Что значит нагартованный алюминий
5 способов нагартовки (пластической деформации металлов)
Услышав слово «нагартовка», большинство пожмёт плечами. Бывшие студенты металлургических и машиностроительных учебных заведений наморщат лоб, пытаясь что-то вспомнить. Лишь единицы смогут объяснить суть явления. Расскажем об этом сложном термине, пришедшем к нам из материаловедения металлов.
Нагартовка или наклёп?
Часто нагартовку путают с наклёпом. Наклёп — более широкое понятие. Это все виды пластической деформации металлов, возникающие при наружном механическом воздействии. Наклёп может быть полезным и вредным. Полезный наклёп создаётся специально и называется «нагартовка» (от немецкого слова hart — твёрдый). Вредный наклёп образуется не специально и требует последующей термической обработки металла.
Что такое пластическая деформация?
Деформация — это изменение формы и размеров предмета. Она бывает упругой и неупругой. При упругой деформации размеры тела не меняются или восстанавливаются, при неупругой меняются. Неупругая деформация возникает, например, в алюминиевой заклёпке при ударах по ней металлическим молотком для формирования второй шляпки. Под ударом молотка алюминий на мгновение становится пластичным в месте удара и меняет свою форму. Поэтому неупругую деформацию металлов ещё называют пластической.
Что происходит внутри металла при пластической деформации?
Любой металл имеет кристаллическую пространственную решётку, в узлах которой находятся атомы. Чистые металлы без примесей имеют правильную прямоугольную решётку, в которой расстояния между атомами равны. Освободить металл от примесей при плавке сложно и на 100% невозможно. После плавки металл начинает остывать. Внутри него происходят сложные физико-химические процессы и формируется монолитный кристалл.
Примеси в виде атомов чужих металлов и неметаллов вклиниваются в структуру кристалла и мешают его правильному росту. Вот поэтому в любом металле после расплава при остывании образуются зёрна разной величины и формы. Внутри каждого зерна находится чистый металл с правильной решёткой. Примеси располагаются на границах зёрен. Связи между атомами металла в кристалле очень сильны. Но при пластичной деформации строгая прямоугольная решётка кристалла меняет свою форму, она сминается.
Пример из жизни
Если взять кусочек пластилина и немного покатать его между ладоней, можно получить некое подобие металлического зерна. Ударив несильно ладонью по окатышу, получим овальный блинчик. Приблизительно такую форму принимают зёрна металла после пластической деформации. Но не все зёрна становятся «блинчиками». Пластическая деформация сминает зёрна только в верхних слоях металла, упрочняя его.
Почему упрочняются верхние слои?
Для наглядности нужно опять обратиться к пластилину. Сделаем много окатышей и положим их ненадолго в морозилку. Из несильно замороженных кусочков слепим кучу. Ударим ладонью по этой куче. Что произошло? В месте удара образовались знакомые нам «блинчики». В глубине кучи окатыши тоже немного помялись. Чем глубже, тем меньше было сминания.
А теперь попробуем отрывать окатыши пластилина от кучи. С обратной от удара стороны это получается легко. Но чем ближе к месту удара, тем тяжелее это делать. Почему? Зёрна в глубине металла имеют определённую площадь соприкосновения друг с другом. В месте удара площадь соприкосновения увеличивается из-за увеличения внешней поверхности смятого зерна. При увеличении площади соприкосновения «родные» атомы металла соседних зёрен образуют между собой дополнительные связи. «Блинчики» крепче связаны между собой, чем простые «окатыши». Вот и весь секрет уплотнения и упрочнения верхних слоёв металла после пластической деформации!
Виды нагартовки металла
Нагартовка — это полезный процесс, при котором уплотняются верхние слои металла. Такой уровень упрочнения не приводит к появлению трещин и разрушению верхних слоёв. Снаружи металла появляется «корка», которая защищает деталь при эксплуатации. После нагартовки не нужна последующая механическая обработка металла.
