ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΧΩΡΙΣ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ

Transcript

1 ΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Σημειώσεις ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΧΩΡΙΣ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ Δρ Γ. Παραδεισιάδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 202

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Εφαρμογή των μηχανικών διαμορφώσεων.2 Κατάταξη των μηχανικών διαμορφώσεων 2 2. ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΛΑΣΤΙΚΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 4 2. Κρυσταλλική δομή των μετάλλων Ελαστική και πλαστική παραμόρφωση των κρυστάλλων Ατέλειες του κρυσταλλικού πλέγματος Ο μηχανισμός της πλαστικής παραμόρφωσης μέσω της μετατόπισης ατελειών Εργοσκλήρυνση Εργογήρανση 2.7 Η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή και τις μηχανικές ιδιότητες των μετάλλων Διαμόρφωση εν θερμώ 6 3. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 8 3. Οι παραμορφώσεις Ο νόμος της συνέχειας Οι τάσεις Ο νόμος της πλαστικής ροής Ισχύς και έργο κατά την πλαστική παραμόρφωση Ισοδύναμος βαθμός παραμόρφωσης Καμπύλες εργοσκλήρυνσης ΤΡΙΒΗ ΚΑΙ ΛΙΠΑΝΣΗ ΚΑΤΑ ΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ 3 4. Τριβή Λίπανση και προετοιμασία των επιφανειών ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Διόγκωση Εξώθηση Έλαση Κοπή Κάμψη Βαθεία κοίλανση ΠΡΕΣΕΣ Σφύρες Πρέσες κοχλία Πρέσες με μηχανισμό στροφάλου διωστήρα (πρέσες εκκέντρου) Πρέσες με μηχανισμό γόνατου Υδραυλικές πρέσες 75

3 . ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Εφαρμογή των μηχανικών διαμορφώσεων Στις μηχανικές διαμορφώσεις περιλαμβάνονται οι κατεργασίες με τις οποίες η αρχική μορφή ενός στερεού σώματος μετατρέπεται σε μία άλλη με διατήρηση της μάζας και της συνεκτικότητας του υλικού. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η παραγωγή αντικειμένων με συγκεκριμένη γεωμετρική μορφή. Προκειμένου για μεταλλικά υλικά, που αφορούν και το ευρύτερο πεδίο εφαρμογής των κατεργασιών αυτών, η διαμόρφωσή τους συντελείται μέσω της άσκησης μηχανικής δύναμης με την βοήθεια πρεσών ή άλλων διατάξεων (ελάστρων, εξολκέων κλπ.) και των σχετικών διαμορφωτικών εργαλείων, ορισμένες φορές υπό την επίδραση αυξημένης θερμοκρασίας. Σε σχέση με τις κατεργασίες κοπής, κατά τις οποίες η επιθυμητή γεωμετρία προσδίδεται στο κομμάτι μέσω της αφαίρεσης υλικού με κοπτικά εργαλεία, οι μηχανικές διαμορφώσεις παρουσιάζουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: - Οι απαιτούμενες τάσεις παραμόρφωσης και συνεπώς δυνάμεις είναι πολύ υψηλές. Ανάλογα με το υλικό του κομματιού και το είδος της διαμόρφωσης οι τάσεις κυμαίνονται μεταξύ 50 και Ν/mm 2 ενώ οι αντίστοιχες δυνάμεις μπορούν να ξεπεράσουν και τα 750 ΜΝ ( τόνους). - Λόγω των μεγάλων δυνάμεων παραμόρφωσης απαιτούνται ογκώδη, βαριά και ακριβά εργαλεία. Η κατασκευή των εργαλείων, των οποίων η διαστασιακή ακρίβεια μπορεί πολλές φορές να είναι εξαιρετικά υψηλή, απαιτεί πολύ καλά εξοπλισμένα εργαστήρια και μεγάλη τεχνική εμπειρία. - Σαν συνέπεια του μεγάλου κόστους των εργαλείων, η εφαρμογή μεθόδων μηχανικής διαμόρφωσης καθίσταται οικονομικά σκόπιμη μόνον από κάποια ελάχιστα μεγέθη σειράς και πάνω. Εφ όσον η προϋπόθεση αυτή πληρούται, τα πλεονεκτήματα αυτών των μεθόδων είναι τέτοια, ώστε να προτιμούνται σχεδόν πάντοτε έναντι των κατεργασιών κοπής. Έτσι οι μηχανικές διαμορφώσεις χαρακτηρίζονται από: - καλή εκμετάλλευση του υλικού, - πολύ μικρούς χρόνους κατασκευής ανά κομμάτι, με αποτέλεσμα πολύ ψηλούς ρυθμούς παραγωγής, - βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες των έτοιμων κομματιών.

