к размножению и торможению. Дислокации тормозятся, встречая препятствия в виде примесных атомов или же дислокаций другого направления. Для дальнейшего их продвижения необходимо дополнительное усилие. Поэтому при увеличении плотности дислокаций и наличии атомов другого типа в кристаллической решетке, прочность металла также будет возрастать.

При пластической деформации металлов происходит движение имеющихся дислокаций и образование новых, увеличивается их плотность. Таким образом, пластическое деформирование металла приводит к повышению его прочности. Это явление называется наклепом или нагартовкой.

Методами пластической деформации получают заготовки из стали, чугуна, цветных металлов, пластмасс, резины и др. Широкое распространение ОМД объясняется высокой производительностью процессов и высоким качеством изделий. ОМД включает прокатку, ковку, штамповку, прессование и волочение.