В отличие от нагартовки вредный наклёп требует снятия возникших в верхних слоях напряжений. Металлу устраивают «баню», нагревая поверхность до величины в 40–60% от температуры плавления. При остывании происходит рекристаллизация, восстанавливается обычная структура зёрен, напряжений больше нет и можно проводить дальнейшую механическую обработку деталей, не ломая инструмент.
Полезный наклёп (нагартовка) и вредный наклёп возникают в результате пластической деформации верхних слоёв металла только в результате холодной обработки давлением. «Холодный» – подразумевает температуру окружающего воздуха. Справочники говорят нам о допустимой верхней температуре — не больше температуры «рекристаллизации».
Важной особенностью пластической деформации является отсутствие разрушения. Пластичность оценивается величиной относительного удлинения стандартного образца при разрыве. Эта величина составляет 10–50%. К сплавам, обладающим высокой пластичностью, относятся низкоуглеродистые стали (содержание углерода 0,25%), сплавы алюминия, меди (латуни), многие легированные стали.
Какими же бывают виды холодной обработки металла давлением, запускающие процесс нагартовки в металле?
Холодная ковка
Оборудованием служат пневматические молоты при весе заготовок от 0,3 до 20 кг, паровоздушные молоты для заготовок 20–350 кг, гидравлические прессы для обработки деталей весом до 200 тонн.
Холодную ковку включают в технологию обработки, если нужно:
Холодная прокатка
Это самый распространённый способ нагартовки. Так получают длинные заготовки — трубы, рельсы, профили строительных конструкций. Прокаткой получают листовой металл, используемый в машиностроении. Примером холодной прокатки может служить алюминиевая фольга толщиной до 0,001 мм, получаемая из чистого алюминия.
Холодное прессование или штамповка
Есть два вида — объёмная и листовая штамповка.
Выдавливание производят на прессах в штампах, имеющих пуансон и матрицу. Исходной заготовкой служит пруток или лист. Если делают прямое выдавливание, то получают болты и клапаны. Обратным выдавливанием изготавливают полые детали. При боковом выдавливании производят различные тройники и крестовины. В сложном изделии, выдавливание делают комбинированным.
Только этот вид штамповки позволяет получить максимальную деформацию поверхности без её разрушения.
Холодная высадка — самый высокопроизводительный способ изготовления продукции. Процесс поддаётся автоматизации, поэтому в минуту можно получить от 20 до 400 деталей. Исходным материалом здесь служит пруток или проволока диаметром 0,5–40 мм. В высадке есть потребность при выработке деталей с местным утолщением: заклёпок, болтов и винтов, гвоздей, шариков, звёздочек и накидных гаек. Коэффициент использования металла достигает 95%.
Процесс холодной формовки аналогичен горячей штамповке. Однако здесь нужны более высокие усилия, потому что материал имеет низкую формуемость из-за упрочнения и действия сил трения. Обычно так получают детали из цветных металлов.
При холодной листовой штамповке заготовками служат листы, полосы или ленты толщиной не более 10 мм.
При листовой штамповке деформации можно подвергать всю заготовку (отрезка и вырубка) или её часть (гибка, вытяжка и формовка).
Холодное волочение
Если нужно уменьшить диаметр и уплотнить поверхность проволоки для повышения её прочностных характеристик, применяют волочение. Это единственный способ нагартовки больших объёмов проволоки. В отличие от прокатки, где инструментом служат вращающиеся валки, в волочении для обжатия используют неподвижную матрицу с фильерами. За один цикл нельзя значительно сократить диаметр изделия, потому что тянущее усилие приложено к его тонкому концу.
Волочильные станы позволяют получать проволоку диаметром от 1 микрона до 6 мм.
Редуцирование
При этом способе нагартовки заготовка помещается между вращающимися обжимными валами или вращающаяся заготовка формуется под действием пуансона. В процессе вращения и обжима происходит изменение формы поверхности детали и её уплотнение.
На резьбонакатных станках получают заготовки с наружной и внутренней резьбой М3 — М68, используя для этого накатные ролики или оправки. При редуцировании труб происходит в основном закатка или раскатка концов на длину до 200 мм. Правка заготовок нужна для выправления геометрической оси изделия. Гибку заготовок используют для получения пружин разного диаметра.