4 Η διαστασιακή ακρίβεια που επιτυγχάνουν οι μηχανικές διαμορφώσεις είναι συνήθως κατώτερη αυτής των κατεργασιών κοπής, πολύ συχνά όμως επαρκής για την λειτουργικότητα των παραγόμενων κομματιών. Σε αρκετές περιπτώσεις η βασική μορφή προσδίδεται σε ένα κομμάτι με μηχανική διαμόρφωση και κατόπιν η αναγκαία υψηλότερη διαστασιακή ακρίβεια ή ποιότητα επιφάνειας κάποιων επιφανειών του επιτυγχάνεται με την βοήθεια κατεργασιών κοπής. Οπωσδήποτε η οικονομική σημασία των μεθόδων μηχανικής διαμόρφωσης είναι πολύ μεγάλη, αφού χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολλών μερών οχημάτων και αεροσκαφών, εργαλείων, μερών και στοιχείων μηχανών, μεταλλικών επίπλων, διαφόρων συσκευών, οργάνων κλπ.. Κατάταξη των μηχανικών διαμορφώσεων Σύμφωνα με τον κανονισμό DIN 8582 οι μηχανικές διαμορφώσεις κατατάσσονται σε πέντε κύριες ομάδες, ανάλογα με την βασική μορφή καταπόνησης του υλικού, δηλ. του είδους των κυρίαρχων τάσεων που αναπτύσσονται κατά την εφαρμογή τους: - Θλιπτικές διαμορφώσεις, κατά τις οποίες η διαμόρφωση του κομματιού επιτυγχάνεται κυρίως μέσω μονοαξονικής ή πολυαξονικής θλιπτικής καταπόνησης. - Θλιπτικές εφελκυστικές διαμορφώσεις, στις οποίες κυριαρχεί συνδυασμός σύγχρονης θλιπτικής και εφελκυστικής καταπόνησης. - Εφελκυστικές διαμορφώσεις, μέσω της εφαρμογής κυρίως μονοαξονικής ή πολυαξονικής εφελκυστικής καταπόνησης. - Καμπτικές διαμορφώσεις, όπου η κύρια μορφή καταπόνησης του υλικού είναι καμπτική. - Διατμητικές διαμορφώσεις, μέσω κυρίως διατμητικής καταπόνησης. Κάθε μία από τις ομάδες αυτές περιλαμβάνει τα ακόλουθα είδη διαμορφώσεων: Θλιπτικές διαμορφώσεις: Έλαση με περιστρεφόμενα εργαλεία Ελεύθερη σφυρηλασία Σφυρηλασία με εργαλεία μορφής Συμπίεση Διέλαση 2

5 Θλιπτικές εφελκυστικές διαμορφώσεις: Διέλαση με ολκή Βαθεία κοίλανση Περιστροφική συμπίεση Διαμόρφωση λαιμού Πτύχωση Εφελκυστικές διαμορφώσεις: Επιμήκυνση Διεύρυνση Βάθυνση Καμπτικές διαμορφώσεις: Με ευθύγραμμη κίνηση εργαλείου Με περιστροφική κίνηση εργαλείου Διατμητικές διαμορφώσεις: Διαβάθμιση (με ευθύγραμμη κίνηση εργαλείου) Στρέβλωση (με περιστροφική κίνηση εργαλείου) Παραδείγματα ειδών μηχανικών διαμορφώσεων φαίνονται στο Σχ.. Σχ. Παραδείγματα μηχανικών διαμορφώσεων 3

6 2. ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΛΑΣΤΙΚΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 2. Κρυσταλλική δομή των μετάλλων Η παρατήρηση στο μικροσκόπιο της τομής ενός δείγματος οποιουδήποτε μετάλλου ή κράματος δείχνει ότι αποτελείται από κόκκους τυχαίου σχήματος, των οποίων το μέγεθος αναλόγως του υλικού και του τρόπου παραγωγής του μπορεί να κυμαίνεται από 0-4 mm μέχρι μερικά mm ή και cm (Σχ.2). Σχ.2 Σχηματική παράσταση τομής μεταλλικού υλικού. Σχ.3 Κρυσταλλική δομή κόκκων μετάλλων 4

