s Reskovic Teorija Oblikovanja Deformiranjem

8/10/2019 s Reskovic Teorija Oblikovanja Deformiranjem

1/168

Sisak, 2014

Stoja Rekovi


2/168


3/168

SADRAJ

1. UVOD 1

2. FIZIKALNA I FIZIKALNO KEMIJSKA TEORIJA DEFORMACIJE 6

2.1. FIZIKALNA PRIRODA DEFORMACIJE 62.1.1. Deformacija monokristala 7

2.1.1.1. Mehanizmi plastinog teenja 9

2.1.1.2. Greke u kristalnoj reetci 142.1.1.3. Dislokacije 152.1.2. Deformacija polikristala 18

2.1.2.1. Hladna plastina deformacija 202.1.2.2. Topla plastina deformacija 25

2.2. BRZINE KOD DEFORMACIJE 282.2.1. Brzina alata 282.2.2. Brzina deformacije materijala 292.2.3. Brzina gibanja pojedinih estica u deformiranom tijelu tijekom

deformacije 30

2.3. PLASTINOST METALA 312.3.1. Pokazatelji plastinosti 332.3.2. Analiza utjecajnih faktora na plastinost 34

2.3.2.1. Utjecaj kemijskog sastava i strukture 352.3.2.2. Utjecaj temperature 372.3.2.3. Utjecaj brzine deformacije 372.3.2.4. Utjecaj stanja naprezanja materijala 382.3.2.5. Utjecaj dimenzija deformiranog tijela 392.3.2.6. Mogunost poveanja plastinosti 39

2.4. OTPOR DEFORMACIJI 392.4. 1. Utjecajni parametri na otpor deformacije 402.4.1.1. Utjecaj kemijskog sastava 402.4.1.2. Utjecaj temperature deformacije 402.4.1.3. Utjecaj brzine deformacije 412.4.1.4. Utjecaj stupnja deformacije 422.4.1 5. Ovisnost deformacijskog otpora o kontaktnom trenju 42

2.5. TRENJE PRI OBLIKOVANJU DEFORMACIJOM 422.5.1. Teorijske osnove trenja kod oblikovanja deformiranjem 432.5.2. Tehnoloka maziva 46

2.5.3. Utjecaj pojedinih faktora na proces trenja u uvjetimaoblikovanja metala deformiranjem 46


4/168

2.5.4. Utjecaj trenja na provedbu tehnikih procesa 49

2.6. PREGLED METODA ISPITIVANJA PLASTINISTI 51

2.6.1. Ispitivanje plastinosti i otpora deformaciji 51

2.6.2. Nove metode u ispitivanju plastinosti i otpora deformaciji54

3. MEHANIKO MATEMATIKA TEORIJA OBLIKOVANJADEFORMIRANJEM 59

3.1. NUMERIKO I GRAFIKO ODREIVANJE NAPREZANJA 59

3.1.1. Naprezanja u toki tijela u nagnutoj ravnini 603.1.2. Glavna normalna naprezanja 633.1.3. Glavna tangencijalna naprezanja 662.1.4. Grafiko odreivanje naprezanja 68

2.1.4.1. Linijsko stanje naprezanja 69

2.1.4.2. Plono stanje naprezanja 702.1.4.3. Prostorno stanje naprezanja 71

3.2. RASPODJELA NAPREZANJA I UVJETI RAVNOTEE 723.2.2.1. Uvjeti ravnotee za osnosimetrino napregnuto stanje 75

3.3. TEORIJA DEFORMACIJE 763.3.1. Teorija malih deformacija 773.3.2. Uvjeti plastinog teenje 78

3.3.2.1. Hipoteza najveeg tangencijalnog naprezanja 79

3.3.2.2. Hipoteza najvee deformacijske energije 793.3.3. Zakon plastinog teenja 843.3.5. Veze meu naprezanjima i deformacijama 86

3.6. SILE I DEFORMACIJSKI RAD 883.6. 1. Odreivanje deformacijskih sila 90

3.6.1.1. Metoda linije klizanja 913.6.1.1.1. Osnove teorije linija klizanja 92

3.6.1.1.2. Mrea linija klizanja 953.6.1.1.3. Svojstvo linija klizanja 96

3.6.1.2. Metoda deformacijskog rada 973.6.1.3. Metode modeliranja 98

3.7. NEJEDNOLIKOST DEFORMACIJE 99

3.7.1. Zaostala naprezanja 104

4. TEORIJA PROCESA DEFORMACIJE 106

4.1. TEORIJA OBLIKOVANJA METALA VALJANJEM 1064.1.1. Tok materijala u zoni deformacije 106

4.1.2. Zona deformacije 1114.1.2.1. Visinska redukcija 112


5/168

4.1.2.2. Kut zahvata 1124.1.2.3. Duljina linije zahvata 1134.1.2.4. Duljina linije dodira kod hladnog valjanja limova i trak 1154.1.2.5. Neutralni kut 1164.1.2.6. irenje 117

4.1.3. Brzine u procesu valjanja 1194.1.3.1. Raspodjela brzina u zoni deformacije 1204.1.3.2. Pretjecanje 122

4.1.4. Trenje u procesu valjanja 1254.1.5. Neravnomjernost deformacije kod valjanja 1264.1.6. Sile valjanja 1284.1.7. Specifini pritisak metala na valjke 1294.1.8. Moment valjanja 1314.1.9. Snaga motora potrebna za valjanje 132

4.2. TEORIJA OBLIKOVANJA METALA KOVANJEM 133

4.2.1. Slobodno kovanje 1334.2.1.1. Sabijanje izmeu paralelnih povrina 135

4.2.1.2. Sabijanje izmeu nagnutih radnih povrina137

4.2.1.3. Sabijanje izmeu cilindrinih radnih povrina139

4.2.1.1. Sabijanje komada neograniene duine 1414.2.1.2. Sabijanje komada ograniene duine 142

4.2.2. Iskivanje 143

4.3. TEORIJA OBLIKOVANJA METALA PREANJEM SISTISKIVANJEM

145

4.3.1. Istosmjerno istiskivanje 1454.3.2. Proraun sila u procesu istiskivanja 1474.3.2.1. Sila preanja u prijemniku 1514.3.2.2. Sile kod protusmjernog istiskivanja 1534.3.2.3. Sila kod istosmjernog istiskivanja cijevi 154

4.4. TEORIJA OBLIKOVANJA METALA IZVLAENJEM 1554.4.1. Posebnosti izvlaenja cijevi 159

5. LITERATURA 162


6/168

S. Rekovi TEORIJA OBLIKOVANJA DEFORMIRANJEM

1

1. UVOD

Oblikovanje metala deformiranjem provodi se s ciljem izmjene oblika i dimenzija proizvodabez razaranja. Pri tome se ostvaruju odgovarajua, fizika i mehanika svojstva. To je najstarijinain oblikovanja metala i legura. Danas se deformiranjem prerauje preko 85% ukupno

proizvedenog elika i preko 90% obojenih metala i njihovih legura.Teorija oblikovanja deformiranjem je sveobuhvatna znanstvena disciplina koja, polazei odosnovnih zakona fizikalnih i kemijskih procesa koji se odvijaju u metalu tijekom deformacije,

prouava meuutjecaje parametara deformacije sa strukturnim karakteristikama i mehanikimsvojstvima materijal. Oslanja se na znanstvene discipline:

fiziku metala znanost o metalima matematiku i mehaniku

Teorija oblikovanja deformiranjem razrauje metode prorauna naprezanja, deformacijskihsila i rada i njihovu primjenu u postupcima oblikovanja deformiranjem metala i legura.Takoer, razrauje matematike modele pojedinih procesa oblikovanja deformiranjem i

pojanjava fizikalnu bit plastine deformacije, kinetiku toka materijala u zoni deformacije,plastinost, otpor deformacije i trenje.

Procesi oblikovanja deformiranjem odvijaju se po odreenim zakonima. Poznavanje tih zakonaomoguava analizu procesa koji se odvijaju u proizvodu tijekom deformacije. Osnovni zakonikoji se koriste u teorijskim postavkama kod opisivanja procesa deformacije su: zakon okonstantnosti volumena, zakon najmanjeg otpora, zakon neravnomjerne deformacije i zaostalihnaprezanja te zakon slinosti i modeliranje procesa.

Zakon o konstantnosti volumena kae da je volumen proizvoda koji se deformira jednak napoetku i na kraju deformacije. Kod oblikovanja deformiranjem u kontinuiranim procesimavaljanja koji se odvijaju u vie faza (provlaka), vrijedi zakon konstantnog iznosa umnoka

povrine presjeka valjanog materijala i brzine u svakoj fazi kontinuiranog procesa (u svakojprovlaci).

Zakon najmanjeg otpora teenju materijala kod deformacije glasi: ako postoji mogunostteenja materijala razliitim pravcima, toka deformiranog tijela uvijek se giba u pravcunajmanjeg otpora. U realnim uvjetima kod oblikovanja proizvoda deformiranjem pojedinim

postupcima ne ostvaruje se ravnomjerna deformacija. Na neravnomjernost deformacije utjeevie faktora koji se mogu svrstati u geometrijske i fizike imbenike, a imaju za posljedicu

zaostala naprezanja. Zaostala naprezanja su ona naprezanja koja ostaju u deformiranomproizvodu nakon prestanka djelovanja sila.

Zakon slinosti i modeliranje procesa oblikovanja deformiranjem zasniva se na detaljnompoznavanju i povezivanju deformacijskih sila, rada i raspodjele naprezanja u zoni deformacije.Zbog uinjenih pojednostavljenja (fizikog, geometrijskog i matematikog karaktera), do tihspoznaja samo teorijskim analizama je nemogue doi. Za relevantne informacije o tijeku

procesa provode se istraivanja na odreenim proizvodima pri odreenim uvjetima. Takodobivene informacije ugrauju se u matematike modele preko zakona slinosti. Zakonslinosti polazi od geometrijske i fizike slinosti. Geometrijska slinost postoji ako jeispunjen uvjet da je odnos svih dimenzija modela i konkretnog proizvoda konstantan. Fizikaslinost postoji ako su ispunjena etiri uvjeta: isti materijal modela i proizvoda, isti


7/168


2

temperaturni reim deformacije, isti stupanj i brzina deformacije i identino trenje alata iproizvoda koji se deformira.

Razvoj teorije oblikovanja deformiranjem zapoet je tridesetih godina prolog stoljea.Zasniva se s jedne strane na zahtjevima koji se postavljaju na kvalitetu proizvoda dobivenog

oblikovanjem deformiranjem, a s druge strane na usavravanju postupaka prerade ioptimiranjem njihovih tehnoekonomskih pokazatelja. U poetku je taj razvoj tekao u dvaodvojena pravca. Prvi je koristio mehaniku kontinuuma i teoriju plastinosti kao znanstvenespoznaje u onoj mjeri u kojoj su u to doba bile razvijene (mehaniko matematiki pristup).Izraunavane su sile i rad deformacije. Drugi pristup bio je iskljuivo fiziki gdje se istraivaodeformirani materijala (fizikalni i fizikalno-kemijski pristup).

Danas se istraivanje provodi na vie razina. U prvom redu provodi se globalna analiza svihparametara. Analiziraju se meuutjecaji mehanizama ojaanja i omekanja tijekomdeformacije s kemijskim sastavom, temperaturom silom i izvrenim radom. Promatra seveliina naprezanja i deformacije pri odreenim brzinama i temperaturama deformacije i

njihov utjecaj na tok materijala u zoni deformacije. Posebno se istrauju mikro naprezanja,ovrivanje i omekavanje i razvoj mikrostrukture. Isto tako provode se fizikalna modeliranja

procesa to je osnova za dalje numeriko modeliranje. Prate se utjecajni parametri i razvojstrukture i substrukture u svakom dijelu zone deformacije.