Как оказалось, нагартовка очень интересный, полезный и распространённый способ деформации металлов, который позволяет значительно увеличить эффективность металлообработки.
Что значит нагартованный алюминий
Степень нагартовки
Нагартовку применяют для повышения прочностных свойств алюминия и алюминиевых сплавов, которые не упрочняются термической обработкой. Иногда эти сплавы – в основном сплавы серий 3ххх и 5ххх – называют в позитивном ключе: деформационно упрочняемыми. Основными «рычагами» для получения того или другого нагартованного состояния являются степень нагартовки – количество пластической холодной деформации и отжиг, полный или частичный – нагрев до температуры 350-400 °С при длительности, как правило, достаточной для полного прогрева.
Разупрочнение
Процесс, при котором наблюдается снижение напряжения, требуемого для пластичного течения материала. Как правило, данное явление можно наблюдать в закаленных сортах стали при высокотемпературном отпуске.
Тепловые параметры разупрочнения зависят от степени наклепа. Негативные последствия данного явления необходимо учитывать при любых операциях с металлическими изделиями. Например, элементы кузова автомобиля изготавливают методом штамповки и соединяют с помощью точечной сварки, применение которой носит местный характер. При кузовном ремонте необходимо использовать оборудование, которое имеет наименьшую зону термического воздействия. В противном случае нагрев выше температуры рекристаллизации приведет к разупрочнению элемента.
Обозначение состояний алюминиевых сплавов
Для обозначения всех состояний алюминия и алюминиевых сплавов (и не только нагартованных) во всем мире широко применяется американская система обозначений, разработанная в свое время Американской Алюминиевой Ассоциацией.
Состояние материала в горячепрессованном состоянии без дополнительных обработок – термических или деформационных – обозначается стандартах В и ISO буквой F и никакие цифры за ней не следуют. В отечественных стандартах это состояние идет вообще без обозначения.
Состояние полностью отожженного материала обозначается буквой
«О» (не ноль) по международной классификации состояний алюминия и алюминиевых сплавов или «М» – по отечественным ГОСТам. Буква О с дополнительной цифрой относится к отжигу со специальными условиями.
Все обозначения нагартованных состояний начинаются с латинской буквы «Н». За ней могут идти от 1 до 3 цифр.
Правка деталей: изгибом, тепловая, поверхностным наклепом.
Правка давлением – это устранение искажений формы детали. Править можно только пластичные материалы. Правку применяют при ремонте деталей, у которых во время эксплуатации появились остаточные деформации (изгиб, скручивание, коробление). Металл подвергается правке в холодном и горячем состоянии. Выбор способа правки (холодной или горячей) определяется величиной прогиба, размерами детали и материалом.
Рихтовка– этот правка закаленных деталей, а также деталей, изогнутых через ребро жесткости. При рихтовке производится вытяжка вогнутой стороны детали. Точность рихтовки может составлять 0, 01…0,05 мм.
Правку полосового и пруткового металла выполняют на плитах и наковальнях. Удары молотком наносят по выпуклой части. Качество правки проверяют на глаз, линейками или на плитах.
Для правки круглых прутков и валов применяют призмы.
Если усилие молотка недостаточно, применяют винтовые или гидравлические прессы. Валы диаметром до 30 мм правят винтовыми прессами. Величину прогиба определяют в центрах с помощью индикаторов.
Выправленные таким способом валы могут иметь внутренние остаточные напряжения, которые приводят к их искривлению при работе. Для устранения напряжений валы нагревают до температуры 400…500оС, а затем медленно охлаждают. Продолжительность охлаждения 30…60 мин.
Правку листового материала толщиной от 0,8 до 3 ммс волнистостью или выпучиной («хлопуном») выполняют в следующем порядке:
− определяют границы изогнутости и обводят мелом или мягким карандашом;
− удары наносят кружками по поверхности. Сила удара на краю изогнутости больше, на краю листа — меньше. Удары должны быть кистевыми, не очень сильными, и
наноситься всей поверхностью бойка, так как при ударе боковыми гранями молотка на листе могут появиться вмятины или пробоины.
