Cold working

Cold working of metals

Cold working

Холодная деформация или деформационное упрочнение – это важный технологический процесс, которые применяют для увеличения прочности и/или твердости металлов и сплавов, которые не могут быть упрочнены термической обработкой. Эта технологическая обработка включает изменение формы изделия методами холодной пластической деформации, то есть ввода в металл механической энергии [1]. В результате этой обработки металл становится прочнее тверже, но теряет пластичность, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние степени нагартовки на прочность, твердость и пластичность металлов [1]

Предел текучести

Одной из характеристик любого металла, в том числе, алюминия, является его предел текучести. Предел текучести металла – это напряжение, при котором этот металл начинает деформироваться пластически.

При напряжениях ниже этого предела текучести материал деформируется упруго. Если напряжения снимаются, то металл возвращается к своему первоначальному состоянию до приложения этих напряжений. 

Рисунок 2 – Увеличение предела текучести металла после его нагружения выше предела текучести

Физика холодной деформационной обработки

Металлы и их сплавы, в том числе, алюминий и его сплавы, имеют кристаллическую структуру и состоят из большого количества зерен. Эти зерна имеют неправильную форму и различные размеры. В каждом зерне атомы упорядочены, но смежные зерна по-разному ориентированы относительно друг друга. В процессе холодной деформации структура зерен меняется за счет их фрагментации зерен, движения атомов и искажения атомной решетки.

Когда материал подвергается механическому нагружению, в его кристаллической структуре образуются микроскопические дефекты, которые известны как дислокации. Если нагрузки продолжают увеличиваться, эти дислокации начинают продвигаться и взаимодействовать между собой. Таким образом они образуют новую внутреннюю структуру, которая сопротивляется дальнейшей пластической деформации. Эта структура повышает предел текучести материала, то есть его  способность сопротивляться прилагаемым усилиям. При этом пластические свойства материала снижаются. Одним из наиболее известных путей намеренного создания наклепа является холодная пластическая формовка деталей и изделий – холодная обработка металлов давлением.

Рисунок 3 – Нагартовка алюминия  [6]

Промышленная холодная обработка металлов

Типичными процессами холодной обработки металлов давлением являются (рисунки 4-7):

  • холодная ковка
  • холодная прокатка
  • холодная экструзия
  • волочение

Рисунок 4 – Ковка металла

Рисунок 5 – Прокатка металла

Рисунок 6 – Прессование металла

Рисунок 7 – Волочение металла

Полезная и вредная холодная деформация

Полезная деформация

Наклеп может быть желательным и нежелательным, полезным и вредным. Если наклеп металла является полезным, то при его изготовлении стремятся применять операции холодного пластического деформирования: холодную прокатку, волочение, обработку дробью, галтовку, накатку и тому подобное. Это  особенно важно для металлов и сплавов, которые не способны упрочнятся термически. К этим материалам относятся низкоуглеродистые стали, некоторые алюминиевые сплавы, а также чистая медь. Когда эти материалы подвергаются сжатию, волочению, гибке или ковке, то напряжения, которые при этом возникают, приводят к возникновению в кристаллической структуре дислокаций, которые упрочняют металл. В этом случае применяют оба термина: и наклеп, и нагартовка.

Вредная деформация

Нежелательный, вредный наклеп возникает, например, когда пластичные и мягкие металлы и сплавы подвергаются механической обработке резанием. Чрезмерно глубокие резы за один проход приводят с большой скоростью могут приводить к возникновению интенсивного наклепа с нежелательным увеличением прочности металла и его охрупчиванию.  Это препятствует дальнейшей механической обработке детали, а может привести и к повреждению режущих инструментов. Другим примером вредного наклепа может служить повторяющееся нагружение детали с превышением предела текучести материала. При таком нагружении материал в критических сечениях может быстро наклепываться, терять свою пластичность и разрушаться. В подобных случаях явление деформационного упрочнения называют наклепом, но никогда не называют нагартовкой.