Numeriko simuliranje daje informaciju o naprezanjima i promjenama u lokalno promatranompodruju. U plastinoj deformaciji najiru upotrebu nala je metoda konanih elemenata.Dosadanja primjena tih modela u praksi je pokazala da takvi modeli nisu uvijek pouzdani i nedaju u svim fazama promatranog procesa dobre rezultate. Razlog tome je to, uglavnom, nijemogue predvidjeti razvoj substrukture i strukture. Posljednjih godina razvijaju se programskialati koji bi trebali osigurali predvianje ne samo strukturnih promjena kod odreenih

procesnih parametara, nego optimiranje njihovog odnosa i ukupnog procesa.Fizikalno simuliranje zahtjeva paljivu kontrolu vremenskog tijeka i uinkovitosti procesnih

parametara. Pri tome se uzima u obzir temperatura, toplinski gradijent, deformacija u viestupnjeva, brzina deformacije (promjenljiva ili konstantna), tono vrijeme odnosa meuvarijablama, isti odnosa izmeu varijabli i trenje kod procesa deformacije.

Zahtjevi koji se postavljaju na procese toplog i hladnog oblikovanja proizvoda iz elika iobojenih metala su stalno poboljanje kvalitete proizvoda, smanjenje proizvodnih trokova,

poveanje proizvodnosti i vea fleksibilnost s obzirom na proizvodni program.Kod kvalitete samih proizvoda stalno se tei optimiranju kemijskog sastava, postizanje boljih

mehanikih svojstava, postizanje povoljne i jednoline strukture s manje segregacija, suenjetolerancija dimenzija i oplemenjivanje i poboljanje kvalitete povrine. Smanjenje proizvodnihtrokova promatra se kroz poveanje kapaciteta, poveanje izvatka, smanjenju zastoja,energetsku uinkovitost tehnolokih procesa, uvoenje informatikog upravljanja procesom itime smanjenje broja zaposlenih itd. Poveanje fleksibilnosti s obzirom na proizvodni programmogue je postii kroz optimiranje proizvodnih programa i usvajanje novih tehnologija i novih

proizvoda.

Daljnji razvoj postupaka plastine preradbe predvia se kroz ujednaavanje i / ili poveanjepresjeka uloka, koritenje uzdunih vlanih naprezanja, poboljanje mjerno regulacijsketehnike i njihovu energetsku uinkovitost. Smjernice za istraivanja u podruju teorija

oblikovanja deformiranjem su svakako u daljnjem fizikom i matematikom modeliranju


8/168


3

procesa, matematikim modelima kompleksnog programiranja, izuavanju toka materijala uzoni deformacije i raspodjeli naprezanja, te primjena novih metoda u istraivanju.

Metali i njihove legure mogu se oblikovati u poluproizvode ili gotove proizvode deformiranjems i bez razaranja.

Postupci oblikovanja deformiranjem

Oblikovanje metala provodi se s i bez razaranja. Postupcima s razaranjem konaan oblikproizvoda dobiva se odvajanjem estica. Metali i njihove legure se oblikuju bez razaranjalijevanjem, deformiranjem i sinteriranjem. Preko 85% proizvedenog elika prerauje seoblikovanjem deformiranjem. Na slici 1.1. dat je pregled postupaka obrade metaladeformiranjem.

Slika 1.1: Postupci prerade metala i njihovih legura

Glavni industrijski postupci kojima se plastinom deformacijom oblikuju metalni i legure su:

-slobodno kovanje i preanje-kovanje i preanje u kalupima-preanje istiskivanjem-preanje teenjem

- valjanje- izvlaenje u hladnom stanju- savijanje limova i traka

izvlaenje

Oblikovanje metala s razaranjem provodi se metodama odsijecanja i presijecanja. U metalurkoj prakskao samostalne tehnologije nemaju veliku primjenu (kao npr. valjanje) ali su sastavni dio navedenitehnologija, npr. kod kovanja.


9/168


4

Slobodno kovanje i preanjeSlobodno kovanje ili preanje je najstariji

postupak oblikovanja materijala deformiranjem.Provodi se izmeu dvije paralelne plohe na

ekiima i preama u toplom stanju. Brzina alatana ekiima je 5-7 m/s, a na preama do 1,5 m/s.Ovim postupkom oblikuju se otkivci mase do400t. Otkivci imaju velike tolerancije nadimenzije. Konaan oblik proizvoda postie senaknadnom strojnom obradom zbog ega otkivciimaju i odreeni dodatak za strojnu obradu.

Slika 1.2: Shema slobodnog kovanja (1- ranineplohe zone deformacije, 2-zona deformacije, 3-

tlane plohe) (1)

Kovanje u kovakim kalupimaZa razliku od slobodnog kovanja gdje materijalmoe slobodno tei u pravcima normalnim na

pravac kretanja alata, kod kovanja u kovakimkalupima ili ukovnjima teenje materijalaogranieno je zidovima gravure. Kovanjem ukovakim kalupima proizvode se otkivcisloenog oblika. Deformacija se provodi utoplom stanju. Zagrijani metal se utiskuje ugravuru ukovnja udarcima ekia ili tlakom

pree. Ovim postupkom proizvode se u velikimserijama, otkivci maksimalne mase do nekolikostotina kilograma. Za postizanje konanog

oblika potrebna je samo djelomina strojnaobrada.

Slika 1.3: Shema kovanja u kovakim kalupima(1- gornji kalup, 2 - donji kalup, 3 vijenac, 4 gravura) (1)

Preanje profila i cijevi istiskivanjemPreanje profila i cijevi istiskivanjem provodi seu toplom ili hladnom stanju tako da se zagrijanimetal istiskuje kroz profilnu matricu. Matrice nasebi mogu imati jedan ili vie otvora. Na ovajnain proizvode se cijevi sloenih oblikauglavnom iz lakih metala i njihovih legura.Duljina je ograniena dimenzijama strojeva i

kree se uglavnom do 25m. Danas je ovajpostupak osnovni postupak za oblikovanjedeformiranjem obojenih metala i legura.

Slika 1.4: Shema preanja istiskivanjem, (1

potiskiva, 2 recipijent, 3 matrica) (1).

Preanje teenjemNajee se provodi u hladnom stanju . Poddjelovanjem visokog tlaka metal se dovodi ustanje plastinog teenja i istiskuje kroz otvormatrice.

Slika 1.5: Shema preanja teenjem(a) istosmjerno, b) protusmjerno

1 potiskiva, 2 recipijent, 3 - matrica ) (1)


10/168


5

Duboko izvlaenjeDuboko izvlaenje provodi se uglavnom uhladnom stanju. Metalna ploa se uvrsti i

protiskivaem utiskuje u matricu i na taj naindobiva eljeni oblik. Na ovaj nain proizvode seposude razliita oblika, kao to su. boce zaplinove, posude, karoserije automobila Proces se provodi u vie faza s razliitim alatom.

Slika 1.6: Shema dubokog izvlaenja(1 protiskiva, 2 dra lima,3 matrica) (1)

ValjanjeValjanje je najzastupljeniji postupak oblikovanjadeformiranjem. Provodi se prolaskom metalaizmeu valjaka koji se okreu u suprotnom

smjeru. Pri tome se ostvaruje smanjenjepoprenog presjeka i poveava duljina.Valjanjem se dobivaju poluproizvodi i gotovi

proizvod razliitog oblika (profili, limovi i trake,nosai, cijevi ...). Poluproizvodi se valjaju utoplom stanju a gotovi proizvodi u toplom ihladnom stanju.

Slika 1.7: Shema valjanja1dodirne plohvaljaka i valjanog materijala, 2zondeformacije, 1, 3 valjci) (1)

Izvlaenje u hladnom stanjuIzvlaenjem u hladnom stanju oblikuju se puniili uplji profili razliita oblika. ipkasti metal

provlai se kroz otvor matrice pri emu seostvaruje redukcija od 10 do 30%. Postupak se

provodi uglavnom u hladnom stanju iako semoe materijal zagrijati prije deformacije. Utoplom stanju ovim postupkom se proizvode

plinske boce.

Slika 1.8: Shema izvlaenja1- ranine plohzone deformacije, (1-deformirani materijal, 2zona deformacije, 3-tlane plohe) (1)

Savijanje limova i trakaSavijanjem se proizvode cijevi, rezervoari kao i

razliiti profili. Provodi se na preama (a) ispecijalnim strojevima za savijanje odreenogproizvoda (b). Uglavnom se provodi u hladnomstanju. Slika 1.9: Shema savijanja a)limova i

b)cijevi (1)

Ovim tehnolokim postupcima metal se oblikuje u poluproizvode ili proizvode za strojogradnju.Tako se u proizvodnji aviona 85% dijelova oblikuje plastinom deformacijom. U automobilskojindustriji taj postotak je neto manji od 85% a kod proizvodnje traktora iznosi 70%. Izbor postupkaovisi u prvom redu od vrste proizvoda i njegovim dimenzijama, ali i o tehnoekonomski

pokazateljima takve proizvodnje.


11/168


6

2. FIZIKALNA I FIZIKALNO KEMIJSKA TEORIJA DEFORMACIJE

Teorija oblikovanja plastinom deformacijom predstavlja osnovu za razradu tehnolokihpostupaka oblikovanja deformiranjem. Temelji se na fizikalnom i fizikalno kemijskom

podruju koje prouava mehanizme plastinog oblikovanja, fizikalne uvjete elastinog iplastinog stanja kristala, utjecaj vanjske sredine na plastinost, veze plastinosti i kemijskih ifizikalnih promjena kao i fazna stanja tijekom procesa oblikovanja. Mehanikim imatematikim pristupom opisuju se ti procesi. Prouavaju se naprezanja, uvjeti prelaska izelastinog u plastino stanje, raspodjela naprezanja u zoni deformacije i neravnomjernostdeformacije. Postavljaju se uvjeti ravnotee, uvjeti plastinog teenja materijala i zakoniteenja.

2.1. FIZIKALNA PRIRODA DEFORMACIJE

Uslijed djelovanja vanjskih sila na neko tijelo dolazi do njegove deformacije. Deformacija je

promjena poloaja atoma u kristalnoj reetci deformiranog tijela pri emu se mijenja njegovoblik i dimenzije, a volumen ostaje nepromijenjen. Ona ovisi o tipu kristalne strukture,grekama u strukturi tijela koje se deformira i intenzitetu djelovanja sila. Vanjskim silama kojedjeluju na metalno tijelo odupiru se unutarnje sile koje sprjeavaju pomicanje atoma iz njihovihravnotenih poloaja. Te unutarnje sile nazivaju se naprezanja. Prema opim principimamehanike moemo ih rastaviti u zamiljenom koordinatnom sustavu na dvije komponente:- normalna naprezanja i- tangencijalna (smina) naprezanja na

Slika 2.1: Tijelo optereeno vanjskom silom i naprezanjau elementarnom paralopipedu

Kako e se odvijati deformacija u tijelu optereenim vanjskom silom ovisi o vie faktora, uprvom redu o kristalnoj strukturi tijela koje se deformira. Struktura metala odlikuje se, poredostalog i specifinom atomskom graom. Svi metali imaju kristalnu strukturu za koju jekarakteristino da se atomi nalaze u potpuno odreenom geometrijski pravilnom i periodiki

ponovljivom prostornom poretku. Tehniki najvaniji metali tvore uglavnom tri osnovna tipakristalne reetke: prostorno centriranu kubinu reetku, plono centriranu kubinu reetku iheksagonalnu reetku, slika 2.2.


12/168


7

Slika 2.2: Tipovi kristalne reetke: a,d)primitivna kubina reetka,b,e)prostorno (volumno) centrirana kubina reetka i

c,f) plono centrirana kubina reetka (3)

Na mikrostrukturu metala dominantan utjecaj ima nain skruivanja. Kristalizacija zapoinjestvaranjem klica (nukleusa) vrste faze. Pri skruivanju taline slau se atomi (ili molekule) u

pravilan, periodiki, trodimenzionalni raspored, koji karakterizira kristalnu reetku. Proceskristalizacije odvija se istovremeno u velikom broju centara kristalizacije. Klice kristala rastu uonom smjeru gdje je gustoa atoma vea i formiraju pravilnu kristalnu reetku. U trenutku kaddou u kontakt s drugim rastuim kristalom, njihov rast u tom smjeru postaje ometen. Kristal

prestaje rasti i ini jedno kristalno zrno. Strukturu ini vie kristalnih zrna koja imaju razliituorijentaciju. Takva struktura se naziva polikristalna struktura. Svi metali i legure koji seoblikuju deformiranjem imaju polikristalnu strukturu. Za razliku od polikristala, tijela kojaimaju u itavom volumenu karakteristian postojan pravac kristalografskih ravnina, to znai

da se sastoje od jednog kristala, nazivaju se monokristali.