Правка местным наклепомприменяется для исправления формы при незначительных деформациях, например, для длинномерных деталей при стреле прогиба не более 0,05% от длины детали (прогиб на 1 метре длины 1000х0,0005= 0,50 мм).
Местный наклеп образуется путем нанесения по вогнутой части поверхности детали большого числа незначительных по величине ударов ручным или пневматическим молотком со стальным закругленным бойком. В деформированном поверхностном слое создаются сжимающие напряжения, которые выправляют форму детали. Эпюра остаточных напряжений в поперечном сечении детали после наклепа показана на рисунке.
Тепловая правказаключается в быстром местном нагреве ограниченного участка детали. В этом случае за счет теплового расширения ограниченной зоны материала возникают напряжения сжатия и деформация материала детали. Деформации могут достигать значения остаточных, когда напряжения превысят предел упругости. После остывания детали и уменьшения теплового расширения материала до нуля остывший участок оказывается укороченным на размер остаточных деформаций. По этой причине возникают напряжения растяжения поверхностн6ого слоя. Эти напряжения, если нагревался выпуклый участок детали, приводят к выправлению детали.
Особенности структуры АТБ авиапредприятий, имеющих в своем составе летные коллективы, занимающиеся работами, связанными с использованием авиации специального применения (АСП).
Под авиацией специального назначения понимается специализированное применение ВС. Это может быть аварийно-спасательное подразделение, медицинское подразделение, контролирующее подразделение, подразделение милиции, подразделение по сельскохозяйственным работам.
К особенностям относятся – задачи таких подразделений, используемая АТ (вертолёты, спец. оборудование), а соответственно и средства ТОиР, численность персонала.
Специфика ПАНХ оказывает существенное влияние на формы и методы ТО ВС в зависимости от способа их эксплуатации с базовых и временных аэродромов. Каждое ВС закрепляется за техническим экипажем. На группу 5-6 ВС выделяется авиатехник-бригадир, на которого возлагается ответственность за качество, полноту и своевременность ТО. АТБ обеспечивает отправку на точку запасных частей, необходимого оборудования, средств механизации, постоянно поддерживает связь с оперативными точками.
Только нагартовка – серия Н1
Чисто нагартованные состояния без дополнительных обработок образуют серию Н1. Полностью нагартованным состоянием материала, которое обозначают Н18, называют состояние, полученное при холодной деформации эквивалентной относительному обжатию при прокатке 0,75. Относительное обжатие – это отношение разности толщин исходного и конечного листа к исходной толщине листа. Относительная вытяжка 0,75 будет достигаться, например, при исходной толщине 10 мм и конечной толщине 2,5 мм: (10 – 2,5)/10 = 0,75. Состояние Н19 обозначает изделия с еще большей степенью нагартовки, чем в состоянии Н18. Оно применяется, например, для ленты толщиной 0,30 мм из алюминиевого сплава 3104 для изготовления корпуса пивной банки. Состояния Н16, Н14 и Н12 получают при меньшем количестве холодной деформации и они представляют, соответственно, тричетвертинагартованное
,
полунагартованное
и
четвертьнагартованное
состояния.
Виды наклепа
Деформационное упрочнение металла классифицируют по процессам, которые активизируются в заготовке во время образования наклепанного слоя.
В случае образования новых фаз, отличающихся иным удельным объемом, явление называют фазовым. Если причина изменений – действие внешних сил, наклеп называют деформационным.
Существует две категории:
Рассмотрим характерные изменения материала, которые происходят при деформационном упрочнении. В результате действия внешних сил элементы внутренней структуры начинают активно перемещаться, что приводит к искажению внутри кристаллической решетки. При этом зерна, ориентация которых носит беспорядочный характер, приобретают четкую структуру – наиболее прочная ось кристаллов будет располагаться вдоль направления деформирования.