7 Μέσα σε κάθε κόκκο τα άτομα του μεταλλικού υλικού εμφανίζουν κανονική, περιοδική διάταξη, που ονομάζεται κρυσταλλική δομή του υλικού. Για το λόγο αυτό οι κόκκοι ονομάζονται και κρύσταλλοι. Οι διαφορετικές κρυσταλλικές δομές που παρουσιάζονται στα διάφορα μέταλλα χαρακτηρίζονται από το αντίστοιχο στοιχειώδες κύτταρο. Η διάταξη δηλ. στο χώρο των ατόμων ενός μεταλλικού υλικού (κρυσταλλικό πλέγμα) συντίθεται από επανάληψη του στοιχειώδους κυττάρου (Σχ.3). Τα από τεχνική άποψη σημαντικά μέταλλα κρυσταλλώνονται σε τρία κυρίως κρυσταλλικά συστήματα (Σχ.4): - στο εδροκεντρωμένο κυβικό (ωστενιτικός χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός, νικέλιο, μόλυβδος) - στο χωροκεντρωμένο κυβικό (φερριτικός χάλυβας, βανάδιο, χρώμιο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο, ταντάλιο) - στο εξαγωνικό (μαγνήσιο, ψευδάργυρος, τιτάνιο κάτω των55 Κ, κοβάλτιο κάτω των 393 Κ). Σχ.4 Τα σημαντικώτερα κρυσταλλικά συστήματα 2.2 Ελαστική και πλαστική παραμόρφωση των κρυστάλλων Η πλαστική παραμόρφωση ενός μεταλλικού υλικού προκύπτει από το άθροισμα των παραμορφώσεων των κόκκων (κρυστάλλων) που το αποτελούν. Βασική προϋπόθεση επομένως για την κατανόηση του μηχανισμού της πλαστικής παραμόρφωσης των μετάλλων είναι η μελέτη του τρόπου παραμόρφωσης ενός μεμονωμένου κρυστάλλου, αγνοώντας κατ αρχήν την επίδραση των γειτονικών κρυστάλλων. 5

8 Κατά την ελαστική παραμόρφωση ενός μεταλλικού κρυστάλλου ισχύει ο νόμος του Hook, σύμφωνα με τον οποίο το μέγεθος της ειδικής παραμόρφωσης είναι ανάλογο του μεγέθους της τάσης που την προκαλεί: σ = Ε ε, ή προκειμένου για διατμητική καταπόνηση τ = G γ. Η παραμόρφωση αυτή προξενείται από την μετατόπιση των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος από την αρχική θέση ισορροπίας τους κάτω από την επίδραση της σχετικής τάσης (Σχ.5). Προκειμένου για ελαστική παραμόρφωση οι μετατοπίσεις των ατόμων είναι μικρότερες της ατομικής απόστασης, έτσι ώστε μετά την παύση της επενέργειας των τάσεων τα άτομα να επανέρχονται στην αρχική τους θέση και ο κρύσταλλος να επανακτά την αρχική του μορφή. Σχ.5 Σχηματική παράσταση της παραμόρφωσης κρυσταλλικού πλέγματος κάτω από την επίδραση διατμητικής τάσης. Αντίθετα, κατά την πλαστική παραμόρφωση ενός μεταλλικού κρυστάλλου οι μετατοπίσεις των ατόμων από την αρχική θέση ισορροπίας τους λόγω της επενέργειας τάσεων είναι πολύ μεγαλύτερες της ατομικής απόστασης, με συνέπεια τα άτομα να μετακινούνται σε δυναμικά πεδία νέων γειτονικών ατόμων, όπου αποκτούν νέες θέσεις ισορροπίας. Έτσι μετά την παύση της επενέργειας των τάσεων τα άτομα ισορροπούν στις νέες θέσεις ισορροπίας τους και δεν επανέρχονται στις αρχικές τους θέσεις, με αποτέλεσμα την μόνιμη παραμόρφωση του κρυστάλλου. Από πειραματικά δεδομένα έχουν προσδιορισθεί δύο βασικοί τρόποι πλαστικής παραμόρφωσης των κρυστάλλων, η ολίσθηση και η δημιουργία δίδυμων μορφών (Σχ.6). Κατά την ολίσθηση, κάτω από την επίδραση των τάσεων συμβαίνει σύγχρονη μετατόπιση ατόμων κατά μήκος επιπέδων του κρυσταλλικού πλέγματος. Η ολίσθηση συμβαίνει συνήθως στα επίπεδα του κρυσταλλικού πλέγματος που παρουσιάζουν την πυκνότερη διάταξη ατόμων, επειδή οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των ατόμων επί των επιπέδων αυτών είναι μικρότερες. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η διατμητική τάση κατά μήκος αυτών των επιπέδων να υπερβαίνει μία κρίσιμη τιμή. Η ολίσθηση δηλ. 6