U strukturi su prisutne i druge greke koje nastaju skruivanjem kao to su ukljuci, praznamjesta, intersticijski i supstitucijski atomi itd. Zbog prisutnosti velikog broja greaka ukristalnoj grai polikristala, tok deformacije je sloen. Da bi se lake razumjeli ti sloeni

procesi, tok plastine deformacije e se najprije pojasniti na pravilno razvijenom kristalu, namonokristalu.

2.1.1. Deformacija monokristala.

Osnovne fizikalne procese deformacije najlake je pojasniti na pravilno graenim kristalnim

zrnima ili jo bolje na metalnim monokristalima.

Slika 2.3: Shema kristalne grae monokristala


13/168


8

Da bi se razumjelo ponaanje monokristala pri djelovanju vanjskih sila, neophodno jepoznavati nain pomicanja atoma u kristalnoj reetci.

Izmeu atoma u kristalnoj reetci djeluju sile privlaenja koje nastoje pribliiti atome i odbojnesile koje tee da atome meusobno udalje. Po pravilu, atomi su rasporeeni tako da su te sile u

ravnotei. Ravnotea se naruava djelovanjem vanjske sile pri emu se atomi pomiu iz svojihravnotenih poloaja. Promjene meusobnog razmaka atoma dovode do naruavanja ravnoteemeuatomskih sila i poveanja potencijalne energije. To dovodi do promjene oblika idimenzija deformiranog tijela ali volumen ostaje isti. To znai da dolazi do deformacije.Djelovanjem vanjskih sila na monokristal u njemu su mogue elastine i / ili plastinedeformacije, slika 2.4.

a) b)Slika 2.4: Princip elastine i plastine deformacije

a) elastina deformacijab) plastina deformacija

Kad na neko tijelo duine , pone djelovati vanjska sila F, ona dovodi do poveanjapotencijalne energije kristalne reetke. Pri tome dolazi do pomicanja atoma iz ravnotenogpoloaja i na taj nain se poveanja udaljenost meu atomima u kristalnoj reetci. Udaljavanjeatoma iz njihovog ravnotenog poloaja znai daljnje povienje potencijalne energije. Ona raste

proporcionalno porastu siliF, slika 2.5, od do .

Slika 2.5: Elastina deformacija pri razvlaenju (7)

Do odreenog iznosa sile deformacija je proporcionalna djelovanju sile F. Poveanapotencijalna energija ne dovodi do kidanja atomskih veza. Uzajamni raspored atoma se ne

naruava. Atomi tee da se vrate u ravnoteni poloaj. Takvo stanje naziva se napregnutostanje. Nakon prestanka djelovanja sile deformirano tijelo se vraa u prvobitni poloaj, . Tu


14/168


9

deformaciju nazivamo elastina deformacija. Elastina deformacija uvijek djeluje u pravcudjelovanja sile i odvija se djelovanjem normalnog naprezanja. Nakon prestanka djelovanja silaatomi se vraaju u svoj ravnoteni poloaj, slika 2.4. Promjene svojstava deformiranogmaterijala u tom podruju traju samo dok traje elastina deformacija. Nakon prestankadjelovanja sila metalno tijelo ne mijenja trajno oblik niti dimenzije, a svojstva deformiranog

materijala ostaju ista. Elastina deformacija se odvija do granice proporcionalnosti. Zbog togase granica proporcionalnosti oznaava kao poetak plastinog toka materijala.

Kada doe do kidanja atomskih veza, slika 2.4b, atomi se pomiu iz poetnog poloaja,stvaraju nove veze i zauzimaju nove ravnotene poloaje. To znai da je zapoela plastinadeformacija. Plastina deformacija se odvija kao rezultat relativnog pomicanja atoma u novestabilne ravnotene poloaje na udaljenosti koja su vea od udaljenosti meu atomima ukristalnoj reetci. Kod poveanja sile razvlaenjaF dolazi do daljnjeg produljenja za .i to

produljenje nije proporcionalno sili razvlaenja.Nakon prestanka djelovanja sila atomi se ne vraaju u prvobitan poloaj i metalno tijelomijenja oblik i dimenzije, ali volumen ostaje konstantan. Meuatomske sile zadravaju svoj

karakter .

Slika 2.6: Plastina deformacija pri razvlaenju (7)

Ukupno produljenje ini produljenje zbog elastine i produljenje zbog plastinedeformacije. Produljenje zbog elastine deformacije nakon prestanka djelovanja sileiezava i ukupno produljenje je produljenje nastalo plastinom deformacijom. To znai da nasamom poetku plastinog toka materijala plastinu deformaciju uvijek prati elastinadeformacija. Prema tome plastina deformacija se odvija na ve elastino deformiranoj reetci i

predstavlja trajnu promjenu poloaja atoma ili odreenog kontinuuma metala.

Plastina deformacija je trajna deformacija i odvija se djelovanjem tangencijalnih ili sminihnaprezanja. Ovisna je o vie faktora, u prvom redu o intenzitetu djelovanja sile i poetnojstrukturi (tipu kristalne reetke i grekama u strukturi). Kod plastine deformacije potencijalnaenergija se pretvara u kinetiku uslijed ega dolazi do porasta temperature deformiranog tijela.

2.1.1.1. Mehanizmi plastinog teenja

Da bi dolo do deformacije neophodno je da naprezanja izazvana djelovanjem vanjskih silapostignu odreenu kritinu vrijednost. Ta naprezanja dovode do dva osnovna oblika plastinedeformacije: translacijskim klizanjem i stvaranjem sraslaca (blizanenja), slika 2.7.


15/168


10

translacijsko klizanje sraslanjeSlika 2.7: Translacijsko klizanje i sraslanje (1, 3)

U oba sluaja dolazi do uzajamnog neprekidnog premjetanja atoma iz jednog u drugiravnoteni poloaj za jedan ili vie parametara kristalne reetke. Zbog toga se atomi nakon

prestanka djelovanja sile ne mogu vratiti u prvobitni poloaj i dolazi do trajne deformacijeodnosno dolazi do plastine deformacije.

a)

Translacijsko klizanjePri translacijskom klizanju jedan sloj atoma klizi po drugom sloju. Pri tome se pomicanje vriuvijek za diskretnu veliinu jednaku cijelom broju meu atomske udaljenosti, slika 2.8. Atomiklize po kliznim ravninama i stvaraju klizne stepenice. Raspored atoma u kristalnoj reetci

poslije svakog klizanja ostaje sauvan. Uslijed plastine deformacije ne mijenja se tipkristalne reetke.

a) b)Slika 2.8: a)Klizanje po kliznim ravninama i stvaranje stepenica,

b) Klizne stepenice na manganskom eliku nakon deformacije (1, 3)

Translacijsko klizanje odvija se po ravninama koje se nalaze jedna do druge, a moe seodvijati i po ravninama na veoj udaljenosti. Ravnine klizanja su ravnine koje su postavljenetako da u sebi sadre najvie atoma u danoj konfiguraciji (najgue zaposjednute ravnine).

Slika 2.9: Primjeri za ravnine klizanja (3)


16/168


11

Atomi u tim kristalografskim ravninama se lake pomiu iz ravnotenog poloaja jer su ostaliatomi vie udaljeni od njih nego oni sami meusobno. Tako razliite kristalne reetke imajurazliit broj ravnina klizanja. Kroz plono centriranu kubnu reetku moe se postaviti vieravnina klizanja nego kroz prostorno centriranu. U kristalografiji se ravnine klizanjaoznaavaju s tri broja u zagradi. Oni su proporcionalni recipronoj vrijednosti odsjeaka koje

ine promatrane ravnine na koordinatnim osima. Prvi se odnosi na odsjeak na osi x, drugi naos y i trei na os z. Na slici 2.9. prikazani su primjeri ravnina klizanja za razliite kristalnereetke. Ravnina po kojoj se vri klizanje naziva se ravnina klizna, a smjer u kojem se klie je

pravac klizanja. Jedna ravnina klizanja i njoj pripadajui klizni pravci ine klizni sustav. Kodkristala s vie kliznih sustava obino se aktivira onaj kojem je komponenta tangencijalnognaprezanja najvea.

b) Sraslanje (dvojnikovanje)Stvaranje sraslaca se javlja kad tangencijalna naprezanja dostignu kritinu vrijednost. Pritome se horizontalni slojevi atoma pomiu proporcionalno udaljenosti pojedinog sloja odravnine sraslanja koja dijeli deformirani dio kristala od nedeformiranog, slika 2.10. Atomi se

premjetaju tako da su atomi s jedne strane ravnine sraslanja premjetaju za odreeni kut upoloaj zrcalne slike atoma s druge strane ravni sraslanja

Slika 2.10: a) Nastajanje sraslaca plastinom deformacijom ,b) Promjena kristalne orijentacije na lamelama sraslaca (1)

Plastinu deformaciju sraslanjem poveava snienje temperature i poveanje brzinedeformacije. Usporedba izmeu deformacije klizanjem i sraslanjem dana je na slici 2.11.

Translacijsko klizanje Sraslanje

Slika 2.11: Usporedba translacijskog klizanja i sraslanja(1,6)


17/168


12

Ova dva procesa razlikuju se u nekoliko aspekata. Kod klizanja je kristalografska orijentacijaispod i iznad ravni klizanja ista, prije i poslije deformacije. Kod sraslanja dolazi doreorijentacije po duljini ravni sraslanja. Pored toga, klizanje se javlja u iznosima kojiodgovaraju odreenim, viestrukim razmacima izmeu atoma, dok je premjetanje atoma kodsraslanja manje od meuatomskih udaljenosti atoma u kristalnoj reetci.

Da bi dolo do deformacije neophodna su odreena tangencijalna naprezanja. Tangencijalnonaprezanje potrebno da se izvri pomicanje jednog reda atoma u kristalnoj reetci rauna se

prema izrazu: = = gdje je tangencijalna (smina) sila, - povrina po kojoj je izvreno pomicanje atoma ukristalnoj reetci, a- konstanta reetke, mi n broj atoma u dva smjera.

Tangencijalno naprezanje izaziva pomicanje gornjeg sloja atoma za jedan red atoma, u

neravnotene poloaje A, B, C , slika 2.12. Moe se odrediti prema izrazu:

= =

Slika 2.12: Pomicanje atoma u savrenom kristalu kod translacijskog klizanja (1)

Energija potrebna za pomicanje atoma iz poloaja 0 u poloaj D rauna se prema izrazu:

Pri pomicanju atoma iz jednog u drugi ravnoteni poloaj iznos tangencijalnog naprezanjamijenja se sinusoidno.

20 anmA =

===2/

2

2/2

2

2/

a

o

zx

a

o

zx

a

o

t

dxmnd

dxmna

mna

dxF

e


18/168


13

Slika 2.13: Sinusoidna zakonitost pomicanje atoma u savrenom kristalu (1, 3)

0-A Djelovanjem sile dolazi do pomicanja atoma iz njegovog ravnotenog poloaja 0.Pri tome tangencijalna naprezanja rastu do maksimalne vrijednosti, toka A.

A-B U toki A dolazi do pucanja atomske veze (tangencijalna naprezanja). Energijapotrebna za deformaciju smanjuje se do nule.

B-C Tada na atom u pokretu poinje djelovati privlana sila susjednog atoma, i zadeformaciju nije potrebna energija, tangencijalna naprezanja pribliavaju se nuli.

C-D Kad privlana sila susjednog atoma privue atom blizu atoma u tom ravnotenompoloaju, tada atom u pokretu potiskuje susjedni atom iz njegovog ravnotenog poloajai tangencijalna naprezanja rastu.