Во время изучения явления некоторые специалисты высказали мнение, что под действием внешних сил зерна металла дробятся, а это приводит к измельчению структуры. На самом деле они лишь деформируются, сохраняя прежний объем.
Состояния алюминия H111 и H112
При указании требований к механическим свойствам алюминия и алюминиевых сплавов часто употребляют обозначения состояний Н111 и Н112 из той же серии Н1. Состояние Н111 отличается от отожженного состояния О только небольшой степенью нагартовки, которую мог получить материал при правке или других технологических операциях. Состояние Н112 отличается от состояния F только небольшой степенью нагартовки (при горячей или холодной обработке), а также обязательным контролем механических свойств.
Почему алюминий пластичный?
Способность подвергаться большой пластической деформации является одним из наиболее полезных свойств металлов. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой, к которым относится и алюминий, обычно проявляют хорошую пластичность – их можно легко деформировать в различные сложные формы. Обычно металлы состоит из большого количества отдельных зерен или кристаллов, то есть они являются поликристаллическими. Типичное зерно или кристалл алюминия после горячей и холодной обработки, а затем отжига имеет диаметр, скажем, 40 мкм, а элементарная ячейка атомной кристаллической решетки – всего около 0,4 нм = 0,0004 мкм. Так что каждое зерно содержит много миллионов таких элементарных ячеек – порядка 10 15 штук.
Нагартовка и отжиг – серия Н2
Серия Н2 относится к материалам, которые были нагартованы до более высокой степени, чем это нужно было бы для заданных прочностных свойств, а затем снижают эту «лишнюю» прочность снимают с помощью частичного отжига. С увеличением степени нагартовки вторая цифра возрастает от 2 до 8 аналогично чисто нагартованным состояния: Н22, Н24, Н26 и Н28.
На рисунке схематически показаны нагартованные состояния серий Н1 и Н2 при различной степени нагартовки и различных длительностях отжига при постоянной температуре. Бывают аналогичные графики в зависимости от температуры отжига. У состояний с одинаковыми вторыми цифрами пределы прочности – одинаковые, а предел текучести у состояний с частичным отжигом ниже, чем у чисто нагартованных состояний. График роста прочности от степени холодной деформации имеет выпуклость вверх. Это отражает тот факт, что первые стадии холодной деформации дают максимальный прирост прочности.
Нагартовка алюминия это — Металлы, оборудование, инструкции
Алюминий – это пластичный и лёгкий металл белого цвета, покрытый серебристой матовой оксидной плёнкой. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Al (Aluminium) и находится в главной подгруппе III группы, третьего периода, под атомным номером 13. Купить алюминий вы можете на нашем сайте.
История открытия
В 16 веке знаменитый Парацельс сделал первый шаг к добыче алюминия. Из квасцов он выделил «квасцовую землю», которая содержала оксид неизвестного тогда металла. В 18 веке к этому эксперименту вернулся немецкий химик Андреас Маргграф.
Оксид алюминия он назвал «alumina», что на латинском языке означает «вяжущий». На тот момент металл не пользовался популярностью, так как не был найден в чистом виде. Долгие годы выделить чистый алюминий пытались английские, датские и немецкие учёные.
В 1855 году в Париже на Всемирной выставке металл алюминий произвёл фурор. Из него делали только предметы роскоши и ювелирные украшения, так как металл был достаточно дорогим. В конце 19 века появился более современный и дешёвый метод получения алюминия.
В 1911 году в Дюрене выпустили первую партию дюралюминия, названного в честь города. В 1919 из этого материала был создан первый самолёт.
Физические свойства
Металл алюминий характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, стойкостью к коррозии и морозу, пластичностью. Он хорошо поддаётся штамповке, ковке, волочению, прокатке. Алюминий хорошо сваривается различными видами сварки.
Важным свойством является малая плотность около 2,7 г/см³. Температура плавления составляет около 660°С. Механические, физико-химические и технологические свойства алюминия зависят от наличия и количества примесей, которые ухудшают свойства чистого металла.
Основные естественные примеси – это кремний, железо, цинк, титан и медь.