9 προκύπτει σε διευθύνσεις που συντρέχουν οι δύο αυτοί παράγοντες, υψηλής διατμητικής τάσης και πυκνής διάταξης ατόμων. Επειδή η ολίσθηση μπορεί να προκληθεί από μικρότερες τάσεις σε σχέση με την δημιουργία δίδυμων μορφών, είναι και ο μηχανισμός που τις περισσότερες φορές προξενεί την πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων. Σχ.6 Σχηματική διδιάστατη παράσταση των δύο κυριότερων τρόπων πλαστικής παραμόρφωσης των μετάλλων: α) ολίσθηση και β) δημιουργία δίδυμων μορφών. Κατά την δημιουργία δίδυμων μορφών ένα μέρος του κρυσταλλικού πλέγματος παίρνει μία θέση εκ καθρεπτισμού συμμετρική ως προς το υπόλοιπο. Λόγω των σχετικά υψηλών αναγκαίων διατμητικών τάσεων η δημιουργία δίδυμων μορφών συμβαίνει κυρίως σε περιπτώσεις κρουστικής καταπόνησης και συνήθως σε μέταλλα που κρυσταλλώνονται στο εξαγωνικό και το χωροκεντρωμένο κυβικό κρυσταλλικό σύστημα. 2.3 Ατέλειες του κρυσταλλικού πλέγματος Σε κάθε κρύσταλλο μεταλλικού υλικού η κανονικότητα της δομής του διαταράσσεται από ατέλειες (ή σφάλματα) διαφόρων μορφών, αποκλίσεις δηλ. από την ιδανική μορφή του κρυσταλλικού πλέγματος. Ανάλογα με τη διάταξή τους στο χώρο οι ατέλειες αυτές κατατάσσονται σε ατέλειες σημείου (μηδενικής διάστασης), γραμμικές (μονοδιάστατες) και επιφανειακές (δισδιάστατες). Οι ατέλειες σημείου είναι συνήθως κενές θέσεις ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα, άτομα του ιδίου μετάλλου σε ενδιάμεσες θέσεις του πλέγματος ή ξένα άτομα διαφορετικού μεγέθους ή ιδιοτήτων στη θέση ατόμων του μετάλλου στο κρυσταλλικό πλέγμα ή ενδιάμεσα (Σχ.7). 7

10 Σχ.7 Σχηματική παράσταση ατελειών σημείου: α) κενή θέση, β) άτομο σε ενδιάμεση θέση, γ) ξένα άτομα σε θέσεις του πλέγματος, δ) ξένα άτομα σε ενδιάμεσες θέσεις Οι γραμμικές ατέλειες μπορούν να έχουν τη μορφή ενός διακοπτόμενου επιπέδου ατόμων που παρεμβάλλεται μεταξύ των κανονικών ατομικών επιπέδων του κρυσταλλικού πλέγματος, τη μορφή κοχλιοειδούς διάταξης των επάλληλων επιπέδων του κρυσταλλικού πλέγματος γύρω από έναν νοητό άξονα ή άλλες ενδιάμεσες μορφές (Σχ.8). Σχ.8 Σχηματική παράσταση γραμμικών ατελειών: α) ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα, β) ατέλεια διακοπτόμενου επιπέδου, γ) κοχλιοειδής ατέλεια. Οι επιφανειακές ατέλειες έχουν τη μορφή επίπεδων διαταραχών του κρυσταλλικού πλέγματος με πάχος μερικών ατομικών αποστάσεων. Σημαντικότερες από αυτές είναι αυτές που εμφανίζονται στα όρια μεταξύ κόκκων της ίδιας ή διαφορετικών φάσεων του μετάλλου λόγω διαφορετικού προσανατολισμού των πλεγμάτων των γειτονικών κόκκων (Σχ.9). 8

11 Σχ.9 Σχηματική παράσταση επιφανειακής ατέλειας στό όριο γειτονικών κόκκων της ίδιας φάσης Τόσο οι γραμμικές όσο και οι επιφανειακές ατέλειες έχουν συνήθως μήκος μερικών χιλιάδων ατομικών αποστάσεων, η πυκνότητά τους όμως μέσα στους κρυστάλλους είναι σχετικά αραιή. 2.4 Ο μηχανισμός της πλαστικής παραμόρφωσης μέσω της μετατόπισης ατελειών Ο θεωρητικός υπολογισμός των αναγκαίων τάσεων για την πλαστική παραμόρφωση ενός μετάλλου με το μηχανισμό της ολίσθησης ή της δημιουργίας δίδυμων μορφών δίνει τάσεις πολύ μεγαλύτερες από τις πραγματικά απαιτούμενες (πχ. 00 φορές μεγαλύτερες). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην πραγματικότητα η πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων συντελείται όχι μέσω της σύγχρονης μετατόπισης ολόκληρων επιπέδων ατόμων, όπως συμβαίνει κατά την ολίσθηση ή την δημιουργία δίδυμων μορφών, αλλά μέσω της μετατόπισης των ατελειών του κρυσταλλικού τους πλέγματος κάτω από την επίδραση των τάσεων που δημιουργούν οι εξωτερικές δυνάμεις. Στο Σχ.0 απεικονίζεται σχηματικά σε εγκάρσια τομή μία ατέλεια διακοπτόμενου επιπέδου Η (το επίπεδο Η είναι κάθετο στο επίπεδο του σχήματος). Κάτω από την επίδραση της διατμητικής τάσης τ η κάθετη στο επίπεδο του σχήματος σειρά ατόμων Α μετατοπίζεται στην γειτονική θέση Α, συμπαρασύροντας, όπως φαίνεται στο σχήμα, και όλα τα άτομα κάτω από αυτήν. Το αποτέλεσμα είναι η μετατόπιση του διακοπτόμενου επιπέδου Η από την θέση Χ στην θέση Υ. Αμέσως μετά η διαδικασία επαναλαμβάνεται με την επόμενη (διπλανή) σειρά ατόμων κ.ο.κ., με συνέπεια τη μετατόπιση της ατέλειας που σχηματίζει το διακοπτόμενο επίπεδο Η κατά μήκος του επιπέδου ολίσθησης G. Το 9

12 τελικό αποτέλεσμα είναι η μετατόπιση των ατόμων πάνω από το επίπεδο ολίσθησης G ως προς τα άτομα κάτω από αυτό κατά μία ατομική απόσταση, ακριβώς όπως και κατά την ολίσθηση, με την ουσιώδη όμως διαφορά ότι εδώ κάθε στιγμή μετατοπίζεται μόνον μία σειρά ατόμων (κάθετη στο επίπεδο του σχήματος) και όχι ολόκληρο επίπεδο ατόμων. Ίδια ή ανάλογα φαινόμενα με μετατόπιση διαφορετικής μορφής ατελειών συμβαίνουν συγχρόνως και σε άλλες θέσεις εντός του κρυστάλλου και σε όλους τους κρυστάλλους που συναποτελούν το καταπονούμενο σώμα, ώστε η συνολική πλαστική παραμόρφωση του σώματος να προκύπτει σαν το άθροισμα όλων των μετατοπίσεων ατελειών μέσα στη μάζα του. Έτσι εξηγείται η σχετικά μικρή τάση που απαιτείται για την πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων. Σχ.0 Σχηματική παράσταση της μετατόπισης μίας γραμμικής ατέλειας κατά μήκος του επιπέδου ολίσθησης G κάτω από την επίδραση της διατμητικής τάσης τ. 2.5 Εργοσκλήρυνση Η παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έχει δείξει ότι κατά την εξέλιξη της πλαστικής παραμόρφωσης ενός μετάλλου, που όπως περιγράφηκε παραπάνω συμβαίνει μέσω της μετατόπισης των ατελειών του κρυσταλλικού πλέγματος, η πυκνότητα των ατελειών αυτών αυξάνεται. Έτσι ενώ σε έναν απαραμόρφωτο μαλακό χάλυβα η 0

13 πυκνότητα γραμμικών ατελειών (δηλ. ο αριθμός των γραμμικών ατελειών που τέμνουν μία τυχαίου προσανατολισμού μοναδιαία επιφάνεια) μπορεί να είναι της τάξης του 0 7 /cm 2, μετά από μία μεγάλη παραμόρφωση μπορεί να ανέλθει σε 0 2 /cm 2. Αυτό συμβαίνει επειδή κατά τη μετατόπιση των υφιστάμενων ατελειών δημιουργούνται γύρω από αυτές πεδία αυξημένων τάσεων, που μέσα από διάφορους μηχανισμούς προξενούν την εμφάνιση νέων ατελειών. Η αύξηση της πυκνότητας των ατελειών κατά την εξέλιξη της πλαστικής παραμόρφωσης, λόγω των πεδίων αυξημένων τάσεων που τις περιβάλλουν, καθιστά την περαιτέρω μετατόπιση ατελειών μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα δυσκολότερη. Επίσης κάποιες από τις μετατοπιζόμενες ατέλειες συναντούνται και αλληλοαναιρούνται, ή συναντούνται με τρόπο που η περαιτέρω μετατόπισή τους είναι αδύνατη, ενώ άλλες ακινητοποιούνται όταν φθάσουν στα όρια των κόκκων. Εξ αιτίας όλων αυτών των επιδράσεων η πλαστική παραμόρφωση ενός μετάλλου απαιτεί κατά την εξέλιξή της διαρκώς υψηλότερες τάσεις και συνεπώς μεγαλύτερες εξωτερικές δυνάμεις. Το φαινόμενο αυτό, κατά το οποίο τα όρια διαρροής και θραύσης και η σκληρότητα των μετάλλων αυξάνονται με αυξανόμενο βαθμό παραμόρφωσης, ενώ παράλληλα ελαττώνεται η επιμήκυνση θραύσης, δηλ. η δυνατότητά τους για περαιτέρω παραμόρφωση και απορρόφηση ενέργειας, ονομάζεται εργοσκλήρυνση. Μία ανεπιθύμητη συνέπεια της εργοσκλήρυνσης είναι ότι αυξάνει τη δύναμη που απαιτείται για τη μηχανική διαμόρφωση των κομματιών, καθώς και την καταπόνηση των σχετικών εργαλείων. Η αύξηση όμως της αντοχής του υλικού των κομματιών λόγω της εργοκλήρυνσης είναι ιδιαίτερα χρήσιμη, αφού επιτρέπει τη χρησιμοποίηση υλικών με χαμηλότερη αρχική αντοχή. 2.6 Εργογήρανση Πολλά κράματα παρουσιάζουν κατά την δοκιμή εφελκυσμού ένα ανώτερο και ένα κατώτερο όριο διαρροής (Σχ.). Αφού δηλ. η τάση εφελκυσμού υπερβεί το (ανώτερο) όριο διαρροής R eh, αρχίζει η πλαστική παραμόρφωσή τους με πτώση της τάσης στο κατώτερο όριο διαρροής R el. Η τάση στη συνέχεια αυξάνει ομαλά με αυξανόμενο βαθμό παραμόρφωσης. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην παρουσία ξένων ατόμων (άνθρακα, αζώτου) σε ενδιάμεσες θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία δημιουργεί τοπική

14 παραμόρφωση του πλέγματος, και αυξημένο επίπεδο τάσεων. Σαν συνέπεια τα άτομα αυτά έχουν την τάση να μετατοπισθούν σε ευσταθέστερες θέσεις χαμηλότερης ενεργειακής στάθμης. Έτσι ενώ αρχικά τα ξένα άτομα λόγω των αυξημένων τάσεων που δημιουργούν στην περιοχή τους εμποδίζουν την μετατόπιση των ατελειών και αυξάνουν την τάση διαρροής μέχρι το ανώτερο όριο διαρροής R eh, μόλις αρχίσει η διαρροή, πολλά από τα άτομα αυτά μετατοπίζονται σε γειτονικές περιοχές ατελειών, όπου λόγω της ήδη υπάρχουσας τοπικής παραμόρφωσης του πλέγματος η παρουσία τους προξενεί μικρότερη διαταραχή και σχετικά χαμηλότερη στάθμη τάσεων (Σχ.), με αποτέλεσμα την μείωση της αντίστασης σε περαιτέρω πλαστική παραμόρφωση στο κατώτερο όριο διαρροής R el. Σχ. Ανώτερο και κατώτερο όριο διαρροής σε δοκιμή εφελκυσμού και σχηματική παράσταση των θέσεων μετατόπισης ξένων ατόμων σε περιοχές τοπικής παραμόρφωσης του πλέγματος λόγω ατελειών. Συγγενές φαινόμενο αποτελεί και η αύξηση του ορίου διαρροής χαλύβων που έχουν υποστεί πλαστική παραμόρφωση και κατόπιν αποφορτισθεί. Πράγματι, λόγω της αυξημένης πυκνότητας ατελειών μετά την πλαστική παραμόρφωση, παρουσιάζεται διάχυση των περιεχόμενων ατόμων άνθρακα και αζώτου προς περιοχές ατελειών, όπως περιγράφηκε προηγουμένως, και μετά την αποφόρτιση. Αυτό καθιστά δυσχερέστερη την μετατόπιση των ατελειών σε μία εκ νέου φόρτιση, αυξάνοντας το όριο διαρροής του υλικού. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται εργογήρανση. Στο Σχ.2 φαίνεται η εξέλιξη μίας δοκιμής εφελκυσμού μετα από σύντομη (καμπύλη ΙΙ) και μετά από παρατεταμένη (καμπύλη ΙΙΙ) διακοπή της φόρτισης. Όπως και η εργοσκλήρυνση, η εργογήρανση 2

15 ελαττώνει την δυνατότητα περαιτέρω παραμόρφωσης και απορρόφησης ενέργειας, καθιστώντας τα υλικά ευθραυστότερα. Σχ.2 Επίδραση της εργογήρανσης (καμπύλη ΙΙΙ) στην εξέλιξη δοκιμής χάλυβα σε εφελκυσμό. 2.7 Η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή και τις μηχανικές ιδιότητες των μετάλλων Η άνοδος της θερμοκρασίας σημαίνει πρόσδοση ενέργειας στα άτομα του μετάλλου, που αυξάνει την κινητικότητά τους. Η μετατόπιση ατόμων και άρα ατελειών γίνεται ευκολότερη, με συνέπεια να αρκούν μικρότερες τάσεις για την πλαστική παραμόρφωση του μετάλλου. Έτσι με την άνοδο της θερμοκρασίας τους όλα τα μέταλλα γίνονται πιό «μαλακά» (μικρότερα όρια διαρροής και θραύσης και μικρότερη σκληρότητα, Σχ.3) και πιο ελατά (μεγαλύτερη δυνατότητα παραμόρφωσης και απορρόφησης ενέργειας). Σχ3 Μεταβολή του ορίου διαρροής του ορείχαλκου με την θερμοκρασία 3