D- U trenutku kad se susjedni atom pomakne iz svog ravnotenog poloaja na njegovomjesto dolazi atom u pokretu i postaje stabilan. Tangencijalna naprezanja su tada jednakanuli.

Sinusoidna zakonitost promjene tangencijalnog naprezanja moe se opisati izrazom:

Za male vrijednosti x vrijedi

Prema Hook-ovom zakonu

gdje je G- modul klizanja, - kut deformacije, x duljina pomicanja atoma, b udaljenost dvasloja koja se pomiu. Na poetku deformacije

Ako je

Navedeni izraz prikazuje maksimalno naprezanje za pomicanje atoma u savrenoj kristalnojreetci. Prikazanim proraunom dobiju se znatno vea naprezanja od stvarnih. Za meki elik smodulom elastinosti E=2100 N/mm2 i modulom smicanja =0,3, maksimalno tangencijalnonaprezanje je:

ba=

2max 130002 mmNG ==

2max

G=

( )axzx 2sinmax=

( ) axax 22sin =

bGxG zxzx ==

( ) bGxaxzx == 2sinmax

( ) 28100012 mmNEG =+=


19/168


14

Stvarna vrijednost maksimalnog tangencijalnog naprezanja je 210N/mm2, i do 60 puta manjaod teorijski izraunate. Razlog tome je to je analiza provedena teorijski. U realnimstrukturama prisutan je vrlo velik broj greaka koje utjeu na tok deformacije.

2.1.1.2. Greke u kristalnoj reetci

Greke u kristalnoj reetci mogu biti: tokaste, linijske, povrinske i volumne. Na slici 2.14prikazane su greke u kristalnoj reetci u realnoj strukturi.

Slika 2.14: Greke u kristalnoj reetci (4,5)

Tokaste greke ine prazna mjesta (PM), intersticijski atomi (IA) i supstitucijski atomi (SA).Linijske greke ine dislokacije koje mogu biti vijane (VD) i stepenaste (BD). Povrinske

greke su granice zrna (GZ), granice subzrna (GS) i granice faza. Volumne greke su praznamjesta (mikro i makro upljine ili prazna mjesta) (PM), ukljuci (U) i druga faza.

Slika 2.15: Granice zrna u kristalnoj reetci

Granice kristalnih zrna igraju vanu ulogu u procesu plastine deformacije polikristalnestrukture. Na granicama polikristala jako je naruena zakonitost atomske strukture, slika 2.15a.Otpor gibanju dislokacija, odnosno veliina granice teenja je proporcionalna ukupnoj povrinigranica zrna u materijalu, pa su zbog toga sitno zrnati materijali vri od materijala koji imajugruba (velika) kristalna zrna. Granice izmeu dviju razliitih faza, slika 2.15b, takoer

predstavljaju prepreku gibanju dislokacija to ima veliki znaaj u ovrivanju viefaznihslitina. Najvie greaka u kristalnoj reetci ima na povrini kristala.


20/168


15

Slika 2.16: Granice drugih faza u kristalnoj reetci (6)

Do greaka u kristalnoj reetci dolazi ve pri skruivanju metala i njihovih legura. Rauna se dau realnom kristalu od 1 cm3pri kristalizaciji nastane oko 108 tih greaka. Greke koje nastanu uovoj fazi (pri skruivanju i rastu kristala) najee ne lee na ravninama klizanja tih kristala.Zbog toga jae ne utjeu na plastinu deformaciju. Kod plastine deformacije broj greaka ukristalnoj reetci se povea na 1012. To poveanje je posljedica poveanja broja dislokacija.Dislokacije koje se javljaju kao rezultat naprezanja u kristalu ine glavne mehanizme kojima seodvija plastina deformacija.

2.1.1.3. Dislokacije

Tijekom procesa deformacije kidaju se i obnavljaju atomske veze. Kad se realni kristaldeformira uslijed djelovanja vanjske sile, u kristalu se pojavljuje odreena granica izmeudijela kristala koji se deformira i dijela koji se ne deformira. Ta granina linija naziva sedislokacijskom linijom. Dislokacije se ubrajaju u linijske nesavrenosti odnosno linijske grekezato to je njihova duljina u jednom smjeru puno vea u odnosu na samo nekoliko atomskih

promjera okomito na njihovu duljinu. Ova vrsta greke snano utjee na mehanika svojstvametalnih materijala i na plastinu deformabilnost. Kod plastine deformacije dislokacije se

gibaju kroz kristalnu reetku. Oteavanje gibanja dislokacija predstavlja povienje graniceteenja. Smanjena pokretljivost dislokacija vodi smanjenju mogunosti plastine deformacijematerijala.1934. Taylor i Orovan su po prvi put pokuali pojasniti mehanizam plastine deformacije urealnim kristalima hipotezom o dislokacijama. Prema njima, kod plastine deformacije realnihkristala klizanje atoma zapoinje na mjestu greaka u kristalnoj strukturi i prostire se duravnina klizanja. Proces kretanja atoma kroz kristalno zrno u stvari predstavlja gibanjedislokacija. Prema njima, mehanizam pomicanja dislokacija moe se usporediti s gibanjem crvakroz drvo, slika 2.17. Dislokacije se gibaju diskontinuirano, u koracima. Prema tome, ne

pomiu se svi atomi jedne klizne ravnine odjednom ve su trenutno u pokretu samo atomi upodruju dislokacije.

Slika 2.17: Gibanje dislokacija kroz kristal (3)

Dakle, dislokacija je linijski poremeaj koji nastaje na granici izmeu skliznutih i neskliznutihdijelova kristalne reetke. Mogu biti pozitivne i negativne, slika 2.18.


21/168


16

Slika 2.18: Pozitivna i negativna dislokacija

Ako u jednom redu ima vie atoma nego to to odgovara savrenoj kristalnoj reetci ondagovorimo o pozitivnoj dislokaciji. Ako pak u jednom redu ima manje atoma nego to odgovarakristalnoj reetci onda se govori o negativnoj dislokaciji.Dijele se na rubne i zavojne, slika 2.19. Rubna ili Taylor-ova dislokacija, slika 2.19a, kree seokomito na vlastitu duinu ili paralelno smjeru klizanja. Pomicanje atoma u smjeru strelica

posljedica je pozitivne dislokacije u gornjem dijelu kristala

a) b)Slika 2.19: a) Rubna ili Taylor-ova dislokacija,b) Zavojna ili Burgerr-ovai (1)

Zavojna ili Burgerr-ova dislokacija, slika 2.19b, takoer izaziva translaciju gornjeg dijela

kristala u pravcu strelice. Dislokacijska linija je paralelna s pravcem klizanja, dakle dislokacijase kree okomito na smjer klizanja i na vlastitu duljinu prostiranja. Rubna dislokacija moeklizati samo po ravninama u kojima je dislokacijska linija, dok zavojna dislokacija moe klizati

po bilo kojoj ravnini

Najvaniji naini nastanka dislokacija su sakupljanje praznih mjesta u tzv. ploice praznihmjesta i Frank-Readov izvor. Mehanizam nastajanja novih dislokacija prema Frank-Readov-om izvoru prikazan je na slici 2.20. Pod djelovanjem sminog naprezanja nastala dislokacija

proizvodi vei broj novih dislokacija, Kad se dislokacija u pokretu zaustavi u tokama A i B,djelovanjem tangencijalnih naprezanja ona se savija paralelno pravcu djelovanja naprezanja od1 do 4, slika 2.20a. Dislokacijska linija se na kraku zatvara, slika 2.20b, i dijeli se u dvije

dislokacije. Vanjska dislokacija se poveava i postepeno iri. Unutarnja dislokacija A-B sepod djelovanjem naprezanja ponovo iri i umnoava na opisani nain. Na ovaj nain mogue jestvaranja velikog broja dislokacija.

a) b)

Slika 2.20: Rasprostiranje i umnoavanje dislokacija premamehanizmu Franka i Reada (1)


22/168


17

Jedan drugi, daleko sloeniji nain poveanja broja dislokacija pri plastinoj deformaciji jeviestruko popreno klizanje kod kojeg se uvijek pojavljuju i zavojne dislokacije. Dok se pomehanizmu Frank-a i Read-a ire u kristalu samo po jednoj ravnini klizanja , kod viestrukog

poprenog klizanja ne dolazi do poveanja broja dislokacija samo na jednoj liniji, ve i na

susjednim.Ako su u strukturi prisutne greke kao npr. precipitati dolazi do interakcije precipitata idislokacija. Dokazano je da kod mikrolegiranih elika precipitati nastaju na dislokacijskimdipolima, slike 2.21 i 2.22.

Slika 2.21: Interakcija dislokacija i precipitata niobijevih karbonitrida A - stanje prije reakcijeB- poetna reakcija s mekim precipitatom,C-sjeenje precipitata i nastavak kretanja

dislokacija, D - poetna reakcija s tvrdim precipitatom, Enastajanje petlji (2,9,10)

Kod interakcije izmeu dislokacija i precipitata mogua su dva mehanizma:- presijecanje precipitata i nastavak kretanja dislokacije (ako su precipitati meki)- zaobilaenje precipitata i stvaranje petlji oko precipitata (tvrdi precipitati)

Pretpostavlja se da u legurama koje imaju vrlo sitne, koherentne precipitate prevladava prvimehanizam (B), dok su druga dva karakteristina za ostale legure. Efekt ovrivanja ovisidakle o koliini estica (volumenski udjel precipitata) izluenih u metalnoj matrici.Ovrivanje je vee to je vei volumni udio precipitata i to su precipitati manji. Takoerovisi i o vrsti precipitata. Vanadijevi, niobijevi i titanov karbidi, nitrdi i karbonitridi su vrlo

tvrdi i ine snane prepreke kretanju dislokacija.


23/168


18

Slika 2.22. Niobijevi precipitati i dislokacije (9)

Najdjelotvornije su estice precipitata veliine 20-50 nm. Uz veliinu i volumni udio esticaznaajno utjee i razmak izmeu estica (stupanj disperzije). To odreuje potrebno naprezanjeza gibanje dislokacija izmeu estica. Vei udio estica jasno smanjuje razmak izmeu estica.Povoljno djelovanje imaju precipitati Ti, V i Nb, koji s ugljikom i duikom tvore karbide,nitride i karbonitride, slika 2.22.

2.1.1.4. Deformacija polikristalaPolikristalna struktura, slika 2.23, je sastavljena iz vie kristalnih zrna razliite orijentacije kojau sebi imaju greke. Greke u kristalnoj reetci utjeu na proces plastine deformacije.Zbog toga je plastina deformacija polikristalnog tijela sloenija od deformacije monokristala.

Slika 2.23: Mikrostruktura polikristalnog tijela (2)

Deformacije polikristala se sastoji iz pomicanju atoma u svakom kristalnom zrnu(transkristalne deformacije) i meusobnog pomicanja unutar polikristalne strukture

(interkristalne deformacije), slika 2.24.

Transkristalna deformacija Interkristalna deformacijaSlika 2.24: Transkristalna i interkristalna deformacija


24/168


19

Transkristalna plastina deformacija odvija se klizanjem i sraslanje, analogno kao umonokristalu. Interkristalna plastina deformacija oteana je razliito orijentiranim kristalitimai granicama zrnastih kristalita. Granino podruje kristalita znatno se razlikuje od osnovnegrae. Posljedica toga je:- nagomilavanje potencijalne energije,

- stvaranje prepreka dislokacijama,- oteenja po granici zrna.

Da li e prevladati transkristalna ili interkristalna deformacija ovisi o samom materijalu. Kodmetala s vrstim kristalnim granicama prevladava transkristalna deformacija a kod metala smanje vrstim kristalnim granicama biti e u veoj mjeri prisutna interkristalna plastinadeformacija.Kod polikristala kristalna zrna imaju razliitu orijentaciju, slika 2.25. Ta razliita orijentacijastvara meusobno uzajamno djelovanje zrna to dovodi do razliito napregnutog stanja u

pojedinim zrnima. Zbog toga plastina deformacija ne poinje istovremeno u svim zrnima,slika 2.25.

Slika 2.25: Orijentacija ravnina klizanja u polikristalnim zrnima (1)

Deformacija zapoinje u onim zrnima koja imaju najpovoljniju orijentaciju, a to su zrna koja sepodudaraju s ravninama u kojima djeluju maksimalna tangencijalna naprezanja izazvanavanjskom silom. U zrnima i dolazi samo do elastine deformacije. U zrnima II i III najprijedolazi do elastine a zatim i do plastine deformacije.

Do plastine deformacije dolazi najprije u kristalnim zrnima ije su ravnine klizanja A-Asmjetene pod kutom 45 na pravac djelovanja vanjske sileF, slika 2.26. Normalna naprezanjadjeluju u smjeru djelovanja sile. Kako tangencijalna naprezanja djeluju pod kutom od 45, to edeformacija zapoeti u zrnima ije se ravnine klizanja poklapaju s ravninama u kojima djelujumaksimalna tangencijalna naprezanja izazvana vanjskom silom. Ostala zrna deformiraju se

elastino.

Slika 2.26: Naprezanja na ravninama klizanja


25/168


20

Da bi se plastina deformacija nastavila po svim zrnima potrebno je da se povea sila zadeformaciju. Pri tome moe doi do vee nehomogenosti deformacije i snienja plastinosti.Kad se poveanjem sile postigne potrebna vrijednost tangencijalnih naprezanja plastinadeformacija se odvija u svim zrnima. Daljnjom deformacijom dolazi do produljenja zrna u

pravcu najintenzivnijeg teenja metala.

U blizini granica zrna nalaze se slojevi s oteanom deformacijom zbog uzajamnog djelovanjarazliito orijentiranih zrna. S druge strane, na granicama zrna mogu biti mikroupljine koje sunastale kod skruivanja.

a)

b) c)

Slika 2.27:a) Dislokacije na granici zrna;b, c)Gibanje dislokacija i granice zrna (2, 9)

Granice zrna su snane prepreke kretanju dislokacija . Dislokacije ih ne mogu savladati izaustavljaju se i nakupljaju na granicama zrna. Na tim mjestima nastaju velike koncentracijenaprezanja. Granice s velikim kutom izmeu kliznih ravnina susjednih zrna (c) predstavljajuvelik otpor gibanju dislokacija (vrste granice). Mogue je da na ovim granicama doe do

ponitavanja dislokacija. Na slici 2.27a dislokacije su zaustavljene na granici zrna i vidljiva je

velika gustoa dislokacija. Koncentracija naprezanja koja se javlja ispred ravnine klizanja moebiti uzrok nastajanja nove dislokacije u susjednom zrnu. Granice s malim kutom izmeu kliznihravnina susjednih zrna (b) predstavljaju mali otpor gibanju dislokacija (meke granice).

2.1.2.1. Hladna plastina deformacija

Prema tome na kojoj se temperaturi vri, deformacija moe biti hladna ili topla plastinadeformacija. Hladna deformacija se provodi na temperaturama niim od temperaturerekristalizacije i na taj nain specifina je za svaki materijal. Kod hladne deformacije

polikristalne ravnine klizanja po kojima se odvija deformacija su razliito orijentirane pa se

dislokacije sijeku i na taj nain blokiraju ili/i ponitavaju. Vei dio mehanike energije utroenena hladnu deformaciju transformira se u unutarnju energiju deformiranog materijala i alata to


26/168


21

se opaa njihovim povienjem temperature. Manji dio te energije pohrani se u metalu uobliku energije naprezanja. Koliina pohranjene energije u prvom redu ovisi o vrsti procesadeformacije, a zatim i o brojnim drugim parametrima. Smatra se da pohranjena energija raste s

porastom stupnja deformacije, ali i s smanjenom brzinom, tako da udio ukupne energijepohranjene u metalu opada s porastom deformacije. Poveanje pohranjene energije u strukturi

znai i vei broj dislokacija.

Poznato je da hladna deformacija znaajno poveava broj dislokacija u metalu jer se kod hladnedeformacije ne odvijaju mehanizmi rekristalizacije i oporavka tijekom procesa (dinamiki

procesi). Deformacijsko ovrivanje je karakteristino svojstvo metala i moe se kvantitativnoizraziti veliinom n danom u slijedeoj jednadbi koja vrijedi za podruje jednolike plastinedeformacije: = gdje je - kritino naprezanje teenja, Aefektivno istezanje iK, n konstanta

Poveanjem stupnja deformacije vei je i stupanj ovrivanja. to je vei stupanj deformacijevea je i gustoa dislokacija a time i unutarnja naprezanja. Unutarnja naprezanja vezana su i sgustoom ostalih greaka u strukturi (npr. intersticijski i supstitucijski atomi, vokacije,ukljuci...)

Slika 2.28: Mehanika svojstva niskougljinog elika u zavisnosti ostupnju hladne deformacije (1).

Funkcionalna ovisnost promjene specifinog deformacijskog otpora o stupnju deformacijegrafiki je predstavljena krivuljom ovrivanja. Razlikuju se tri reda krivulja ovrivanja:

- krivulje ovrivanja prvog reda, gdje se deformacija izraava produljenjem

- krivulje ovrivanja drugog reda, gdje se deformacija izraava kontrakcijom

- krivulje ovrivanja treeg reda, gdje se deformacija izraava logaritamski:

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100

A5,%

Rm,MPa

Stupanj deformacije, %

Rm, MPa

A5, %

0 lnh

h

=

0

10

A

AAZ

=

)( 01 ll =


27/168


22

Krivulje ovrivanja odreujemo vlanim pokusom pri jednolikoj deformaciji probnoguzorka. Zavrna toka krivulje ovrivanja dobivena vlanim pokusom odgovara deformacijiu momentu pojave lokalne kontrakcije. Deformacija koja odgovara pojavi lokalne kontrakcije

je relativno mala u usporedbi s deformacijama koje se javljaju u realnim procesima. Na slici2.29. je prikazana krivulja ovrivanja I reda.

Slika 2.29: Krivulja ovrivanja materijala hladnom deformacijom (1)Analitika predodba krivulja ovrivanja drugog reda po GUBKI-novoj metodi:

Gdje je

Brzina ovrivanja pri hladnoj deformaciji je manja kod metala koji imaju gusto sloenuheksagonsku reetku. Porastom temperature smanjuje se brzina deformacijskog ovrivanja.Kod hladne plastine deformacije dolazi do smanjenja plastinosti i poveanja deformacijskogotpora. Dolazi do stvaranja trakaste strukture ili teksture, slika 2.30.

Razlikuje se kristalna i strukturna tekstura. Kristalna tekstura se pojavljuje samo kod metalaoblikovanih u hladnom stanju. Ona moe biti:

- vlaknasta (kod hladnog vuenja i preanja)- trakasta ( kod hladnog valjanja

MPaRk e,0

( )n

mm Z

Zkkkk

+= 00

+=

m

mm Z

ZZkk

1

21

MPaZ

Rk

m

m ,1

=

0

0

A

AAZ mm

=

m

m

m

m

Z

Z

kk

kn

=

10

MPaA

FRm ,

0

max=


28/168


23

Strukturna tekstura nastaje vlaknastom ili trakastom raspodjelom nehomogenih primjesa umetalu. Hladnom plastinom deformacijom mijenjaju se mehanika svojstava. Ako se hladnodeformirani metal zagrijava na odreenu temperaturu mogu mu se djelomino ili potpunovratiti njegova osnovna mehanika i fizikalna svojstva.

Slika 2.30: Promjena mikrostrukture kod hladne deformacije i naknadnog zagrijavanja na

temperaturu i iznad temperature rekristalizacije (2, 11, 14)Zagrijavanjem hladno deformiranog metala u njemu se mogu, ovisno o temperaturi, odvijatidva procesa:

- statiko oporavljanje i- statika rekristalizacija

Oporavljanje je proces promjene svojstava hladno deformiranih metala pri emu ne dolazi doprimjetne promjene mikrostrukture, dolazi do preraspodjele dislokacija i smanjuju senaprezanja u materijalu. Njegova fizika i mehanika svojstva tee da se vrate originalnimvrijednostima. Temperatura oporavljanja, , ovisna je o sastavu deformiranog materijala iodreuje se na osnovi temperature taljenja

tog materijala.

= (0,25 0,3)Kod hladne deformacije proces oporavljanja tijekom deformacije nije mogu, on se odvija kodnaknadnog zagrijavanja i naziva se statiko oporavljanje. Na oporavljanje hladno deformiranogmetala utjee temperatura naknadnog zagrijavanja, trajanje zagrijavanja i stupanj prethodnehladne deformacije. to je vei stupanj hladne plastine deformacije tim e se bre metaloporavljati. Ovisnost trajanja oporavljanja od temperature moe se izraziti jednadbom:

t trajanje (vrijeme) zagrijavanja za oporavljanje

T temperatura zagrijavanjaK konstanta ovisna o karakteristikama metala

TKet =


29/168


24

Rezultate oporavljanja mogue je prikazati dijagramom oporavljanja, slika 2.31.

Slika 2.31: Dijagram oporavljenog cinka (1)

Oporavljanje u % na ordinati tog dijagrama mogue je izraunati izrazom:

S stanje materijala prije hladne plastine deformacije,Sd stanje hladno deformiranog materijala iS0 stanje popravljenog materijala.

Na temperaturama viim od temperature oporavljanja dolazi do rekristalizacije. Rekristalizacijaje proces pri kojem se zagrijavanjem na odreenu temperaturu nakon hladne deformacije. izdeformiranog zrna s velikom gustoom dislokacija, nastaju nova, puno sitnija, zrna bezzaostalih naprezanja (bez dislokacija). Poetak rekristalizacije najavljuje pojavarekristalizacijskih klica ili rekristalizacijskih centara.

Temperatura rekristalizacije TR je kao i temperatura oporavka Toovisna o sastavu materijalaodnosno o temperaturi taljenja Tt i iznosi:

Kao i kod oporavljanja, nakon hladne deformacije odvija se i statika rekristalizacija. Dorekristalizacije dolazi pod odreenim uvjetima. Stupanj hladne plastine deformacije moraprijei odreenu kritinu vrijednost (kritini stupanj deformacije razliit je za razne metale ilei izmeu 2 i 10%). Svaki metal ima kritinu temperaturu iznad koje poinje procesrekristalizacije.Kod viih temperatura mogu je nepoeljni porast zrna i time pogoranje svojstava. Rezultati

promjena strukture prikazuju se u obliku rekristalizacijskih dijagrama, slika 2. 32.

tR TT 4,0=

)/()(100(%) 0 dd SSSSjeoporavljan =


30/168


25

Slika 2.32: Ovisnost veliine zrna o stupnju deformacije i temperaturi (1)

Poveanjem stupnja deformacije veliina zrna se smanjuje, a poveanjem temperaturezagrijavanja veliina zrna raste. Taj porast je vii to je manji stupanj deformacije. Kod velikihdeformacija i visokih temperatura arenja moe doi do odreenog nepoeljnog poveanjazrna. Ta pojava vezana je uz sekundarnu rekristalizaciju.

2.1.2.2. Topla plastina deformacija

Ako se metali oblikuju plastinom deformacijom na temperaturama iznad temperature

rekristalizacije onda govorimo o toploj plastinoj deformaciji. Toplina apsorbirana u metaluzagrijavanjem poveava energiju toplinskih oscilacija atoma i na taj nain se poveava njihovapokretljivost unutar slojeva atoma. Kod tople plastine deformacije, kada se ostvari kritinistupanj deformacije, istovremeno s procesom deformacije (ojaanje) odvijaju se procesioporavka i rekristalizacije (omekanja). Nazivamo ih dinamiki oporavak i dinamikarekristalizacija, slika 2.33. Kao i kod hladne deformacije, deformacija se odvija klizanjem istvaranjem sraslaca. U procesu valjanja deformacija se, kako je reeno, najprije odvija u zrnimas najpogodnijom orijentacijom. Kad se u njima ostvari kritini stupanj redukcije zapoinjedinamiki oporavak i dinamika rekristalizacija, slika 2.34.

Slika 2.33:. Promjena strukture tijekom tople deformacije (2)


31/168


26

Slika 2.34:. Prikaz procesa deformacije kod termomehanike obrademikrolegiranog elika (9, 5)

Za to vrijeme je ve zapoela deformacija u drugim zrnima s najpogodnijom orijentacijom i unjima se odvijaju isti mehanizmi. Uslijed deformacije dolazi do produljenja zrna. U izduenom,deformiranom. zrnu prisutna je velika gustoa dislokacija. Uslijed deformacije dislokacije sekreu. U koliko budu zaustavljene na nekim preprekama (ukljuci, precipitati, drugedislokacije,...) dolazi do deformacije dijela kristalne reetke i stvaranja subzrna, slike 2.34 i2.35. Granice subzrna su mjesta s velikom gustoom dislokacija. Subzrna su klice novih zrnakoja nastaju rekristalizacijom kad se ostvari kritini stupanj deformacije.

Slika 2.35: Dislokacije u deformiranom zrnu i po granicama zrna (2, 3)

Daljnjom deformacijom rekristalizirana zrna se ponovo deformiraju i ponovo rekristaliziraju.Nakon zavrene tople deformacije iz jednog zrna rekristalizacijom nastaje vie sitnijih zrna,slika.2.36.

Slika 2.36: Prikaz rekristalizacije u deformiranom zrnu pri termomehanikojobradi niobijem mikrolegiranog elika (9, 15)

Deformirana zrna

Rekristalizirana zrna


32/168


27

Toplo valjanje limova i traka odvija se u vie prolaza ovisno o tipu valjake pruge. Uloak izniskougljinog i nekih drugih elika se prije valjanja zagrijava na temperaturu koja uglavnommora biti dovoljno visoka da se valjanje zavri iznad temperature transformacije austenita uferitno-perlitnu strukturu, slika 2.37. Zagrijavanje elika na visoku temperaturu i dugo dranjena toj temperaturi moe dovesti do heterogenog porasta austenitnog zrna koje se ne moe

popraviti tijekom valjanja i ima za posljedicu loa mehanika svojstva.

Slika 2.37:Promjena veliine zrna kod tople deformacije (9, 15)

Proces valjanja obino se odvija u dvije faze: preddeformacija i zavrna deformacija. U

preddeformaciji, koja se odvija na visokim temperaturama i uz visoke stupnjeve redukcije(visok stupanj deformacije), odvija se potpuna dinamika rekristalizacija i postie znaajnositnjenje zrna. U zavrnoj deformaciji, koja se takoer odvija u vie provlaka, postie sekonano sitnjenje zrna, Stupnjevi deformacije su ovisni o temperaturi i na kraju ne smije bitimanji od 16%. Brzina deformacije se prema kraju poveava i prelaze brzinu rekristalizacije.Oporavak i rekristalizacija su pri kraju zavrnog valjanja zakoeni.

Slika 2.38: Utjecaj temperature toplog valjanja i brzine hlaenja na veliinu zrna (6, 16)

Zavrna temperatura deformacije je bitna za svojstva valjanog proizvoda, slika 2.38. Ako sedeformacija zavri na visokim temperaturama konana veliina zrna nakon faznetransformacije je krupnija u usporedbi kad se valjanje zavri na temperaturama bliskim

temperaturi fazne transformacije. Ovdje je bitna i brzina hlaenja nakon deformacije. to jebrzina vea dobije se sitnije konano zrno.


33/168


28

Kod toplog valjanja rekristalizacijom se ostvaruje znaajno sitnjenje zrna, slika 2.39.

Slika 2.39: Usitnjenje zrna pri toploj plastinoj deformaciji (2)

Vaan je nain deformacije. Kod hladne deformacije utjecaj brzine deformacije je manji, nemarekristalizacije, naprezanje teenja raste sa stupnjem deformacije i promjena brzine deformacijene utjee na specifini deformacijski otpor. Kod tople deformacije utjecaj brzine deformacije jevei. Razlog tome je to kod tople deformacije teku paralelno dva suprotna procesa (procesovrivanja i proces rekristalizacije).Prednosti tople deformacije su u tome to je otpor deformaciji znatno manji i to je poveana

plastinost.

2.2. BRZINE KOD DEFORMACIJE

Da bi se odredio utjecaj brzine kod deformacije potrebno je imati na umu da brzina deformacije

materijala nije isto to i brzina alata. Zato na poetku razmatranja utjecaja brzine na plastinoteenje materijala potrebno naglasiti da kod plastine deformacije brzine moemo podijelitina:a) brzinu alata kojom se vri deformacija w,

b) brzinu deformacije materijala ,c) brzinu gibanja pojedinih estica materijala kod plastine deformacije.

2.2.1. Brzina alata

Brzina alata je ovisna o konstrukciji strojeva za deformaciju, predstavlja brzinu kretanja

malja kod kovanja i potisne plohe kod pree, obodnu brzinu valjaka kod valjanja.


34/168


29

Slika 2.40: Odreivanje brzine deformacije kod sabijanja (1)

Brzina alata kod sabijanja

Brzina valjaka kod valjanja:

gdje je n broj okretaja valjaka u minut, a D promjer valjaka, mm.

Brzine alata- ekia je od 5 do 7 m/s ,- mehanikih prea je do 3 m/s ,- hidraulikih prea do 0.5 m/s

2.2.2. Brzina deformacije materijala

Brzina deformacije materijala znatno se razlikuje po tome dali se radi o toploj ili hladnojdeformaciji. Kod hladne deformacije brzina deformacije nema toliko velik utjecaj kao kodtople deformacije. Kao to je reeno kod tople deformacije istovremeno s deformacijomodvijaju se i oporavak i rekristalizacija. Zbog toga brzina deformacije mora biti manja od

brzine rekristalizacije. Kod velike brzine deformacije i male brzine rekristalizacijedeformiranog metala, deformirani polikristali se ne mogu oporaviti i rekristalizirati. Posljedicatoga je smanjenje plastinosti metala , uz istovremeni porast specifinog deformacijskogotpora.Poveanjem brzine deformacije smanjuje se dubina rasprostiranja deformacije. Posljedica toga

je nehomogenost deformiranog materijala.Poetna brzina deformacije materijala (v) kod tople deformacije mora biti mala jer utjee i nadeformacijski otpor:

Utjecaj brzine deformacije odreuje se za svaki elik i kree se od 10 -3 do 10 -2.Brzina deformacije materijala je derivacija logaritamskog stupnja deformacije po vremenu iovisna je o brzini alata wi o trajanju deformacije:

Brzina deformacije pri sabijanju predstavlja linijsku brzinu visinske redukcije

d

d

h hw

t t

= =

( )v 00

ln vk k nv

= =

( )0 1sr

h hhw

t t

= =

1,11 =

=

= sh

w

hdt

dh

dth

dhv

60

nDwob

=

1-0

1

,ln

st

hh

tu hsr ==

hvu h=

dtdhvh=


35/168


30

Brzina deformacije pri valjanju ovisna je o obodnoj brzini valjaka wo, kutu zahvata , idimenzijama valjanog komada i prema Ekelundu se moe odrediti:

gdje je R- polumjer valjaka, mm.

Kod iste brzine alata , brzina deformacije je vea ukoliko je poetna visina tijela koje sedeformira manja.Poetne vrijednosti brzine deformacije se kreu:- za elik od 0.01 do 10 s-1,- za koljenaste frikcijske i ekscentarpree od 4 do 25 s-1,- za hidraulike pree od 40 do 160 (s-1).

Kod hladne deformacije utjecaj brzine deformacije je manji jer nema rekristalizacije.Naprezanje teenja raste sa stupnjem deformacije. Promjena brzine deformacije ne utjee naspecifini deformacijski otpor.Kod tople deformacije utjecaj brzine deformacije je vei (utjecaja je vei kod malih brzina iobrnuto). Razlog tome je to kod tople deformacije teku paralelno dva suprotna procesa (procesovrivanja i proces rekristalizacije). Poveanjem brzine deformacije smanjuje se dubinarasprostiranja deformacije. Posljedica toga je nehomogenost u materijalu. Poetna brzinadeformacije materijala (v) kod tople deformacije mora biti mala. Kod velike brzine deformacijei male brzine rekristalizacije deformiranog metala, deformirani polikristali metala se ne moguoporaviti i rekristalizirati. Posljedica toga je smanjenje plastinosti metala , uz istovremeni

porast specifinog deformacijskog otpora. Utjecaj brzine deformacije odreuje se za svakielik. Kree se od 10 -3 do 10-2.

2.2.3. Brzina gibanja pojedinih estica u deformiranomtijelu tijekom deformacije

Brzina gibanja pojedinih estica u deformiranom tijelu za vrijeme deformacije vm stalno semijenja i nije jednaka u cijelom deformiranom tijelu. Toni podaci o brzinama gibanja

pojedinih estica deformiranog tijela nije jednostavno odrediti. Postoje odreeni matematikimodeli koji opisuju brzinu gibanja na pojedinim dijelovima deformiranog tijela, alisu

napravljeni za pojednostavljene primjere i postoji znaajno odstupanje u odnosu na vrijednostikoje se mogu izmjeriti. Kod sabijanja se razlikuju tri zone u kojima su brzine znaajnorazlikuju:

Slika 2.41: Raspodjela brzina pri sabijanju (1, 18)

,2 1-

1

s

hh

R

h

vuo+

=1-

1

,

2

2sin2

s

hh

wu

o+

=


36/168


31

I zona (zona ometanog irenja) nastaje na mjestima dodira cilindra i alata te zbog trenja nadodirnim povrinama, teenje materijala je jako usporeno

II zona (zona glavnih deformacija) do najveih deformacija dolazi u sredini cilindra i brzineteenja su razliite

III zona (bona zona) u vanjskim zonama cilindra dolazi do jakih naprezanja i brzine teenja

materijala su velike.

Kod tople deformacije brzina deformacije ima znaajan utjecaj na tok deformacije. Ako se,kako je ve reeno, deformacija odvija gibanjem dislokacija kroz deformiranu zonu, a gustoadislokacija ovisi o stupnju deformacije i mehanizmima oporavka i rekristalizacije, onda je jasnoda je brzina gibanja pojedinih estica u deformiranom tijelu tijekom deformacije ovisna ogustoi dislokacija i mehanizmima oporavka i rekristalizacije. Na poetku deformacije brzinagibanja pojedinih estica je mala. Kad se povea kritini stupanj deformacije i time gustoadislokacija, poveava se i brzina i broj dislokacija u pokretu i na taj nain brzina gibanja

pojedinih estica u deformiranom tijelu.

2.3. PLASTINOST METALA

Plastina deformacija je promjena oblika i dimenzija proizvoda iz kovinskih materijala bezrazaranja. Pod obradivosti elika podrazumijeva se maksimalno mogua deformacija kojumetal moe izdrati a da ne doe do njegovog mehanikog razaranja, tj. da ne doe donaruavanja atomskih veza. Pojmovi obradivost i plastinost su se vrlo rijetko razdvajali a donedavno su se koristili u istom smislu. Na taj nain identificirali su se pojmovi sposobnost zaoblikovanje deformiranjem i plastinost. Znatan doprinos u definiranju njihovog znaenja dao

je Gupkin. Prema njemu:Pod sposobnou za deformaciju treba podrazumijevati osobinu metala ili legura, odreenog

oblika, koja omoguava nepovratnu promjenu oblika pri njegovoj plastinoj preradi u razliitimuvjetima deformacije.

Sukladno tome mogu se definirati slijedei pojmovi:

-plastinost (P)je prirodno svojstvo materijala,-deformabilnost (D) je svojstvo materijala da se plastino deformira u toplom i hladnom

stanju-obradivost (O) je svojstvo materijala da se deformira kako plastinom deformacijom (bez

razaranja) tako i s razaranjem (odvajanjem estica).

Na taj nain sposobnost za oblikovanje deformacijom je vezana za sljedee faktore:-svojstvo samog metala, koja omoguuje nepovratnu promjenu oblika tijela tj. njegovaplastinost

-uvjete deformacije, koji vladaju pri odreenoj tehnologiji oblikovanja-karakteristike samog deformiranog tijela, njegove dimenzije i oblik.

U realnim industrijskim uvjetima na sposobnost za deformaciju utjee suma razliitih faktora.Svi oni mogu se svrstati u dvije osnovne grupe:

- faktori plastinosti- vanjski (mehaniki) faktori )F,F(fD vp====


37/168


32

Plastinost P je stanje materijala kada pri djelovanju sila dolazi do nepovratne promjeneoblika i dimenzije a da pri tome ne dolazi do njegovog mehanikog razaranja. Faktori

plastinosti ovise o kemijskom sastavu, strukturi, brzini deformacije, temperaturi te veliini idimenzijama deformiranog tijela kako je to navedeno u sljedeoj jednadbi:

Vanjski (mehaniki) faktori kao to su: sheme napregnutog stanja, tehnoloka nejednolikostdeformacije, brzina deformacije i vie uzastopnih deformacija s malim stupnjem redukcije(usitnjenost deformacije), karakteriziraju uvijete deformacije tijela.Prema tome, moe se rei da je deformabilnost D funkcija faktora plastinosti i vanjskihfaktora:

t faktor temperatureb.i. faktor brzine ispitivanjak.s. faktor kemijskog sastava

r faktor istoe granice zrnad faktor dimenzije tijelao faktor oblika tijelan.s. faktor napregnutog stanjar.d. faktor nejednakosti deformacijen.d. faktor usitnjenosti deformacijeb.d. faktor brzine deformacije

Kako se iz prethodne jednadbe vidi sposobnost za deformaciju je sloena funkcija veeg brojavarijabli ije se vrijednosti mogu mijenjati u irokim granicama i pri tome smanjivati ili

poboljavati sposobnost za deformaciju. Pri tome se plastinost javlja samo kao jedan odfaktora koji utjeu na deformabilnost.

Razliita tijela e imati razliitu sposobnost za deformaciju ako se razlikuju u nekim od faktorakoji utjeu na sposobnost za deformaciju. Tako na primjer materijali istog kemijskog sastavakoji se deformiraju po istim parametrima ali imaju razliite dimenzije, imaju i razliitusposobnost za deformaciju. Ili materijali istog kemijskog sastava i istih dimenzija, ako sedeformiraju na razliitim temperaturama imaju razliitu sposobnost za deformaciju.Vaan praktian znaaj ima i injenica to mnogi faktori koji utjeu na sposobnost zadeformaciju su meusobno povezani. Postoji pet stupnjeva deformabilnosti za razliite vrste

prerade metala.

U prvom stupanju odvija se znatno naruavanje cjeline i daljnja deformacija proizvoda jenemogua ak i poslije odgovarajue korekcije stupnja redukcije.Kod drugog stupanja naruavanje cjeline je znatno manje i poslije odgovarajue korekcijedaljnja deformacija je mogua.

Pri treem stupanju na povrini deformiranog tijela nastaju sitne greke, te tako sposobnost zadeformabilnost nije naruena. Kod etvrtog i stupnja javlja se pojedinano sitno naruavanjekoje ne utjee na proces deformacije i dubina greaka ne prelazi dozvoljenu granicu. I na kraju,u petom stupnju deformacija tijela protjee bez nastanka povrinskih greaka. Pri navedenojocjeni uzimaju se o obzir greke koje su nastale tijekom deformacije, a ne greke koje su

postojale prije deformacije.

),,,,,,( aVnTvsKsfP=

),,,,,,,,,( ,,,,,, dbdndrsnodrskibt fffffffffffD=


38/168


33

2.3.1. Pokazatelji plastinosti

Pokazatelji plastinosti mogu se podijeliti u etiri grupe: analogni, jednostavni, sloeni iuniverzalni.

a. Analogni pokazateljiOdgovaraju odreenim uvjetima tehnolokih procesa. Koriste se za ocjenu plastinosti procesai uvjeta za koji su odreeni. Prema metoda iikov-a pokazatelj plastinosti se odreujevaljanjem pravokutnih uzoraka na klin u specijalno ekscentrino urezanim kalibrima pri emuse kao pokazatelj plastinosti uzima stupanj deformacije pukna mjestu pojave prve pukotine:

gdje je hopoetna visina a h1konana visina.Nedostatak ovakvog ispitivanja je u tome to se kod legura s veom plastinosti esto ulaboratorijskim uvjetima ne moe osigurati pojava pukotine i nemogue je konstruirati

dijagram plastinosti.Ispitivanje pritiskivanjem najbolje odgovara uvjetima kovanja. Odreivanje pojave prve

pukotine je oteano. Mala veliina uzorka u odnosu na stvarne veliine u industrijskimuvjetima ine znaajnu razliku u pokazivanju u tumaenju rezultata. Ovi i jo drugi faktori ineovu metodu nedovoljno pouzdanom.

b. Jednostavni pokazateljiTo su pokazatelji dobiveni pri jednostavnim shemama naprezanja: linijski vlak, linijski tlak iuvijanje ili torzija. Dijele se u dvije grupe:

1. kod vlaka:- relativno produljenje ,

- relativno produljenje kod loma A,- relativna kontrakcija uzorka Z.

2. kod uvijanja do loma:- broj uvijanja n, = ()- kut uvijanja

U oba sluaja ovi pokazatelji daju temperaturni interval maksimalne plastinosti. Oni,meutim, ne daju mogunost definiranja kvantitativnih kriterija plastinosti ve samo

temperaturni interval maksimalne plastinosti. Vlano ispitivanje nalo je iroku primjenu.Najpouzdaniji pokazatelj plastinosti kod ove metode je pojava prve pukotine, to je vrlo tekoidentificirati. Zbog toga se plastinost ocjenjuje na osnovi podataka o lomu ispitnog uzorka ilina osnovi relativne kontrakcije.

Najiru primjenu u praksi imaju pokazatelji dobiveni ispitivanjima uvijanjem na povienimtemperaturama. Osnovne prednosti ove metode ispitivanja su:

- irok raspon brzina deformacije koje odgovaraju relativnim vrijednostima u procesimatople prerade

- u odnosu na druga ispitivanja velika osjetljivost pokazatelja plastinosti na strukturnepromjene i njihova zadovoljavajua tonost

- prevladavaju tangencijalna (smina) naprezanja koja igraju veliku ulogu kod svih

procesa prerade metala u plastinom stanju.

0

1

h

hhopuk

=


39/168


34

Maksimum na krivulji n=f(T), gdje je T-temperatura deformacije, pokazuje podrujemaksimalne plastinosti. Izrada takvih krivulja za pojedine vrste legura je dosta jednostavna i

jeftina.

c. Sloeni pokazatelji

Uzimaju u obzir ne samo stupanj promjene dimenzija deformiranog tijela ve i karakter loma.Po Gubkinu se odreuje srednja vrijednost rezultata ispitivanja po vie metoda: =+ + . + gdje je n broj vrsta ispitivanja. Na osnovi tako dobivenih vrijednosti deformabilnosti Gubkin je

predloio proraun sposobnosti za deformaciju po formuli:

a faktor koji ovisi o metodib- faktor koji ovisi o materijaluU sloene pokazatelje ubrajaju se razvlaenje, tlak, uvijanje, dinamiko savijanje i ilavost.

Osnovni nedostatak ove metode je u odreivanju srednje vrijednosti pokazatelja koji seznaajno razlikuju.

d. Univerzalni pokazateljiUniverzalnim pokazateljima pokualo se rijeiti pitanje kvantitativne ocjene plastinosti. Ciljim je proraun kritinog stupnja deformacije u definiranom temperaturnom intervalu. Osniva sena svoenju jedininih pokazatelja koji se odreuju pojedinanim laboratorijskim metodamaispitivanja (vlakom, tlakom, uvijanjem) na jedan ekvivalentni pokazatelj koji ne ovisi o sheminapregnutog stanja a time ni o metodi ispitivanja. Kako tijekom plastine deformacije

prevladavaju naprezanja smicanjem, takav ekvivalentni pokazatelj mogao bi biti relativno

smicanje. Pokazatelj plastinosti Pje omjer smicanja i kriterij naponskog stanja:

Z- kontrakcija probe na mjestu loma,Zp- kontrakcija probe do pojave suavanja.Kod ispitivanja uvijanjem kriterij n jednak je 1.Svi pokazatelji osim univerzalnih daju samokvalitativnu sliku plastinosti.

2.3.2. Analiza utjecajnih faktora na plastinost

Plastinost (P) kao stanje metala, a ne njegovo svojstvo, ovisi od niza faktora:

Ks - kemijskog sastava,s - strukture,t - temperaturev-brzine deformacijen - sheme naponskog stanja

V - dimenzija deformiranog uzorkaa - okruujua sredina

3

bDaSd

+=

),,,),(,,,( aVntedbsKsfP=

( ) ( )pZZn

+=

111

2

nP 8

=


40/168


35

2.3.2.1. Utjecaj kemijskog sastava i strukture

Najbolju plastinost imaju isti metali. Pozitivni utjecaj na plastinost imaju dezoksidatori.Prisustvo primjesa pogorava plastinost. Intenzitet pogoranja plastinosti ovisi o vrsti

primjese i nainu vezivanja u osnovnom metalu. Netopive primjese vie pogoravaju

plastinost od vrstih otopina. Primjese po granicama zrna u obliku mree najvie pogoravajuplastinost. Ako primjese s osnovnom komponentom ine lako topljive eutektike utemperaturnim intervalima taljenja ovog eutektika dolazi do pogoravanja plastinosti. Vearazlika u promjerima atoma komponenti legura dovodi do pogoranja plastinosti. Veakoncentracija slobodnih elektrona takoer pogorava plastinosti. Razliita kristalna reetkadruge komponente pogorava plastinost. Nepovoljan utjecaj na plastinost imaju i strukturnenehomogenosti. Sljedei metali i njihove legure se dobro oblikuju:

- eljezo i legure eljeza- nikal i legure nikla- laki metali i legure (Al, Mg, Ti)

- bakar i legure bakra- olovo,- kositar i- cink

Najvanija legura eljeza je Fe C. Legura eljeza i ugljika sa sadrajem C do 2% mogu seoblikovati plastinom deformacijom.

Perlitni elici imaju dobru plastinost u toplom i hladnom stanju. Poveanjem sadraja ugljikasmanjuje se plastinost.

Podeutektoidni ugljini elici i niskolegirani elici imaju dobru plastinost Poveanjemsadraja ugljika smanjuje se plastinost, istezanje i kontrakcija a poveava Rm, Re tvrdoa.Poveanjem ugljika za 0,1% poveava se Rm za 90 MPa, Re za 45 MPa. Pravilnimzagrijavanjem utjecaj ugljika na plastinost se moe umanjiti (deformacijski otpor). Odnosvrstoe, tvrdoe i plastinosti elika kod zagrijavanja nije uvijek linearan. Postojetemperaturni intervali u kojima dolazi do smanjenja plastinosti: 200 C 500 C - podruje

plavog loma i 850 C 1050 C - podruje crvenog loma.

Slika 2.42: Ovisnost mehanikih svojstava o sadrajuugljika u eliku i stupnju deformacije (1)


41/168


36

Openito se utjecaj ostalih elemenata u ugljinim i niskougljinim elicima moe svrstati u trigrupe:

- plastinost smanjuje: S, P, Si, Al, Mo, V, W, oligoelementi- nemaju znaajnijeg utjecaja na plastinost: Cu, Cr- imaju povoljan utjecaj na plastinost: Mn, Ni,

Sumpor smanjuje plastinost i ilavost. Naginje stvaranju segregacija i uzrokuje crveni lom.Fosforne smije biti vei od 0,04% (0,02-0,04%). U koliinama do 0,3% utjee na mehanikeosobine kao i ugljik. Smanjuje ilavosti duktilnost i utjee na pojavu plavog loma.