По степени очистки различают алюминий высокой и технической чистоты. Практическое различие заключается в отличии коррозионной устойчивости к некоторым средам. Чем чище металл, тем он дороже. Технический алюминий используется для изготовления сплавов, проката и кабельно-проводниковой продукции.
Металл высокой чистоты применяют в специальных целях. По показателю электропроводности алюминий уступает только золоту, серебру и меди. А сочетание малой плотности и высокой электропроводности позволяет конкурировать в сфере кабельно-проводниковой продукции с медью.
Длительный отжиг улучшает электропроводность, а нагартовка ухудшает.
Теплопроводность алюминия повышается с увеличением чистоты металла. Примеси марганца, магния и меди снижают это свойство. По показателю теплопроводности алюминий проигрывает только меди и серебру.
Благодаря этому свойству металл применяется в теплообменниках и радиаторах охлаждения. Алюминий обладает высокой удельной теплоёмкостью и теплотой плавления. Эти показатели значительно больше, чем у большинства металлов.
Чем выше степень чистоты алюминия, тем больше он способен отражать свет от поверхности. Металл хорошо полируется и анодируется.
Алюминий имеет большое сродство к кислороду и покрывается на воздухе тонкой прочной плёнкой оксида алюминия.
Эта плёнка защищает металл от последующего окисления и обеспечивает его хорошие антикоррозионные свойства.
Алюминий обладает стойкостью к атмосферной коррозии, морской и пресной воде, практически не вступает во взаимодействия с органическими кислотами, концентрированной или разбавленной азотной кислотой.
Химические свойства
Алюминий — это достаточно активный амфотерный металл. При обычных условиях прочная оксидная плёнка определяет его стойкость. Если разрушить оксидную плёнку, алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
Серия Н3 – для сплавов алюминий-магний
Серия Н3 – состояния с нагартовкой и стабилизирующей обработкой: Н32, Н34, Н36 и Н38. Эту серию состояний применяют только для алюминиево-магниевых сплавов – сплавов серии 5ххх. Дело в том, что в нагартованном состоянии эти сплавы в течение некоторого времени могут терять, достигнутые нагартовкой прочностные свойства, за счет механизма естественного старения. Поэтому, если стабильность прочностных свойств важна, их часто нагревают до умеренных температур, например, 220 °С, чтобы завершить этот процесс старения, при этом несколько снизить прочность, но повысить пластичность и, тем самым, обеспечить последующую стабильность механических свойств и рабочих характеристик.
Дислокации в алюминии
При разливке алюминиевых слитков первичные кристаллы растут из жидкой фазы и литая микроструктура обычно очень грубая. Когда алюминий пластически деформируют, каждое зерно деформируется путем движения линейных дефектов своей кристаллической решетки. Деформация происходит за счет проскальзывания
по
плоскостям скольжения
вдоль направлений сдвига. Эти дефекты называют
дислокациями
(рисунок 1). Дислокации двигаются по некоторым кристаллографическим плоскостям в кристалле – так называемым «плотно упакованным плоскостям», которые известны как плоскости скольжения. Движение одной дислокации производит единичную сдвиговую деформацию, а объединенное движение сотен тысяч дислокаций — полную деформацию.
В ходе деформации при комнатной температуре число дислокаций возрастает и им становится трудно двигаться сквозь атомную решетку. В этом случае говорят, что алюминий «получил нагартовку», «получил деформационное упрочнение» или даже «наклепался», а такой алюминий или алюминиевый сплав называют нагартованным. Это означает, что для продолжения деформации требуется все большие усилия, а алюминий постепенно теряет пластичность, что, в конечном счете, приведет к образованию в нем трещин и его разрушению.
В это время на атомном уровне происходит следующее. В ходе деформации скольжение дислокаций происходит очень активно и движущиеся дислокации различных плоскостей скольжения начинают взаимодействовать друг с другом, перепутываться между собой и образовывать так называемый «лес» дислокаций. С увеличением плотности дислокаций возрастает предел текучести материала — где-то прямо пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций.