TEORIE TVÁ&ENÍ KOV' u(ební pom$cka

Transkript

1 Projekt OP VK CZ.1.07/1.1.07/ Podpora odborného vzd!lávání na st"edních #kolách MSK St"ední pr$myslová #kola Fr%dek-Místek, p"ísp!vková organizace 28.!íjna Fr"dek-Místek tel.: TEORIE TVÁ&ENÍ KOV' u(ební pom$cka St!ední pr%myslová &kola Fr"dek-Místek, p!ísp'vková organizace Tento projekt je spolufinancován Evropsk"m sociálním fondem a státním rozpo#tem $eské republiky

2 Projekt Podpora odborného vzd!lávání na S" MSK TEORIE TVÁ!ENÍ KOV" TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSK!M SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPO"TEM "ESKÉ REPUBLIKY

3 2 Obsah!! "#$%&''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''&(! )! #*+,$#-&./ &''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''&7! "#$! %&'()*)*!)+,-./0!*!1&2'34./0!)+,-.5056!%&56&'7!#########################################################################################!8! "#"! 56*1*9).1:():9*!)+,-.5056!%&56&'7!#############################################################################################################!;! "#<! +4:+!)+,-./0!9&+7!/*!=.56*/:59>!+4*()/&():!##############################################################################################!$?! =.56*/:(=A(!%4*():59>!'.B&1=*5.!############################################################################################################!$?! "#C! "#8! %-.)+,1/D!&'%&1!######################################################################################################################################!<E! "#?! 2,9&/F!%4*():59>!'.B&1=*5.!######################################################################################################################!<$!!"#"$! %&'()*+,&-(+,.*(/0123*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*4!!!"#"!! %&'()*+25'(6789*):;<,=*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*4>!!"#"4! %&'()*;C=A:6)789*):;<,=*:*)1B(6)(2<B)(+,.*;-:+,.8'D*A1E(B2:81*"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*4F!!"#"G! %&'()*;(A(/)(+,.*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*4H!!"#"I! %&'()*;C=,(2)(+,.*;B3J)D*A1E(B2:81*;C.*;-:+,.8'D*A1E(B2:8.*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*>K! "#;! "#G! %&'-:A)=*B1J.25*(9C163*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*>G! "#$E! 2*-02./0!+,45&+*5056!)1*)0!####################################################################################################################!C$!!"$K"$! L.+;(M.81*:*B(MA<-1)=*6&-8(61)*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*G>!!"$K"!! N(3?&+,.*6&-8(6:8=89*+,(-.8*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*I!!!"$K"4! OC19-1A)D*+89D2:*A.+;(M.81*6&-8(6)5*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*II!!"$K">! N(B,.21),)=*;B(A3',5*6&-8(6)5*"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*II! "#$$! 2,94*'F!%&'>4/>6&!+,45&+,/0!###############################################################################################################!8G!!"$$"$! O&+2(*A1E(B2:81*:*B(M2<B(6D*M2<)5*"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*#$!!"$$"!! O(A2=)'5*M&/<B3*'(63*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*#>!!"$$"4! PM,:95*21M.*;:B:21,B5*6&-8(6:8=*+,(-.81*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""*##! (! 819:/.&;$+<30-&53012/0+26&''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''&=>! &

4 3 1 Úvod Tato studijní opora je p#ipravena k modulu s názvem Hutnictví. Cíl této studijní opory spo$ívá ve specifikaci podstaty tvá#ecích pochod% a z nich vypl&vajících zákon% plastické deformace s následnou aplikací v provozních podmínkách. Zám'rem této problematiky je vytvo#it ucelen& technick& p#ehled o teorii tvá#ení kov% a jeho praktické uplatn'ní v provozní v&rob'. (e)ená problematika se zab&vá obecn' technick&m v&znamem tvá#ení kov% a jeho teoretickou podstatou. Problematika je p#iblí*ena nejen teoreticky, ale také pomocí obrázk%, aby lépe p#iblí*ila pr%b'h tvá#ení v praxi. Technologické mo*nosti v&roby, ale i po*adavky spot#ebitel% procházejí v sou$asné dob' velk&m kvalitativním v&vojem. Nezbytnou etapou v hutní v&rob' je oblast tvá#ení kov%, díky které lze dle navr*en&ch vhodn&ch technologií zpracování dosáhnout optimální kvality u*itn&ch vlastností v souladu s náro$n&mi technick&mi po*adavky dne)ních odb'ratel%. P#i tvá#ecích pochodech se vyu*ívá vn'j)ích sil, které jsou vyvolány tvá#ecími nástroji, jejich* ú$inkem se m'ní tvar a rozm'ry tvá#eného materiálu, kter& je v plastickém stavu. Poslucha$ si získá teoretick& p#ehled o teorii tvá#ení kov%, základních zákonech plastické deformace a kritériích pot#ebn&ch pro jejich aplikaci v praktick&ch podmínkách. Je schopen tyto v'domosti propojit ve vztahu se znalostmi nauky o kovov&ch materiálech. Problematika je zam'#ena na prohloubení si v'domostí z r%zn&ch oblastí tvá#ení kov%, na základ' kter&ch by m'l b&t schopen navrhnout technologické postupy zpracování kov% a ov'#it si u*itné vlastnosti materiálu v souladu s cílem jakosti. Formou praktick&ch cvi$ení v modelov&ch podmínkách získá pot#ebné kompetence pro vy))í provozní zp%sobilost a schopnost tyto znalosti prakticky realizovat.

5 4 Struktura studijní opory Po*adavky opory Specifikace: V opo#e Teorie tvá#ení kov% jsou podrobn' rozebrány základy teorie tvá#ení kov%, základní zákony plastické deformace a jejich praktická realizace v provozních podmínkách. Je analyzována úvodní problematika technologick&ch postup% zpracování kov% a podstata teorie tvá#ení kovov&ch materiál%.

6 5 2 V!ukové materiály Seznam pou*it&ch ikon Obsah Úvod modulu, popis "e#ení, tip pro práci Obsah modulu Klí$ová slova Pozor, d%le&ité Definice P!íklad Shrnutí Internetové odkazy Informa$ní zdroje Kontrolní otázky Cíl modulu "e#en' p!íklad

7 6 2.1 Podstata tvá"ení a rozd#lení tvá"ecích pochod$ Tvá#ení kov% je d%le*itou sou$ástí a poslední etapou hutní v&roby. V&znamn' se podílí na zvy)ování u*itn&ch vlastností kovu, hlavn' jeho zhutn'ním a ovlivn'ním kone$n&ch mechanick&ch vlastností, a umo*+uje dosa*ení po*adovaného tvaru a rozm'r% kovov&ch v&robk%. Tvá#ení kov% stále více proniká i do strojírenské v&roby a jako ekonomi$t'j)í zp%sob v #ad' p#ípad% nahrazuje t#ískové obráb'ní. Kone$n&m cílem v&robního pochodu v dne)ních hutních závodech je získání v&valk% nebo v&kovk%, ze kter&ch je p#es 90% vyrobené oceli zpracováno tvá#ením. Klí$ová slova: - tva#itelnost, tvá#ení, - plastická deformace - tahová zkou)ka - základem technologick#ch tvá$ecích pochod% jsou velké plastické deformace - tvá$ení je zalo&eno na vlastnosti kov% sná'et velké plastické deformace bez poru- 'ení soudr&nosti - p$i tvá$ecích pochodech se p$itom nesmí p$ekro(it stav napjatosti, p$i kterém se poru'í soudr&nost materiálu - p$i technologick#ch tvá$ecích pochodech jsou zm!ny tvaru a rozm!r% zp%sobeny vn!j'ími silami, které p%sobí na materiál prost$ednictvím pracovních nástroj% - v'echny technologické tvá$ecí pochody se vyzna(ují tím, &e p%sobením vn!j'ího zdroje síly kov m!ní sv%j tvar, rozm!ry a mechanické vlastnosti Plastická deformace kov% Jedná se o trvalou zm'nu tvaru, rozm'ru a mechanick&ch vlastností. K tomu, aby nastala plastická deformace kov%, musíme dodat takovou vn'j)í sílu, která odpovídá hranici nap'tí, p#i kterém plastická deformace nastane. Abychom zjistili tuto hranici nap'tí, provád'jí se zkou)ky mechanick&ch vlastností. Základní je zkou'ka materiálu v tahu.

8 7 obr. 1 Tahová zkou'ka! u - mez úm'rnosti! e - mez elasti$nosti! ktd - mez kluzu plasti$nosti - dolní! kth - mez kluzu plasti$nosti - horní! Pt - mez pevnosti! - nap'tí v kovu [MPa]! -deformace kovu k -k#ehk& materiál h -hou*evnat& materiál a),b) -vliv tvaru zku)ební ty$e, pracovní diagramy obr. 2 V#hody tvá$ení kov%

9 V#hody tvá$ení kov%: zlep)ení u*it&ch vlastností kov% vysoká ekonomická efektivnost mo*nost sériové v&roby zlep)ení struktury a vlastností kovu zv&)ení *ivotnosti sou$ástí vyroben&ch tvá#ením nízká hmotnost tvá#ecích sou$ástí Tva$itelnost Je schopnost tvá#eného t'lesa se plasticky deformovat za obecn&ch podmínek tvá#ení bez poru)ení celistvosti materiálu. 2.2 Charakteristika tvá"ecích pochod$ Klí$ová slova: - válcování, kování, protla$ování, ta*ení - válcovací stolice - pr%vlak - pr%tla$ník - pr%tla$nice - rekrystalizace Tvá$ecí pochody se d!lí podle t!chto základních aspekt%: 1. Vn'j)í síly vyvolávající deformaci 2. Teploty 1) Podle vn'j)í síly vyvolávající deformaci: a) Válcování

10 9 b) Kování c) Protla$ování (lisování) d) Ta*ení Válcování Válcování kovov&ch materiál%, materiál% s polykrystalickou strukturou,pat#í mezi nejproduktivn'j)í a nejekonomi$t'j)í v&robní procesy v oblasti tvá#ení kov%. P#ibli*n' 90% sv'tové v&roby oceli se zpracuje válcováním a v sou$asnosti se také zaznamenávají nové sm'ry rozvoje válcovacích technologií a válcovacích za#ízení. Spolu s tím se #e)í po*adavky na úsporu kovové substance, energie a v neposlední #ad' se bere ohled na ochranu *ivotního prost#edí. P#i válcování dochází k tvá#ení materiálu, kter& vykonává posuvn& pohyb v meze#e mezi otá$ejícími se válci. Vn'j)í síla se p#ená)í tlakem. Rozeznáváme dva základní, principieln' odli)né, zp%soby: 1. Podélné 2. P#í$né

11 VÁLCOVÁNÍ PODÉLNÉ vyzna$uje se tím, *e sm'r posuvu materiálu osa válcování je kolmá na ob' rovnob'*né osy válc%. Osa válcování je zárove+ sm'rem nejv't)í hlavní deformace. P#i jednom pr%chodu materiálu provalku jde o postupnou spojitou zm'nu rozm'- r%, obvykle zmen)ení v&)ky a zv't)ení )í#ky a délky. Podélné válcování DUO stolice H 0 vstupní v&)ka [mm] 1 H v&stupní v&)ka [mm] F tahová síla [N]

12 11 zvlá)tním p#ípadem podélného válcování je planetové válcování. Je to postupné spojité válcování velk&m po$tem vále$k% malého pr%m'ru, upevn'n&ch otá$iv' ve v'nci okolo uná)ejících op'rn&ch válc% velkého pr%m'ru. moderní zp%soby válcování ploch&ch v&valk% pou*ívají víceválcové stolice (kvarto, )esti i víceválcové). "estiválcové stolice Hitachi

13 12 v p#ípad', *e pracovní válce mají bu, jeden (nebo oba) prom'nn& polom'r po svém obvodu nebo periodicky kmitají kolmo na osu válcování, jedná se o podélné válcování s v&robou periodick&ch profil%. dal)í modifikací je periodické podélné válcování. P#i jedné oto$ce válc% se st#ídá válcování a podávání do záb'ru Tohoto zp%sobu se pou*ívá p#i v&rob' beze)v&ch trubek a naz&vá se poutnické válcování. VÁLCOVÁNÍ P)Í*NÉ je typické tím, *e v)echny t#i osy (obou pracujících válc% i materiálu) jsou rovnob'*né. Osa materiálu je osou válcování, materiál se okolo ní otá$í. Osy válc% mimob'*né, tak*e provalek mezi válci nejen rotuje, ale vykonává i postupn& pohyb, tak*e v&slednicí je pohyb po )roubovici proti d'rovacímu trnu. Tento zp%sob se naz&vá kosé válcování, pou*ívá se p#i v&rob' beze)v&ch trubek. Jin&m p#íkladem p#í$ného válcování je v&roba koulí válcováním. P$í(né válcování Kování Ú$inek vn'j)í síly se p#ená)í na tvá#en& materiál bu, obdobn' jako u válcování klidn&m tahem (kování na lisech) nebo rázem (ru$ní kování, kování na bucharech). Nejv't)í hlavní deformace spadá ve sm'ru p%sobení vn'j)í síly. V praxi pou*íváme dva zp%soby kování: a) Volné kování b) Zápustkové kování

14 13 VOLNÉ KOVÁNÍ se vyzna$uje p#etr*it&m vkládáním materiálu a jeho volnou deformací do stran mezi kovadla. Pou*ívá se p#i v&rob' jednotliv&ch v&kovk% jednodu))ích tvar%. V&chozím polotovarem je ková#sk& ingot pro v&kovky v't)ích rozm'r% (a* 200tun), a nebo ty$ová ocel. ZÁPUSTKOVÉ KOVÁNÍ je typické tím, *e tvar v&kovku se vytvá#í v dutin' zápustky, kterou tvá#en& materiál zcela vyplní. Hotov& v&kovek se vytvo#í bu, najednou v jedné zápustce, nebo postupn' v n'kolika zápustkách. Tento zp%sob se hodí pro velké série v&kovk%. Jedná-li se o tvá#ení sv&m tvarem plo)n&ch materiál%, hovo#íme o lisování a v&robek se naz&vá v&liskem. Protla(ování (lisování) Jedná se o lisování, kdy tvá#en& materiál je vlo*en& do zásobníku (pr%tla$nice) a pomocí pístu (pr%tla$níku) je protla$ován na kone$n& tvar. Tvar pr%tla$nice musí odpovídat tvaru v&lisku. Tato metoda plastické deformace se provádí za studena i za tepla a má vyu*ití nap#. v automobilovém pr%myslu (karoserie, p#evodovky).

15 14 Ta&ení Dal)í zp%sob tvá#ení, kter& se pou*ívá p#i v&rob' drát%, ty$í a trubek. Základní silou, která zp%sobuje plastickou deformaci, je ta*ná síla. Nástroj, kter& se pou*ívá pro ta*ení, je pr%vlak. Princip ta*ení spo$ívá v protahování materiálu p#es kónick& otvor v pr%vlaku, hlavní deformace je ve sm'ru tahu. Pr%vlaky se vyráb'jí z technického diamantu a ze slinut&ch karbid%, objímka je z mosazi.

16 Pr%vlak 1. Vstupní ku*el slou*í k zavedení v&chozího polotovaru do pr%vlaku a pro p#ívod maziva 2. Pracovní $ást intenzivní plastická deformace 3. Kalibra$ní válcová $ást slou*í pro správné vedení materiálu 4. V&stupní ku*el slou*í k odpru*ení ta*eného materiálu F ta*ná síla Pr%vlaky se vyráb'jí z technick&ch diamant%, slinut&ch karbid% a objímka je z mosazi. Ostatní zp%soby protla(ování Ze $ty# základních zp%sob%, které samy mají #adu modifikací, pak s pou*itím nejr%zn'j)ích jednoú$elov&ch za#ízení vznikají dal)í mo*nosti zpracování kov% tvá#ením. Je to nap#. hluboké ta*ení, v podstat' lisování (karoserie automobil%), zkru*ování (trubka v pásu), profilování (spojité p#í$né oh&bání pásu), pr%tla$né lisování, válcování *elezn&ch kol, smy$kové válcování pás%, planetové válcování dv'ma sadami obíhajících vále$k%, planetové kosé válcování atd. Sou$asn' se i u mnoha základních zp%sob% za$íná vyu*ívat vibra$ních ú$ink% nástroj% (nap#. pomocí ultrazvuku) nebo ú$inku trhaviny (plátování). 2)Podle teploty Plastické vlastnosti tvá#en&ch látek kladou p#i tvá#ení odpor, kter& se m'ní s teplotou. P#evá*n' platí, *e deforma$ní odpor je ni*)í se zvy)ující se teplotou, u jednofázové struktury a u materiálu, kter& se snadno a rychle uzdravuje.

17 16 Kovy mají krystalickou skladbu, a proto pro studium velk&ch plastick&ch deformací u technologick&ch tvá#ecích pochod% mají velk& v&znam fyzikální d'je uvnit# krystalov&ch zrn a na jejich hranicích. S tím souvisí zm'ny strukturální. Tyto d'je ovliv+ují fyzikální a tím i mechanické vlastnosti tvá#eného kovu. Uzdravování je op't p#evá*n' zp%sobováno rekrystalizací, její úpln& pr%b'h je siln' závisl& na teplot' podle vztahu: T R = 0,4. T T ( K ) T T teplota tání $istého kovu T R teplota rekrystalizace Tvá#ecí pochody pod T R jsou ozna$ovány jako tvá#ení za studena a pochody nad T R jsou ozna$ovány jako tvá#ení za tepla. Tvá!ení za tepla Teploty tvá#ení jsou nad 0,6 0,7 Tt. Je charakterizováno sou$asn' probíhajícím zpev+ováním a uzdravováním, tedy se nem'ní mechanické vlastnosti ani fyzikální vlastnosti. Kov si ponechává velkou zásobu plasticity a je schopen dosáhnout velk&ch deformací. Tyto jednoduché pohledy v)ak ji* dodnes teoreticky p#esn' neobstojí; lze shrnout, *e správn'j)í je rozd'lit tvá#ecí pochody na ty, p#i nich* dochází ke zpev+ování ( jsou to tedy p#evá*n' pochody za studena ) a na ty, p#i nich* ke zpev+ování nedochází. Tvá!ení za studena D'je se zpravidla u teplot ni*)ích ne* 0,2 0,3 Tt, tj. pod teplotami uzdravovacích proces%. Vyzna$uje se deformací (usm'rn'ním) struktury, $ili vznikem textury a zm'nou mechanick&ch vlastností s v&znamn&m jevem, jím* je zpevn'ní kovu. Plastické vlastnosti (zásoba plasticity) se postupn' vy$erpávají. Probíhá za teplot 200 C 300 C, proto je nutné provést po tvá#ení za studena tepelné zpracování *íhání, za ú$elem obnovy krystalické m#í*ky. V&sledkem t'chto d'j% je zv&)ení pevnosti a tvrdosti a úm'rn' se sni*uje plasticita a hou*evnatost materiálu. Kontrolní otázky: 1. Co je základem tvá#ecích pochod$? 2. Princip plastické deformace 3. Co je to tva#itelnost? 4. Jaká je hranice nap%tí pro plastickou deformaci? 5. Rozd%lení tvá#ecích pochod$ 6. Popi&te tvá#ení za studena 7. Jaké dva základní procesy probíhají p#i tvá#ení za tepla?

18 17 8. Jaké jsou p#ednosti tvá#ení? 2.3 Vliv tvá"ení kov$ na mechanické vlastnosti Klí$ová slova: - mechanické vlastnosti - skluz - skluzové roviny - poruchy krystalické m#í*ky - dvoj$at'ní - anizotropie - millerové indexy - textura Cíl tvá$ení - dát po*adovan& tvar a rozm'ry - docílit po*adovan&ch mechanick&ch vlastnosti a struktury Technické materiály je mo*né rozd'lit na látky krystalické a amorfní. Krystalické látky se vyzna$ují krystalovou strukturou, která se skládá z jednotliv&ch krystal%. Amorfní látky jsou zpravidla látky plynné, kapalné a makromolekulární. Krystalová struktura je slo*ena z jednotliv&ch krystal%. Ty vznikají p#i krystalizaci látky (t.j. p#i zm'n' skupenství ze stavu kapalného do tuhého), kdy vnit#ní síly #adí atomy (molekuly) do ur$it&ch geometrick&ch útvar%. Krystal je slo*en z pravideln' v prostoru se opakujících základních (elementárních) krystalov&ch bun'k. Základní (elementární) krystalová bu+ka je soubor atom%, kter& se pro stejnou látku a za stejn&ch termodynamick&ch podmínek poskládá v prostoru v*dy stejn&m zp%sobem a vytvo#í tak v*dy stejn& prostorov& útvar. Jejím opakováním do prostoru vznikne krystalická m#í*ka. Tvar krystalické m#í*ky je pro danou látku typick& a odpovídá jedné ze 7 mo*n&ch krystalografick&ch soustav. Celkem v 7 krystalografick&ch soustavách existuje 14 typ% krystalov&ch bun'k Bravaisov&ch. Vlastnosti krystal% jsou sm'rov' závislé anizotropní. V't)ina technicky d%le*it&ch kov% krystalizuje v soustav': - krychlové plo)né st#ed'né (FCC) Ti, Cd, Ni, Cu, Pt, Al, Au, Ag, Pb - krychlov' prostorov' st#ed'né (BCC) Fe, Cr, W, V, Mo, Li - )estere$né s nejt'sn'j)ím uspo#ádáním (HCP) Be, Co, Zn, Mg, Zr 2.4 Mechanismus plastické deformace

19 18 Vlo*ením báze do krystalové m#í*ky vzniká krystal (krystalické zrno). Dá se vytvo#it pravideln&m opakováním krystalov&ch bun'k. Ideáln' vyvinutá krystalová zrna se naz&vají monokrystaly. Náhodn&m uspo#ádáním krystal% vzniká polykrystalická struktura, která má v d%- sledku této nahodilosti izotropní vlastnosti. Tvá#ením nebo ur$it&m zp%sobem *íhání se v)ak m%*e tato nahodilá orientace usm'rnit do ur$it&ch poloh. V&sledkem je pak tzv. textura (usm'rn'ná struktura), u ní* se projevuje v't)í $i men)í anizotropie. Ve svém d%sledku v)echny nedokonalosti mají vliv na jejich mechanické a fyzikální vlastnosti. Tyto vady neboli poruchy krystalové struktury se mohou podle svého geometrického tvaru d'lit na: - bodové - $árové - plo)né - prostorové Bodové poruchy mohou b&t: Prázdné (neobsazené) uzlové body, tzv. vakance nebo atom umíst'n& mimo uzlov& bod, tzv. intersticiál. Chemické poruchy, kdy cizí atom bu, nahrazuje atom v elementární bu+ce - tzv. substitu$ní atom, nebo se umístí v mezim#í*kové poloze elementární bu+ky - tzv. intersticiální atom. *árová porucha vznikne tehdy, kdy* se v ideálním krystalu vlivem vn'j)ích podmínek za$ne postupn' posouvat jedna $ást atomov&ch rovin v%$i ostatním atomov&m rovinám. Rozhraní mezi posouvajícími a neposouvajícími se atomov&mi rovinami se naz&vá rovina skluzu. Dislokace je $árová (jednorozm'rná) porucha krystalové struktury na rozhraní mezi posunutou a neposunutou $ástí krystalu. Vzniká $áste$n&m posunutím jedné $ásti krystalu proti druhé. Frank-Read%v zdroj dislokací dislokace p#i svém pohybu narazí na nepr%chodné p#eká*ky bodového charakteru, jak&mi jsou $ástice karbid% nebo precipitáty. Postupující disloka$ní $ára se zachytí o dv' sousední $áste$ky a za$ne se zak#ivovat a cel& d'j se opakuje. Tak vzniká v pr%b'hu plastické deformace z jedné dislokace a* n'kolik disloka$ních smy$ek. Hustota dislokací je definována jako hodnota udávající celkovou délku disloka$ních $ar v jednotce objemu. Vztahuje se k 1 cm 3. Podle toho, jak dislokace postupuje, se dislokace d'lí na: - hranové - )roubové - smí)ené dislokace P#i plastické deformaci kovu dochází ke generaci dislokací. Ukazuje se, *e v krystalech vyroben&ch v laboratorních podmínkách je hustota dislokací 106 cm -2. V technick&ch netvá#en&ch kovech je hustota dislokací cca 108 cm -2. Po silném tvá#ení stoupá hustota dislokací a* na hodnotu 1012 cm -2. V n'kter&ch podmínkách m%*e probíhat plastická deformace i jin&mi d'ji ne* je pohyb dislokací. Nap#íklad p#i vysok&ch teplotách m%*e p#evládat difúze nebo posuny na hranicích zrn. I tyto d'je jsou v)ak siln' ovlivn'ny p#ítomností dislokací. U n'kter&ch ma-

20 19 teriál% (austenitické ocele, Cu slitiny) m%*e probíhat plastická deformace i dvoj$at'ním nebo pomocí skluzov&ch $ar (u n'kter&ch Al slitin). V roce 1950 byl navr*en a za n'kolik let i prokázán Frank-Read%v zdroj dislokací, kter& byl ji* popsán. P#i velmi nízk&ch teplotách a vysok&ch rychlostech zat'*ování (deformace) vzroste odpor proti pohybu dislokací natolik, *e se m'ní mechanismus plastické deformace na deformaci dvoj$at'ním. Dvoj$at'ní je deforma$ní mechanismus, p#i n'm* se $ást krystalové m#í*ky posune tak, *e vytvá#í zrcadlov& obraz neposunuté $ásti m#í*ky podle schématu na obrázku. Velikost deformace p#i tvá#ení kov% (válcování) ovliv+uje strukturu, mechanické vlastnosti, jejich sm'rovou anizotropii, fyzikální vlastnosti, rozm'ry a povrchovou jakost. Charakteristick&m rysem z pohledu vlivu jednotliv&ch faktor% je teplota tvá#ení, která je dominantním faktorem. Tvá#ení za studena Jeliko* proces tvá#ení probíhá p#i teplotách cca C, vyzna$uje se zna$nou deformací krystalické m#í*ky, vznikem textury, v&raznou zm'nou mechanick&ch vlastností, to znamená vysok&m zpevn'ním kovu. B&vá také do jisté míry ovlivn'na hustota materiálu. Zm'na mechanick&ch vlastností zp%sobí ztrátu hou*evnatosti materiálu, která se obnoví následném tepelném zpracování. Základním mechanismem plastické deformace je skluz atomov#ch rovin. Deforma$ní textury a) neuspo#ádan& stav b) usm'rn'ná struktura

21 1.Skluz je základním mechanismem plastické deformace za nízk&ch teplot. Vznik v krystalick&ch látkách v ur$it&ch rovinách je #ízen posuvem vrstev krystal%, jejich* velikost odpovídá násobk%m nejmen)í m#í*kové vzdálenosti (parametr a). Plastické deformace skluzem nastane, kdy* je p#ekro$ena hodnota kritického skluzového nap!tí +. Skluz se #ídí t'mito pravidly: 1. Sm'r skluzu je toto*n& se sm'rem nejhust'ji obsazen&mi atomy. 2. Sm'r skluzu je toto*n& s rovinou je nejhust'ji obsazen&mi atomy. 3. Ka*d& skluzov& systém musí b&t ur$en rovinou i sm'rem skluzu. P#ed deformací Po deformaci P#i plastické deformaci skluzu probíhají dva základní druhy skluzu. Jednoduch& skluz (translak$ní) je plastická deformace, která probíhá v jednom skluzovém systému a projevuje se v oblasti po$átku plastické deformace. Slo*it& skluz je plastická deformace, která probíhá sou$asn' v n'kolika skluzov&ch systémech. Jeho v&sledkem je v't)í deforma$ní zpevn'ní kov%. Tento skluz navazuje na jednoduch&.

22 21 Skluzové roviny krystalick#ch m$í&ek P#i tvá#ení kov% za studena, kdy nem%*e deformovaná struktura rekrystalizovat, se s rostoucí velikostí deformace postupn' protahují zrna základní strukturní matrice do hlavního sm'ru deformace a sou$asn' dochází k usm'rn'nému uspo#ádání krystalografické m#í*ky. Vzniká deforma(ní a krystalografická textura. Krom' vzniku prota*en&ch zrn se rovn'* vytvá#í #ádkovité uspo#ádání dal)ích strukturních fází, nap#íklad vm'stk%, karbid% a perlitick&ch blok%. Vzniká sm'rová závislost anizotropie mechanick#ch vlastností a zpevn!ní kovu. V&raznost texturního uspo#ádání roste s velikostí deformace a je typická zejména p#i válcování pás% za studena. Proto se v&sledek vlastností projeví poklesem plasticity a je nezbytné po tvá#ení za studena proád't obnovu deformované krystalické stavby rekrystaliza(ní &íhání. P#íklad skluzového systému KPC m#í*ky kubické plo)n' centrované

23 22 Proto*e se plastická deformace d'je pouze v n'kter&ch aktivních krystalografick&ch rovinách a v ur$it&ch sm'rech, je z uveden&ch d%vod% nutno krystalografické roviny a sm'ry rozli)ovat a ozna$ovat, k $emu* se pou*ívá Millerov#ch index%. Postup ozna$ování krystalografick&ch rovin je patrn& z p#íklad% u následujícího obrázku: 1. Nejprve se ur(í u dané roviny úseky vytnuté touto rovinou na osách v po$adí x, y, z sou$adnicového systému, vyjád$ené v hodnotách délky hrany krychle m$í&kového parametru a = Stanoví se p$evracené hodnoty t!chto (ísel. 3. *ísla se upraví na celá nesoud!lná. 4. Tato (ísla v kulat#ch závorkách zna(í Millerovy indexy dané roviny. Pokud ur$ovaná rovina vytíná úsek na záporné stran' od po$átku sou#adnicového systému, ozna$í se v&sledn& index naho#e záporn&m znaménkem. V)echny krystalograficky ekvivalentní roviny stejného typu se ozna$ují jednotn' symbolem jedné této roviny ve slo*ené závorce. Nap#íklad v)echny roviny plá)t' krychle jednotlivého ozna$ení (100), (010), (001), (100), (010) a (001) lze jednotn' ozna$it symbolem {100}. 2. Dvoj(at!ní je deforma$ní mechanismus, p#i n'm* se $ást krystalové m#í*ky posune tak, *e vytvá#í zrcadlov& obraz neposunuté $ásti m#í*ky podle schématu na obrázku.

24 Schéma deformace dvoj(at!ním a - meziatomová vzdálenost B - B rovina dvoj$at'ní F - p%sobící nap'tí 3. Difúzní je takov& mechanismus, jeho* základním p#edpokladem je vysoká teplota kov% a nízká rychlost válcování. Neprobíhá v skluzov&ch rovinách, ale v místech m#í*kov&ch poruch. To znamená probíhá u proces% tvá$ení kov% za tepla. Plo'né poruchy

25 Vznik vrstevné chyby v KPC m$í&ce a) #ez ideálním krystalem b) vrstevná chyba vsunutím jedné roviny do druhé c) vrstevná chyba vysunutím jedné roviny z druhé 4. P$emís,ování blok% a zrn probíhá po hranicích zrn, to znamená mezikrystalicky. Vede ke vzniku k#ehkého lomu. Zrna kovu 2.5 Vliv faktor$ na tva"itelnost Klí$ová slova - tva!itelnost

26 25 - metalurgická tva!itelnost - deforma$ní odpor - exponent zpevn(ní - koeficient normálové anizotropie! Tva$itelnost je schopnost materiálu se plasticky deformovat za ur$it&ch podmínek tvá#ení a* do poru)ení soudr*nosti. Závisí na plasti$nosti, geometrii tvá#eného t'lesa a podmínkách tvá#ení.! Metalurgická tva$itelnost vyjad#uje vliv metalurgick&ch $initel% na tva#itelnost za dan&ch termomechanick&ch podmínek ( teploty a rychlosti deformace).! Deforma(ní odpor (MPa) vyjad#uje reakci materiálu na p%sobení vn'j)ích tvá#ecích sil. Toto vnit#ní nap'tí musí b&t tak veliké, aby to posta$ovalo k vyvolání plastické deformace.! Deforma(ní schopnost materiálu vyjad#uje jeho schopnost se plasticky deformovat a p#ihlédnutím na základní plastické vlastnosti a deforma$ní odpory. Hlavní cíle :! dát t'lesu po*adovan& tvar a rozm'ry! neporu)it soudr*nost! optimalizovat strukturu Hlavní faktory: Fyzikáln! metalurgick# charakter Z hlediska tva#itelnosti je rozhodující: - vliv jednotliv&ch prvk% na strukturní stav oceli v oblasti teplot tvá#ení a kritické teploty fázov&ch p#em'n - rozpustnost v základní strukturní slo*ce a zp%sob v&skytu nerozpu)t'n&ch p#ím'sí

27 26 - vliv na kinetiku tepeln' ovlivn'n&ch proces% (zejména uzdravovacích, r%st zrna, teploty fázov&ch p#em'n atd.) - afinita k prvk%m jako nap#. O, N, C, S a dal)ím s vlastnosti vznikajících slou$enin Feritotvorné prvky v oceli: Al, Si,Cr, Ti, Nb, P atd. Austenitotvorné prvky v oceli: C, N, Ni, Mn, Co. Chemické slo&ení Závisí na slo*ení vsázky a vedení tavby, dezoxidaci, aplikaci metod sekundární metalurgie. Základní prvky ( Fe, C, Mn, Si), legovací prvky( Cr, Ni, Mo, Si, W), ne$istoty (P,S), plyny(o,n,h), stopové prvky(cu, Sn, Pb), stabilizující, mikrolegující a speciální prvky ( Nb, V, Ti, Zr, B, kovy vzácn&ch zemin). Uhlík Nízkouhlíkové elektrotechnické oceli mají nízkou tva#itelnost v oblasti teplot C. Optimální tva#itelnost je p#i obsahu uhlíku kolem 0,25 %, se stoupajícím hmotnostním podílem uhlíku v oceli se tva#itelnost sni*uje a zv't)uje se sklon k r%stu zrna v oblasti vysok&ch teplot (viz graf). Vliv hmotnostního podílu uhlíku na tva$itelnost v oblasti teplot 800 C a& C Mangan Mangan odstra+uje k#ehkost za tepla, pon'vad* má vy))í afinitu k sí#e ne* *elezo. Vznikající sulfid MnS, pop#. MnS.FeS má vy))í teplotu tání ne* FeS. Chemická nehomogenita Mn v lité oceli podporuje anizotropii mechanick&ch vlastností.

28 27 Chrom Chrom sni*uje energii vrstevn&ch chyb a zt'*uje kinetiku uzdravovacích proces%. Zvy)uje proto deforma$ní odpory a sni*uje tva#itelnost. Chromové oceli jsou velmi citlivé na tepelná pnutí, a proto vy*adují zv&)enou pozornost p#i oh#evu a ochlazování. Nikl Nikl v tuhém roztoku neovli+uje podstatn' podmínky tvá#ení za tepla. Vzhledem ke zv&)enému sklonu k segregacím a vzniku nízkotajících sulfid% niklu je tvá#ení t'chto ocelí v litém stavu obtí*né. Síra Se *elezem vytvá#í síra nízkotající sulfid *eleza, pop#. eutektikum FeS.Fe s teplotou tání 988 C. Odstran'ní lámavosti za tepla zp%sobené sírou vy*aduje vazbu síry na prvky vytvá#ející sulfidy s vy))í teplotou tání jako nap#. Mn, Ce, La, Zr, Cr a dal)í. Dusík V oceli se dusík vá*e p#evá*n' na nitridy, které mohou zt'*ovat podmínky tvá#ení za tepla a zejména sni*ují odolnost proti k#ehkosti za studena. Nep#ízniv& vliv na tva#itelnost za tepla mají zejména precipitující nitridy a karbonitridy b'hem plastické deformace. Vodík Vodík nemá vliv na tva#itelnost, ale m%*e b&t p#í$inou vzniku vlo$kovit&ch trhlin u ur$it&ch druh% vysokouhlíkov&ch a legovan&ch ocelí. Hliník P#i dokonalé dezoxidaci oceli Al se zlep)uje tva#itelnost oceli za tepla i u*itné vlastnosti. Bor V mal&ch mno*stvích (tisíciny procenta) zpev+uje bor hranice zrn a zlep)uje tva#itelnost. Strukturní stav Je ovliv+ován chemick&m slo*ením, zp%sobem v&roby a odléváním oceli, re*imem tvá#ení i ochlazování. * stav lit& nebo tvá#en& * po$et strukturních slo*ek, jejich vlastnosti, zp%sob v&skytu a vzájemn& vliv * makrostruktura (velikost a orientace zrn, nehomogenity, licí vady) * mikrostruktura (charakter hranic zrn a mikro$istota) Nejvy))í tva#itelnost mají (isté kovy ($istota hranic zrn a kluzn&ch rovin, mal& po$et p#eká*ek pro pohyb dislokací). Kovy s KPC (m#í*kou mívají v závislosti na teplot' monotónní pr%b'h tva#itelnosti, kovy s KSC m#í*kou p#i nízk&ch teplotách, mají sklon ke k#ehkosti. V&skytem dvoufázové struktury (ferit + austenit) se tva#itelnost v&razn' sni*uje. D%vodem jsou rozdílné mechanické vlastnosti obou slo*ek a rozdílné rozpustnosti p#ísadov&ch prvk%. To znamená, *e tva#itelnost materiálu úzce souvisí se strukturou a teplotou tvá#ení. Tepeln! aktivované d!je Závisí na difúzních schopnostech materiálu (chemické slo*ení, strukturní stav) a termomechanick&ch podmínkách tvá#ení ovliv+ují zpev+ování a uzdravování deformovaného materiálu, r%st zrn a pr%b'h fázov&ch transformací p#i oh#evu.

29 28 Zp%sob dezoxidace ovlivní obsah plyn% v oceli, charakter i zp%sob v&skytu vm'stk% jakost hranic zrn) a makrovady (dutiny, póry, segregace). Termomechanick# charakter Se stoupající teplotou roste pohyblivost atom% (difúze) a dislokací. Zrychluje se uzdravovací proces. Po p#ekro$ení optimálních teplot nastává zrychlen& r%st zrn a* natavování jejich hranic p#i sou$asném poklesu plasticity kovu. M%*e tak dojít k p#eh#átí nebo spálení materiálu. Proto fázové transformace, oblasti precipitace komplikují vliv teploty na tva#itelnost. Pro procesy tvá#ení kov% existuje: - tva#itelnost za tepla - tva#itelnost za studena Tva$itelnost za tepla se zji).uje tahovou zkou)kou za zv&)en&ch teplot, tlakovou, krutovou zkou)kou, rázovou zkou)kou v ohybu a zkou)kami technologického charakteru(ohybová, p'chovací,klínová, d'rovatelnosti). Tvá#ení pod teplotou rekrystalizace, to znamená p#i pokojové teplot' nebo p#i zv&)ené teplot' (300 0 C), vede k intenzivnímu zpev+ování a nárustu deforma$ního odporu. V&sledkem je sní*ení tvá#itelnosti je zv&)ení hodnot u*itn&ch vlastností a zlep)ení jakosti povrchu. Tva#itelnost je pak obnovena následn&m rekrystaliza$ním *íháním. Dobrá tva#itelnost je pak podmín'na nízk&mi pevnostními a vysok&mi plastick&mi vlastnostmi. Tva$itelnost za studena se zji).uje nej$ast'ji jednoduchou tahovou zkou)kou, zkou)kou hlubokota*nosti podle Erichsena nebo kalí)kou zkou)kou. Kritérií míry tva$itelnosti za studena je celá #ada : - hodnota koeficientu normálové anizotropie r s vyjad#uje pom'r mezi skute$n&mi deformacemi vzorku po )í#ce tlou).ce, které se #adí mezi nenormované mechanické vlastnosti zji)t'né tahovou zkou)kou. - hodnota exponentu deforma$ního zpevn'ní n s

30 29 - podíl P = R e / R m (< 0,8) - nízk& pom'r v't)inou signalizuje vy))í tva#itelnost - stupe- ta&ení - A 10 / R p0,2 - - vy))í pom'r zvy)uje tva#itelnost - komplexní ukazatel tva$itelnosti KUT = P * A 80 (A celková ta*nost) - zásoba plasticity ZP = / * ( R m R p0,2 )* A H, A H = 100 * (e n 1) - index tva$itelnosti IT = 1000 * r s * n s Nejvíce pou*ívan&m kritériem je zásoba plasticity, která je definována jako mno*ství práce (Nm), pot#ebné k plastické deformaci 1mm 3 v oblasti rovnom'rné deformace. Nap!,ové stavy a technologické podmínky zpracování - hlavní nap!tí od vn'j)ích sil (tahové a tlakové) - p$ídavná nap!tí vlivem t#ení a r%zn&ch nehomogenit - technologické podmínky tvá$ení ( vn'j)í t#ení, geometrie tvá#ecího procesu) - ukazatel stavu napjatosti vyjad#uje p#evahu tahov&ch slo*ek nap'tí ve tvá#eném t'lese (kladné hodnoty nap'tí). Obecn' platí pravd'podobnost vzniku k#ehkého lomu práv' v d%sledku t'chto slo*ek. K tomuto zji)t'ní existují plastometrické zkou'ky tva$itelnosti. Vr%zn&ch místech provozn' tvá#eného t'lesa existují rozli$né kombinace jednotliv&ch slo*ek a tím odli)né hodnoty ukazatele stavu napjatosti, zejména u tvarov' slo*it&ch produkt%. Je t#eba ur$it kritická místa z pohledu plasticity a pak vypo$íst hodnotu ukazatele stavu napjatosti, podle kterého pak korigovat hodnotu tva$itelnosti materiálu. Ukazatel stavu napjatosti

31 2.6 P"etvárn! odpor Klí$ová slova - deforma$ní odpor - válcovací síla Deforma(ní odpor se definuje se jako odpor materiálu proti vzniku plastické deformace. Nap#íklad p#i válcování válcovací síla F v (N) závisí na st#edním deforma$ním odporu 0 s (Mpa) a stykové plo)e mezi provalkem a válcem S st (mm 2 ). Fv = 0 s * S st (N) pak: st#ední deforma$ní odpor : 0 s = 0 ps * Q fv 0 ps st#ední p#irozen& deforma$ní odpor (závisí na teplot' T (K), rychlosti a stupni deformace) Q fv tvá#ecí faktor (závisí na geometrii pásma deformace)

32 Mo&nosti zlep'ení tva$itelnosti ocelí - Úprava konstituce oceli pro dosa*ení ur$it'ch strukturních stav% (eliminace dvoufázov&ch stav%). - Zv'#ena mikro$istota oceli (sní*ení obsahu P a S, dále Cu, Sn a stopov&ch prvk%). - Zpevn(ní hranic zrn (vy))í $istota ocele a p#ísady speciálních prvk% jako nap#. boru). - Speciální p!ísady pro stabilizaci precipitát% (Ti, Nb, V) a modifikaci vm'stk% nap#. Zr. - Ú$inná dezoxidace pro sní&ení obsahu kyslíku a vytvo!ení p!ízniv(j#ích oxid% - Zjemn(ní makrostruktury i mikrostruktury, pop#. usm(rn(ní licí struktury (nap#. elektrostruskové p#etavování). - Vytvo!ení p!ízniv(j#ích nap()ov'ch stav% (úpravou kalibrace, geometrií tvá#ecích nástroj%). - Úpravou termomechanick'ch podmínek tvá!ení (dosa*ení zv&)eného stupn' uzdravení mezi jednotliv&mi pr%chody, tvá#ení Kontrolní otázky: 1. Charakterizujte metalurgickou tva#itelnost. 2. Specifikujte základní mechanismy plastické deformace. 3. Uve'te p#íklady skluzov(ch systém$. 4. Vysv%tlete pojem termomechanick( faktor. 5. Vysv%tlete pojem fyzikáln%-metalurgick( faktor. 6. Charakterizujte p#etvárn( odpor. 7. Jaké jsou zp$soby zji&t%ní tva#itelnosti za tepla a za studena? 8. Jaké jsou mo)nosti zv(&ení tva#itelnosti? 2.7 Zákony plastické deformace Podmínkou proto, aby plastická deformace kov% prob'hla, je spln'ní t'chto zákon%:! zákon stálosti objemu! zákon smykov&ch nap'tí! zákon pohybu $ástic cestou nejmen)ího odporu! zákon p#ídavn&ch nap'tí a nerovnom'rnosti deformace! zákon podobnosti! zákon p#ítomnosti pru*né deformace p#i plastické deformaci

33 32 Klí$ová slova - plastická deformace - zákon stálosti objemu - zákon nejmen)ího odporu - zákon p#ídavn&ch nap'tí - tlaková a tahová nap'tí - stavy napjatosti - zákon podobnosti - teorie plasti$nosti - rovnice plasti$nosti Zákon stálosti objemu Vstupní materiál je hranolovité t'leso o rozm'rech h 0 (v&)ka), b 0 ()í#ka), l 0 (délka). Po deformaci získáme rozm'ry h 1.b 1.l 1. Platí: h 0 b 0 l 0 = V 0 = h 1 b 1 l 1 = V 1 = konstantní h 1 1. h0 b0 b l1. l = 1 = 1 1, 2, 3...sou$initelé (koeficienty) v&)kové, )í#kové a délkové deformace Kovy jsou nestla$itelné 4 p#i velk&ch plastick&ch deformacích se po$ítá s konstantním objemem (v&jimky: p#echod z litého do tvá#eného stavu V = V n. 5 n a naopak zv&)ené koncentrace vad (dislokací v materiálu). V t'chto p#ípadech mohou nastat objemové zm'ny z d%vodu chemick&ch a strukturních nestejnorodostí, pop#ípad' vnit#ních trhlinek a bublin vznikl&ch p#i odlévání oceli.

34 33 V o = V 1 h o * b o * l o = h 1 * b 1 * l 1 P#i plastické deformaci válcování se objem kov% nem'ní, m'ní se pouze rozm'ry a tvar. Dochází ke stla$ení, prodlou*ení a roz)í#ení kovu v p#ípad' vstupního hranolovitého t'lesa. Rozm!rové zm!ny se mohou vyjád#it formou:! absolutních rozdíl%! pom'rné deformace! prodlou*ení, roz)í#ení a stla$ení 1.Absolutní rozdíly [mm] 6h = h o h 1 (zm'na v&)ky) 6b = b 1 b o (zm'na )í#ky) 6l = l 1 l o (zm'na délky)

35 2.Pom'rná deformace [%] pom'rné stla$ení 7 = ( 6h / h o ) * 100 pom'rná roz)í#ení 2 = ( 6b / b o ) * 100 pom'rné prodlou*ení 3 = ( 6l / l o ) * Formou prodlou*ení (3),roz)í#ení (2) a stla$ení (1) h 1 1. h0 b0 b l1. l0 = 1 *. +., = 1 Zákon stálosti objemu platí ve v)ech d%sledcích pouze p#i tvá#ení kov% s homogenní strukturou, co* jsou v podstat' kovy dostate$n' protvá#ené. Kovy s licí strukturou se vyzna$ují nemal&m mno*stvím necelistvosti (sta*eniny, #ediny, póry), které se tvá#ením sva#ují, tak*e hustota kov% p#i p#echodu do tvá#eného stavu vzr%stá v pr%m'ru o %. S tímto faktorem je nutno p#i uplat+ování zákona stálosti objemu po$ítat. V&znam zákona stálosti objemu je p#edev)ím v tom, *e umo*+uje #e)it úlohy, které jsou spojené se zm'nou rozm'ru v&chozího t'- lesa v kone$n& tvar po tvá#ení Zákon smykov!ch nap#tí Obecné existuje 9 vztah% napjatosti 4 prostorové 3 rovinné stavy napjatosti 2 jednoosé 1) 4prostorové ( - - -) (+ + +) ( ) ( - + +)

36 35 v)estrané v)estrané nestejnorod& stav stla$ení rozta*ení V)e platí za podmínky: (0 1 > 0 2 > 0 3 ) 2) 3rovinné stavy napjatosti ( - - ) ( - + ) ( + + ) rovinn& tlak nestejnorod& stav rovinn& tah 3) 2jednoosé ( - ) ( + ) jednoos& tlak jednoos& tah Podmínky plastické deformace pro jednoos# stav napjatosti: 8 max = 0 kt / 2 (Mpa) 0 kt mez kluzu (Rp 0,2 ) pak : 4 nastane plastická deformace Podmínky plastické deformace pro rovinn# stav napjatosti: - p#i nap'.ovém stavu (++), (--), se kritické nap'tí ve smyku 8 max = / 2 - p#i nap'.ovém stavu (+-) se kritické nap'tí ve smyku 8 max = / 2 pak : 4 nastane plastická deformace

37 Podmínky plastické deformace prostorovém stav napjatosti: Vycházíme z p#edpokladu *e (0 1 > 0 2 > 0 3 ) => Teorie mezního stavu Existují 4 teorie : 1. Rankinova teorie: Teorie nejv't)ích normálov&ch nap'tí. Plastické deformace nastane tehdy, jestli*e nejv't)í nap'tí dosáhne meze kluzu(r p0,2 ).V praxi se neosv'd$ila.. 1 = R p0,2 2. Saint Vénantová teorie: Plastická deformace nastane, jestli*e jedna z hlavních deformací ( ) dosáhne kritick&ch hodnot, odpovídajících po$átku smyku v skluzov&ch rovinách. V praxi se neosv'd$ila. 3. Trescová teorie: Je to teorie rozdíl% nejv't)ích normálov&ch nap'tí. Plastická deformace nastane tehdy, jestli*e rozdíl nap'tí 0 1 a 0 3 ( = 0 kt = Rp 0,2). Nedostatkem této teorie : Neuva*uje vliv nap'tí Henckyova teorie: Plastická deformace nastane, jestli*e v oblasti pru*n&ch deformací je dostatek energie pot#ebné pro trvalou zm'nu tvar%. ( ) ( ) = / *. kt Rovnice plasti(nosti maximální nap'tí minimální nap'tí 2 - sou$initel t#ení (1 1,15) 0 kt - Mez kluzu (Mpa), dnes Rp 02 Vztah mezi smykov&m nap'tím (8) a normálov&m nap'tím (0) v praxi : 1. teorie : 8 = (0,7 0,8) * 0 2. teorie : 8 = 9 * 0 3. teorie : 8 = (0,57 0,60) * 0

38 2.7.3 Zákon pohybu %ástic cestou nejmen&ího odporu Podle tohoto zákona platí, *e $ástice kovu se p#i tvá#ení p#emís.ují ve sm'ru nejmen)ího odporu, nebo. je to energeticky nejv&hodn'j)í. APLIKACE V PRAXI P!chování P#i p'chování vále$ku kruhového pr%#ezu se v)echny $ástice pohybují nejen ve sm'ru p%sobící síly, ale i radiáln'. Dochází k rovnom'rnému zv't)ení p#í$ného pr%#ezu ve v)ech sm'rech a ke sní*ení v&)ky p'chovaného vále$ku. Po$áte$ní p#í$n& kruhov& pr%#ez z%stane kruhov&m i po p'chování. Sm'r pohybu $ástic p#i p'chování vzorku pravoúhlého pr%#ezu je z#ejm& z obrázku, $ástice se pohybují op't kolmo k povrchu, d'lící $áry jsou úhlop#í$ky, rozd'lují nám pr%#ez na pásma pohybu. Po$áte$ní p#í$n& $tvercov& pr%#ez se tedy stane kruhov&m. P#i p'chování vzork% obdélníkového nebo lichob'*níkového pr%#ezu vzniká nejprve elipsovit& a posléze op't kruhov& pr%#ez. Proto praktick&m d%sledkem zákona pohybu $ástic cestou nejmen)ího odporu je pravidlo zaujetí nejmen)ího obvodu. Válcování V pr%b'hu válcování p%sobí síla jen na úzkou oblast válcovaného materiálu, p#i$em* sou$initel t#ení je jin& ve sm'ru podélném a jin& ve sm'ru p#í$ném. V&sledkem válcování $tvercové desky stále v jednom sm'ru dochází p#evá*n' k silnému prodlu*ování, )í#ení je zanedbatelné a $elní hrany se zakulacují. Ke vzniku kruhového pr%#ezu by i tady mohlo dojít, kdybychom po ka*dém pr%chodu obrátili provalek o 90.

39 38 Zákon nejmen)ího odporu se uplat+uje p#i navrhování slo*it&ch technologick&ch postup%, jak&mi jsou nap#. válcování v kalibrech a nebo zápustkové kování, kdy je pot#eba stanovit sm'ry p#emis.ování $ástic kovu a vytvo#it tak podmínky pro dokonalé vypln'ní v)ech dutin tvá#ecího nástroje Zákon p"ídavn!ch nap#tí a nerovnom#rnosti plastické deformace P#i ka*dé plastické deformaci t'lesa vznikají v oblastech zv't)ujících své rozm'ry nad ur$itou st#ední hodnotu p#ídavná nap'tí tlaková a v oblastech zmen)ujících své rozm'ry pod ur$itou st#ední hodnotu vznikají p#ídavná nap'tí tahová. P#ídavná nap'tí jsou jedním z d%sledk% nerovnom'rné deformace. Jejich vznik p#i p'chování válcového t'lesa je znázorn'n na následujícím obrázku, a to v p#í$ném #ezu vedeném polovinou v&)ky p'chovaného t'lesa. P#i praktickém p'chování vále$ku kruhového pr%#ezu zjistíme, *e kone$n& bo$ní profil není takov&, jak by teoreticky m'l b&t, ale je soudkovit&. Tato nerovnom'rnost deformace je zp%sobena celou #adou faktor%, hlavn' v)ak t#ením na kontaktních plochách. Obdobné t#ecí ku*ely a pásma deformace v závislosti na geometrickém faktoru (v tomto p#ípad' l d /h) pozorujeme i u válcování. Názorn&m p#íkladem nerovnom'rné deformace vyvolané vn'j)ím t#ením je p'chování vále$ku. Z obrázku je z#ejmé, *e pásmo deformace lze rozd'lit na t#i oblasti s rozdílnou velikostí místních deformací. Pro oblast I. je p#ízna$ná tém'# zanedbatelná deformace, co* se p#isuzuje vlivu t#ecích sil, jejich* ú$inek je nejsiln'j)í na stykové plo)e a do nitra vále$ku slábne. Nejv't)í deforma$ní ú$inek postihuje oblast II., v ní* smyková nap'tí dosahují nev't)ích hodnot. V oblasti III. probíhá deformace ur$ité st#ední velikosti a sou$asn' tu vznikají tangenciální tahová nap'tí, jejich* velikost vzr%stá sm'rem k bo$nímu povrchu vále$ku.

40 2.7.5 Zákon podobnosti Zákon podobnosti nám umo*+uje na základ' studia tvá#ecího pochodu v modelov&ch podmínkách usuzovat na odpovídající energosilové parametry p#i skute$n&ch podmínkách. Aplikace tohoto zákona vy*aduje, aby si t'lesa byla podobná, tedy podobnost zdaleka není jen podobností geometrickou, ale zahrnuje i jiné podmínky. Geometrická podobnost geometricky podobná jsou si t'lesa, jestli*e pom'r jejich objem% ( skute$ného V SK a modelového V m ) je t#etí mocninou a pom'r odpovídajících ploch druhou mocninou tzv. m'#ítka modelování ( té* pom'ru lineárních rozm'r% ) a tedy: V SK hsk. bsk. lsk = = a Vm hm. bm. l 3 m S S h h SK m SK m = = h b SK h. b b m m SK. b = SK m l l SK = a 2 m = a Mechanická podobnost Jsou to ta t'lesa, u kter&ch m%*eme konstatovat, *e tvá#ecí pochody probíhají p#i stejném stavu napjatosti, stejné velikosti nap'tí a p#i stejn&ch pom'rn&ch deformacích. Fyzikáln!-chemická podobnost T'lesa stejného chemického slo*ení, stejné struktury, se stejn&m pr%b'hem zpev+ovacích a uzdravovacích proces% a p#i stejn&ch velikostech p#etvárn&ch odpor%. "asto práv' tyto dv' poslední podmínky jsou rozhodující, tak*e se jako modelov& materiál volí olovo. Jeho vlastnosti za pokojové teploty jsou p#ibli*n' stejné jako u skute$né oceli za tepla. Teplotní podobnost U v*dy rozm'rov' mal&ch model% je pom'r povrchu k objemu v't)í ne* u geometricky podobného skute$ného t'lesa. Bez ohledu na tyto skute$nosti zákon podobnosti vyu*íváme, chyby eliminuje pokusn' stanoven&mi sou$initeli. Podle zákona podobnosti je: 1/ Pom'r sil vynalo*en&ch na zm'nu tvaru roven pom'ru odpovídajících si ploch a zárove+ druhé mocnin' m'#ítka modelování. F SK S SK = Fm S m 2/ Pom'r prací pot#ebn&ch k deformaci roven pom'ru objem% a t#etí mocnin' m'#ítka modelování. A SK V SK = = a 3 Am VM = a 2

41 2.7.6 Zákon p"ítomnosti pru'né deformace p"i plastické deformaci Uplat+uje se p#i válcování, kdy v d%sledku nerovnom'rn&ch sil mezi válci z%stávají po plastické deformaci nepatrné zbytky pru*né deformace. Tyto nestejnorodosti mohou zp%sobit vadu materiálu. Nep#esnost rozm'r% a nestejnorodost vlastností tvá#eného materiálu je zp%sobena nap#íklad )patn&m nastavením pracovního válce, nerovnom'rn&mi tahy mezi odvíje$kou a navíje$kou u válcovací stolice a nerovnom'rn&mi tlaky pracovních válc% u válcování. Kontrolní otázky: 1. Co je podstatou zákon$ plastické deformace? 2. Vysv%tlete princip plastické deformace 3. Jaké je uplatn%ní zákon$ plastické deformace v praxi? 4. Jaké jsou stavy napjatosti v materiálu? 5. Objasn%te podstatu teorií plasti*nosti. 2.8 Rozd#lení ocelí ke tvá"ení dle norem Klí$ová slova - legování - plynulé lití - EN, "SN Systém v ozna(ování oceli dle *SN Podle stupn! legování Podle stupn' legování na legované (nízkolegované, st#edn' legované a vysokolegované) a nelegované uhlíkové ocele, které podle hmotnostního podílu uhlíku d'líme na: nízkouhlíkové C (max. 0,25 %) st!edn( uhlíkové C (nad 0,25 % do 0,60 %) vysokouhlíkové C (nad 0,60 %) Podle ú"elu pou#ití Podle "SN obsahují ocele t#ídy Ocele t!ídy jsou nelegované uhlíkové ocele stavební, strojní a u)lechtilé s p#edepsan&mi hodnotami C, S, P pop#. dal)ích prvk% a mechanick&ch hodnot. T!ídy obsahují ocele nízkolegované a st#edn' legované na

42 41 bázi: Mn, Si, Mn-Si (t#.13), Cr, Cr-Mn, Cr-Si, Cr-Al (t#.14), Cr-Mo, Cr-V, Mn-Cr-Mo, Mn-Cr-V, Cr-Mo-V (t#.15), Ni, Ni-Cr, Ni-Cr-Mo (t#.16). T!ídy zahrnují ocele nástrojové a rychlo#ezné (nízko, st#edn' a vysoko legované). Podle zp$sobu v%roby - ocele martinské - kyslíkové konvertorové ocele - kyslíkové tandemové ocele - elektroocele - ocele vyrobené speciálními zp%soby (elektrostruskov&m p#etavením, plazmov&m tavením, kelímkov&m zp%sobem atd.) - ocele martinské jsou postupn' nahrazovány kyslíkov&mi v&robními zp%soby s navazujícím plynul&m litím.

43 "ást první systém zkoumaného ozna$ování Systém v ozna(ování oceli dle *SN EN skupina 1 Oceli jsou ozna$ovány podle jejich pou*ití a mechanick&ch nebo fyzikálních vlastností. skupina 2 Oceli jsou ozna$eny podle jejich chemického slo*ení: a) nelegované oceli se st#edním obsahem manganu pod 1% b) nelegované oceli s obsahem manganu v't)ím ne* 1% manganu nelegované austenitotvorné oceli legované s obsahem leg. prvk% s do 5% c) legované oceli-kde alespo+ jeden prvek je v mno*ství vet)í rovno ne* 5% d) rychlo#ezné oceli HS "ást druhá *SNEN jedná se o systém $íselného ozna$ování oceli Norma pojednává o stavb' $ísel ocelí organizací jejich registrace, p#id'lování a roz)i#ování. Kontrolní otázky: 1. Jaké jsou kritéria pro rozd%lení ocelí dle norem? 2. Specifikujte legující prvky. 3. Charakterizujte evropské normy.

44 V!chozí materiál pro tvá"ení za tepla Klí$ová slova - ingot - sochor - blok - brama, plo)tina - kontislitky - re*imy oh#evu - opal, oduhli$ení Ingoty $tvercového pr%!ezu (8 15 tun) obdélníkového pr%!ezu (30 40 tun (pro p#ímé válcování tlust&ch plech% mají hmotnost a* tun) kruhového pr%!ezu s maximální hmotností (3 t 4 t) mnohoúhelníkového pr%!ezu pro kování od hmotnosti n'kolika set kg a* po n'kolik set tun Plynule lité p&edlitky (kontislitky) Podíl lité ocelí p#esahuje 50 % u vysp'l&ch pr%myslov&ch zemí. Rozm'ry plynule lit&ch blok% dosahují pr%#ezu 430 a* 610 mm, rozm'ry bram jsou v rozmezí )í#e 500 mm mm a v&)ky 140 mm 300 mm. Odst#ediv' lité duté ingoty tyto ingoty se pou*ívají jako v&chozí materiály pro válcování beze)v&ch trub se ztí*enou tva#itelností. Tuhnutí pod tlakem odst#edivé síly zlep)ují makrostrukturu odlitku se sní*en&m mno*stvím #edin a pór%. Spojité lití se dnes roz)i#uje nejen pro odlévání bram pro válcování pás% a plech%, ale i pro odlévání blok%, pop#ípad' sochor% pro válcování beze)v&ch trubek. V&hodou spojitého lití je úspora investi$ních náklad%, asi 10-ti procentní úspora kovu a zv&)ená homogenita. Ur$itou p#eká*kou )ir)ího pou*ití spojitého lití je dosud jeho nedosta$ující kapacita se z#etelem k navazujícím spojit&m tratím. Tlakov! lité bramy Tento zp%sob se pou*ívá pro odlévání zejména korozivzdorn&ch ocelí. Odlévají se bramy z legovan&ch ocelí do )í#e mm a tlou).ky asi 180 mm pro válcování )irok&ch pás%. Lití nerezav'jících ocelí do grafitov&ch kokil pod tlakem umo*+uje podstatné zv&)ení v&t'*k% a zlep)ení jakosti povrchu. Tento zp%sob je dosud ve v&voji a dnes se takto dolévají bramy do )í#ky 1060 mm a tlou).ky asi 180 mm pro válcování )irok&ch pás%. Odst$ediv! lité duté ingoty Pou*ívají se jako v&chozí materiály pro válcování beze)v&ch trubek z legovanou ocelí se ztí*enou sva#itelností, které je nutno jinak válcovat z p#edvrtan&ch sochor%. Krom' úspory kovu mají odst#ediv' lité duté odlitky je)t' dal)í v&hody. Odst#edivou silou dochází p#i tuhnutí k odmí)ení strusky a ne$istot jako specificky leh$ích slo*ek na vnit#ní povrch odlitku. Rychlé tuhnutí zabra+uje vzniku dendritické struktury. Tuhnutí pod tlakem odst#edivé síly podporuje zlep)enou makrostrukturu odlitku bez bublin a #edin.