16 Η πρόσδοση θερμότητας όμως έχει σημαντικές επιδράσεις και στην συμπεριφορά μετάλλων που έχουν προηγουμένως υποστεί πλαστική παραμόρφωση. Μετά την πλαστική παραμόρφωση, λόγω της μετατόπισης των ατελειών και της δημιουργίας νέων, πολλά άτομα ευρίσκονται κάτω από την επίδραση ισχυρών εσωτερικών τάσεων και τείνουν να μετακινηθούν σε θέσεις ευσταθέστερης ισορροπίας. Η αύξηση της κινητικής ενέργειας των ατόμων λόγω θέρμανσης του υλικού καθιστά δυνατές αυτές τις μετακινήσεις, με συνέπεια την εξαφάνιση ή ευνοϊκότερη αναδιάταξη πολλών ατελειών, και τελικά την μείωση της πυκνότητας των ατελειών και την ελάττωση του ορίου διαρροής του υλικού. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αποκατάσταση. Η αποκατάσταση συμβαίνει σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (πχ. για χάλυβες σε ο C), δεν επιφέρει καμία αλλαγή στα όρια των κόκκων, ενώ αυξάνει σημαντικά την επιμήκυνση θραύσης, δηλ. την δυνατότητα περαιτέρω παραμόρφωσης του υλικού, με σχετικά περιορισμένη μείωση της αντοχής του (του ορίου διαρροής του). Η θέρμανση μεταλλικών υλικών που έχουν προηγουμένως υποστεί πλαστική παραμόρφωση σε θερμοκρασία υψηλότερη από αυτήν της αποκατάστασης (πχ. για χάλυβες σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 600 ο C) οδηγεί στο φαινόμενο της ανακρυστάλλωσης. Ομάδες ατόμων που βρίσκονται σε περιοχές ατελειών και παρουσιάζουν υψηλό ενεργειακό επίπεδο αποκτούν λόγω της αυξημένης θερμοκρασίας τέτοια κινητικότητα, ώστε να αναδιαταχθούν σχηματίζοντας μικρούς πυρήνες νέων κρυστάλλων, που αντιπροσωπεύουν μία κατάσταση χαμηλότερου ενεργειακού επιπέδου και ευσταθέστερης ισορροπίας. Εφ όσον η θέρμανση συνεχίζεται, οι πυρήνες αυτοί επεκτείνονται ενσωματώνοντας άτομα από τους γειτονικούς κρυστάλλους, μέχρις ότου με τον τρόπο αυτόν αντικατασταθεί ολόκληρη η προηγούμενη κρυσταλλική δομή του μετάλλου, που εξ αιτίας της προηγηθείσας πλαστικής παραμόρφωσης παρουσίαζε αυξημένη πυκνότητα ατελειών, με μία νέα, με κρυστάλλους εντελώς διαφορετικού προσανατολισμού και ορίων και πυκνότητα ατελειών που αντιστοιχεί σε απαραμόρφωτο υλικό. Με την ανακρυστάλλωση αναιρούνται οι επιπτώσεις της εργοσκλήρυνσης και το υλικό ανακτά σχεδόν πλήρως (αναλόγως του μεγέθους των κόκκων που θα προκύψουν) την αρχική αντοχή και ελατότητά του. Η εμφάνιση και η εξέλιξη της ανακρυστάλλωσης εξαρτώνται από το μέγεθος της προηγηθείσας παραμόρφωσης, τη θερμοκρασία και τη διάρκεια της θέρμανσης (Σχ.4): 4

17 - Ανακρυστάλλωση συμβαίνει μόνον αφού η πυκνότητα ατελειών υπερβεί κάποιο ελάχιστο όριο, δηλ. από κάποιον ελάχιστο βαθμό παραμόρφωσης και πάνω. - Όσο μεγαλύτερος ο βαθμός της προηγηθείσας παραμόρφωσης, σε τόσο χαμηλότερη θερμοκρασία αρχίζει η ανακρυστάλλωση. - Με αύξηση της χρονικής διάρκειας της θέρμανσης είναι δυνατόν να επιτευχθεί ανακρυστάλλωση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. - Το μέγεθος των κόκκων που προκύπτει από την ανακρυστάλλωση είναι τόσο μεγαλύτερο, όσο μικρότερος ο βαθμός της προηγηθείσας παραμόρφωσης και όσο ψηλότερη η θερμοκρασία θέρμανσης. Σχ.4 Επίδραση του βαθμού της προηγηθείσας παραμόρφωσης και της θερμοκρασίας θέρμανσης στην εξέλιξη της ανακρυστάλλωσης. Είναι συνεπώς σαφές ότι για κάποιο μέταλλο ή κράμα δεν υπάρχει μία συγκεκριμένη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης, αλλά ότι αυτή εξαρτάται από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Όπως φαίνεται από το Σχ.4, ο συνδυασμός μικρού βαθμού προηγηθείσας παραμόρφωσης και ψηλής θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης δημιουργεί χονδρόκοκκο υλικό, κάτι που πρέπει να αποφεύγεται, αφού τα χονδρόκοκκα υλικά έχουν μειωμένη αντοχή. Ιδιαίτερα σε ελάσματα που υφίστανται περαιτέρω διαμόρφωση μετά από ανακρυστάλλωση η χονδρόκοκκη δομή προξενεί τραχιές επιφάνειες. Σε περιπτώσεις μεγάλου βαθμού προηγηθείσας παραμόρφωσης και υψηλής θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης η παρατεταμένη θέρμανση του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε δευτερεύουσα ανακρυστάλλωση. Η δευτερεύουσα ανακρυστάλλωση 5