Холодная и горячая деформация

Холодная деформация

Холодной пластической деформацией металлов считают   пластическую деформацию при определенной температуре, после которой в металле возникает наклеп и он сохраняется  неизменным неограниченно длительное время. По-научному это звучит так: температура холодной деформации для достижения эффекта нагартовки (наклепа) металла должна быть ниже температуры его рекристаллизации, то есть температуры, при которой на месте старых,  деформированных и вытянутых, зерен металла начинают возникать и расти новые, недеформированные и округлые зерна. Обычно эта температура составляет половину от абсолютной температуры плавления этого металла или сплава. Однако на практике нагартовка металлов производится при комнатной температуре или при температуре не выше трети температуры плавления.

Горячая деформация

В отличие от холодной деформации горячая деформация металлов и сплавов происходит при температуре, величина которой достаточна для того, чтобы рекристаллизация деформированной структуры металла происходила одновременно с пластическим деформированием. Обычно горячую деформационную обработку (обработку давлением) производят при температуре  выше температуры рекристаллизации металла (обычно от 70 до 90 % абсолютной температуры плавления). После такой горячей обработки получают металл с благоприятной мелкозернистой рекристаллизованной структурой.

Деформационное упрочнение алюминиевых сплавов

Модификация структуры

К сплавам, которые обрабатывают холодной деформацией, относятся алюминиевые сплавы серий

  • 1ххх
  • 3ххх
  • 5ххх,
  • часть сплавов серии 8ххх.

Их технологическая цепочка включает:

  • горячую обработку давлением
  • холодную обработку давлением
  • промежуточные или завершающие отжиги.

Деформационное упрочнение включает модификацию структуры под воздействием пластической деформации. Это происходит не только в ходе производства полуфабрикатов при прокатке, правке растяжением, волочении и т, п., но также в ходе последующих производственных этапах, таких как формовка, гибка и других производственных операциях.


Рисунок 8 – Кривые нагартовки алюминиевого сплава 5083 [4]

Механические свойства

Деформационное упрочнение повышает механические прочностные свойства и твердость, но снижает пластичность (рисунок 9).

Рисунок 9 – Влияние деформационного упрочнения на механические свойства:
предел прочности при растяжении, предел текучести (0,2%) и относительное удлинение [3]

Уровень механических свойств, который может достигаться, зависит от легирующих элементов. Например, сплавы серии 5ххх, которые содержат большое количество магния, имеют более высокий потенциальный уровень механических свойств, чем у сплавов других  серий: 1ххх, 3ххх и 8ххх. В  результате всегда происходит постепенное повышение механических свойств, вплоть до той точки, за которой дальнейшая обработка становится трудной, если вообще возможной.

В этом случае, если требуется дальнейшая пластическая деформация, не обходимо производить термическую обработку отжигом.

Промежуточный отжиг

Упрочнение, которое возникло в результате холодной пластической обработки может быть устранено или смягчено путем отжига. В зависимости от комбинации длительность-температура, это умягчение может быть (рисунок 10):

  • частичным: это – cмягчающий или неполный отжиг;
  • полным: это – рекристаллизационный отжиг, в ходе которого образуется новая зеренная структура (рисунок 11).

Рисунок 10 – Изотермические кривые отжига сплава 5754 [3]

Рисунок 11 – Изменение твердости и структуры при отжиге [3]

 

Уровень механических свойств полуфабриката и, в частности, компромисс между пределом прочности и пластичностью (относительным удлинением), контролируются параметрами деформационной обработки и последующими операциями отжига (промежуточными или заключительным).

Необходимо отметить, что при одинаковом уровне предела прочности уровень пластичности будет выше в нагартованном и частично отожженном металле (H2X), чем в «чисто» нагартованном металле (H1X) (рисунок 12). Поэтому состояния с частичным (смягчающим) отжигом являются более предпочтительными, когда максимальная способность к формовке является главным фактором, например, при глубокой вытяжке [3].


Рисунок 12 – Различие между деформационными состояниями H14 и H24 [5]

Источники:

1. The welding of aluminium and its alloys / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002

2. Designing with Aluminum Alloys / Nack J. Kim – Handbook of Mechanical Alloy Design // ed. E. Totten & others, 2004 – pp. 441-486.

3. Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004.

4. Aluminium in Commercial Vehicle – European Aluminium Association – 2011

5. Production routes of wrought aluminium alloys / Aluminium technologies – 01.12.2015

6. TALAT 1501