Slika 2.43: Utjecaj udjela fosfora i sumpora na ilavost podeutektoidnih elika (1)

Silicij smanjuje sposobnost deformacije elika u hladnom stanju. Bakar do 0,20% nema veegutjecaja na plastinost. Krom ne smanjuje plastinost ali proiruje podruje. Nikal utjee

pozitivno na plastinu preradu elika u hladnom i vruem stanju. Mangan povoljno utjee na

plastinost jer vee sumpor. Za elike koji se toplo valjaju preporua se omjer sumpora ifosfora 1:7 do 1:10. Mangan proiruje podruje. Aluminij tek iznad 5%smanjuje duktilnost.Vanadij, volfram i molibden stvaraju karbide i smanjuju duktilnost elika.

Slika 44: Utjecaj ugljika i mangana na strukturu elika (1)

Oligoelementi dolaze u sirovinama i u toku proizvodnje ostaju u eliku u odreenimkoliinama. Najuestaliji su: Cu, Sn, As, Sb, Co, Ti, v, Pb, Al. Njihov utjecaj se dijeli na

primarni i sekundarni.


42/168

S. Rekovi

Primarni raspored javlja se prda precipitacijom tekue fazegranicama zrna spreava priAs i Sb. Sekundarni rasporeneravnomjernost povezana

zagrijavanju. Pri zagrijavakoncentracija oligoelemenataoligoelemenata na povrini oelika. Pukotine se javljaju veU koliko u eliku ima 0,05%topivost ugljika u feritu pa sesadraja ugljika od 0,12 do 0,s 0,15%C i 0,015% P utjeca0,15%C i 0,06% P utjecaj Au eliku aluminij dovodi do0,005%N i 0,1%Al nema neg

Austenitni elici imaju na soi imaju malu vlanu vrsto

provodi se iznad 900 C. Te900C, a brzina rekristalizacij

Feritni elicikod svih tempeaustenitnih elika nije moguTemperatura rekristalizacije j

Povienjem temperature potemperaturama rekristalizacije

SlikaGornji dijagram ponaanja plstanja. (2) i stanja granice zrn

Poveanje brzine deformacije

rekristalizacije ne moe pratiti

TEORIJA OBLIKOVANJ

37

i skruivanju elika i uzrokuje pukotine naCu i Sn nastaju segregacije po granicama zr

agrijavanju transformaciju. Sklonost sjavlja se uslijed zagrijavanja elika prijee s koncentracijom oligoelemenata na

ju elika u oksidacijskoj atmosferi odpod utjecajem oksidacije i difuzije. Sisi o temperaturi, oksidacijskim uvjetima

kod 0,17%Cu, a znaajnije su izraene kon pukotine e se javit ve kod 0,08%Cu.gljik izluuje po granicama zrna. Negativan

18%. Utjecaj arsena ovisi o sadraju ugljikaAs zapaen je iznad koncentracije od 0,7

s je prisutan ve iznad 0,14%. Uz istovremojave dvofazne strukture u eliku. Pri sadtivnog utjecaja oligoelemenata.

noj temperaturi austenitnu strukturu. Dobuz veliku ilavost. Topla plastina def

peratura rekristalizacije austenitnih elika jje mala.

atura zadravaju strukturu vrste otopine.. Topla deformacija provodi se na temper

oko 600 C.

2.3.2.2. Utjecaj temperature

eava se plastinost (npr. elik ima naj.

.45: Utjecaj temperature na plastinostastinosti u ovisnosti od temperature je odkoji su funkcije temperature, a imaju bitan

.3.2.3. Utjecaj brzine deformacije

pri toploj preradi pogorava plastinost, u

deformaciju.

DEFORMIRANJEM

ingotima. Smatra sea. Segregacija Sn pogregacijama imaju i

prerade. Sekundarnapovrini elika pri

vija se povrinskaupanj koncentracijeremenu zagrijavanja0,28 do 0,34 % Cu.ntimon smanjuje

utjecaj je uoen kodi fosfora. Kod elika%, dok kod elika snu prisutnost duikaaju od maksimalno

o se hladno oblikujurmacija ovih elika

e vrlo visoka, iznad

Hladna deformacijaturama do 1000 C .

veu plastinost na

az promjena faznogtjecaj na plastinost.

sluaju kada proces


43/168

S. Rekovi

Slika 2.46: Utjecaj brzine

Utjecaj brzine deformacije nomekavanja metala ne odvijarazmatramo s dva aspekta:

1. brzina deformacije direktvanjskog trenja) pokazuje

2. u pogledu vremena dovolj

koje mogu nastati u proces

2.3.2.

Znaajan utjecajni faktor nnapregnutog stanja mijenja se

Tablica 2.1: S

Plastinost je oznaena s 1Ddo 4K (vrlo veliki). Slabijanego preanjem. Na osnovi st

stanja pri kojima je mogudeformacije na plastinost je

TEORIJA OBLIKOVANJ

38

deformacije na plastinost kod tople defor

plastinost kod hladne prerade znatno jeju tijekom deformacije. Utjecaj brzine defor

o ili indirektno (putem toplinskog efekta itjecaj na otpor deformaciji, a samim time i nnog ili nedovoljnog za nastajanje fiziko

deformacije

. Utjecaj stanja naprezanja materijala

a plastinost metala je stanje naprezanjplastinost i otpor deformaciji, tablica 2.1.

anje naprezanja, plastinost i deformacijski

(loe) do 7D (vrlo velika), a otpornost deforplastinost metala biti e pri njegovom obliukture metala mogu se unaprijed predvidjet

e njihovo uspjeno oblikovanje. Utjecaei to je manja osnovna plastinost metala.

DEFORMIRANJEM

macije (1, 6, 19)

anji, jer se procesiacije na plastinost

li izmjenom faktoraa plastinostkemijskih promjena,

. Ovisno o shemi

otpor

maciji od 1K (mali)kovanju izvlaenjemi sheme napregnutog

mehanike sheme


44/168


39

2.3.2.5. Utjecaj dimenzija deformiranog tijelaDimenzije deformiranog tijela mogu pokazati vei utjecaj na plastinost.

Slika 2.47: Utjecaj volumena na plastinost kod tople deformacije (1, 8)

2.3.2.6. Mogunost poveanja plastinostiOsnovni parametri poveanja plastinosti su sljedei:

- reguliranje kemijskog sastava metala iste strukture,- osiguranje optimalnih temperaturno- brzinskih uvjeta deformacije,- primjena odgovarajueg jednolikog zagrijavanja i- odabir najpovoljnije sheme deformacije.

Kao kriterij plastinosti slui relativno saimanje (po iikovu):

hp visina prije deformacije, hk visina poslije deformacijePrema granici plastinosti svi metali i legure mogu se podijeliti u sljedee grupe:

-najplastiniji

-visoko plastini-srednje plastini

-nisko plastini-krti metali

Primjenom specijalnog termo-mehanikog postupka moe se upravljati temperaturno-brzinskim uvjetima i znatno poveati plastinost krtih metala i legura.

2.4. OTPOR DEFORMACIJI

Otpor deformaciji je otpor to ga prua materijal promjeni svoga oblika, naziva se i prirodni

deformacijski otpor, a esto i specifini deformacijski otpor (Kf). Teorijom plastinosti moe sepostaviti izraz koji definira potrebnu deformacijsku silu potrebnu za deformaciju. Izraz imaoblik:

Dakle, sile deformacije moraju savladati otpor to ga materijal prua promjeni svoga oblika iotpor koji je uvjetovan postupkom deformacije. Otpor to ga prua materijal promjeni svogoblika naziva se prirodni deformacijski otpor i oznaava se s Kf . Predstavlja ravnoteuunutarnjih sila koje se suprotstavljaju promjeni oblika. Uz K i Kf, postoji i Kw.Kw je ukupniotpor deformaciji koji u sebi sadri i plastinost i utjecaj postupaka oblikovanja.

= , ,

gdje su:Kf prirodni deformacijski otpor;Ft sila za savladavanje vanjskog trenja;Fs sila za savladavanje unutarnjeg smika.

(%),20


45/168


40

2.4. 1. Utjecajni parametri na otpor deformacije

Prirodni deformacijski otpor ovisan je o vrsti materijala (kemijski sastav), strukturi,temperaturi, brzini i stupnju deformacije.

= (,,,,)gdje je:Ks- kemijski sastav,s- strukturno stanje, T -temperatura, v- brzina deformacije i -stupnj deformacije.2.4. 1. 1. Utjecaj kemijskog sastava

Utjecaj kemijskog sastava na otpor deformaciji povezan je s utjecajem elemenata na strukturu upolaznom stanju. Openito se moe rei da dobru plastinost imaju Pb, Al, Pt, Au, Ag i Cu.Neto manju plastinost imaju Fe, Cr, Mo i V, dok Mg, Cd, Zn i Ti imaju lou plastinost.Legirni elementi poveavaju deformacijski otpor. Poveanjem udjela ugljika u eliku na

temperaturama iznad 950 - 1050C poveava se otpor deformaciji. U literaturi postoji vieempirijskih formula za kvantitativno izraunavanje deformacijskog otpora u ovisnosti okemijskom sastavu i temperaturi.

Npr. po Ekelundu-u: =(1,4 + + + 0,3) (140,01)gdje su:T temperatura, u C; C, Cr, Mn udjeli ugljika, kroma i mangana u %.U literaturi postoje i drugi izrazi za odreivanje pripadnog deformacijskog otpora u ovisnosti okemijskom sastavu ali uglavnom oni kao i navedeni izraz od Ekelunda danas nemaju veiznaaj. To je zato to je posljednjih tridesetak godina razvojem suvremenih metoda zaodreivanje prirodnog deformacijskog otpora, skoro za sve komercijalne elike ispitan prirodnideformacijski otpor i njegove ovisnosti o temperaturi i brzini deformacije.

2.4 1. 2. Utjecaj temperature deformacije

Poveanjem temperature otpor deformaciji se smanjuje. Smanjenje otpora deformacije spoveanjem temperature nije jednoliko, slika2.48.

Slika 2.48: Ovisnost prirodnog deformacijskog otpora o temperaturii brzini ispitivanja za elik .1121 (1,8)

Utvreno je da u temperaturnim uvjetima starenja materijala dolazi do poveanja otporadeformaciji (1). Isto tako u podruju fazne transformacije dolazi do poveanja deformacijskog

otpora. Istraivanja na mikrolegiranom eliku su pokazala da u podruju deformacijominducirane precipitacije dolazi do poveanja prirodnog deformacijskog otpora, slika 2.49.


46/168


41

Slika 2.49: Utjecaj niobija na pripadni deformacijski otpor (12)

to je via temperatura elika to je manji otpor deformacije i po pravilu bolja plastinost.

Suvie visoka temperatura zagrijavanja moe uzrokovati pregrijanost, prekomjernu oksidaciju,razugljienje i sl. Osim temperature znaajni utjecajni parametri na otpor deformacije iplastinost u realnim uvjetima su brzina deformacije, te reim i trajanje procesa zagrijavanjaelika. Nepravilan izbor navedenih parametara dovodi do stvaranja termikih naprezanja koja

pogoravaju plastinost i dovode do stvaranja unutarnjih pukotina. Navedeni parametri imajurazliit znaaj za razliite grupe elika:

- Niskougljini elici imaju visoku toplinsku provodljivost i dovoljnu plastinost pa se utemperaturnom intervalu 0-500C mogu brzo zagrijavati, bez tetnih posljedica.- Ugljini elici sa srednjim sadrajem ugljika znatno slabije provode toplinu odniskougljinih elika i imaju slabiju plastinost, naroito u livenom stanju. Zato se u poetku

zagrijavanje mora provoditi sporije. Ugljini elici sa visokim sadrajem ugljika posebno suskloni termikim naprezanjima pri brzom zagrijavanju. U hladnom stanju plastinost im jemala- Niskolegirni elici s viso

Documents

s Reskovic Teorija Oblikovanja Deformiranjem