18 ακολουθεί την αρχική ανακρυστάλλωση, οφείλεται στο ακόμη σχετικά υψηλό ενεργειακό επίπεδο των κόκκων που έχουν προκύψει από την αρχική ανακρυστάλλωση, και συνίσταται σε περαιτέρω αύξηση του μεγέθους ορισμένων κόκκων σε βάρος γειτονικών τους. Αναλόγως των συνθηκών, στην τελική δομή του υλικού είναι δυνατόν είτε να συνυπάρχουν νέοι πολύ μεγάλοι κόκκοι με μικρότερους από την αρχική ανακρυστάλλωση, είτε να παρουσιασθεί ομοιόμορφη αύξηση του μέσου μεγέθους των κόκκων. Σε κάθε περίπτωση η δευτερεύουσα ανακρυστάλλωση είναι ένα ανεπιθύμητο φαινόμενο που χειροτερεύει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών. Η τεχνική σημασία της ανακρυστάλλωσης είναι μεγάλη, αφού σε περιπτώσεις μεγάλης παραμόρφωσης του υλικού είναι δυνατόν με ανακρυσταλλώσεις που μεσολαβούν μεταξύ διαδοχικών φάσεων διαμόρφωσης να εξουδετερώνονται οι επιπτώσεις της εργοσκλήρυνσης, ώστε να ανανεώνεται η δυνατότητα παραμόρφωσης του υλικού (που διαφορετικά θα κατέληγε σε θραύση) και να αποφεύγεται η διαρκής αύξηση της απαιτούμενης δύναμης διαμόρφωσης (Σχ5). Σχ.5 Περιορισμός της απαιτούμενης τάσης παραμόρφωσης με ενδιάμεσες ανακρυσταλλώσεις. 2.8 Διαμόρφωση εν θερμώ Αποκατάσταση και ανακρυστάλλωση δεν συμβαίνουν μόνον κατά τη θέρμανση υλικών που έχουν προηγουμένως παραμορφωθεί πλαστικά εν ψυχρώ (σε θερμοκρασία περιβάλλοντος), αλλά και κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσής τους εν θερμώ (σε θερμοκρασία υψηλότερη αυτής του περιβάλλοντος). Κατά την εν θερμώ παραμόρφωση, εφ όσον η θερμοκρασία είναι αρκούντως υψηλή, οι διεργασίες της μείωσης της 6

19 πυκνότητας των ατελειών και της δημιουργίας νέων κρυστάλλων, που συμβαίνουν κατά την αποκατάσταση και την ανακρυστάλλωση, συμβαίνουν συγχρόνως με την αύξηση της πυκνότητας των ατελειών που προξενεί η πλαστική παραμόρφωση. Η σχέση μεταξύ ταχύτητας ανακρυστάλλωσης (ή αποκατάστασης) και ταχύτητας παραμόρφωσης καθορίζει σε ποιό βαθμό η μείωση της πυκνότητας των ατελειών λόγω αποκατάστασης ή ανακρυστάλλωσης αντισταθμίζει την αύξηση της πυκνότητας των ατελειών λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Όπως φαίνεται στο Σχ.6, όταν η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει η παραμόρφωση είναι χαμηλότερη της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης, η τάση διαρροής του υλικού αυξάνεται με τον βαθμό παραμόρφωσης, αφού συμβαίνει μόνον το φαινόμενο της εργοσκλήρυνσης (πιθανόν, ανάλογα με την θερμοκρασία, συγχρόνως με κάποιο βαθμό αποκατάστασης, που δεν έχει όμως σημαντική επίδραση). Όταν η θερμοκρασία παραμόρφωσης είναι υψηλότερη της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης, η ανακρυστάλλωση που συμβαίνει ταυτόχρονα με την παραμόρφωση περιορίζει αισθητά το φαινόμενο της εργοσκλήρυνσης, δηλ. την αύξηση του ορίου διαρροής με τον βαθμό παραμόρφωσης. Εάν μάλιστα η ταχύτητα παραμόρφωσης είναι αρκετά χαμηλή, τότε η ανακρυστάλλωση προλαβαίνει πλήρως την εργοσκλήρυνση και το όριο διαρροής δεν αυξάνεται καθόλου με την παραμόρφωση. Σχ.6 Επίδραση της θερμοκρασίας και της ταχύτητας παραμόρφωσης στην μεταβολή του ορίου διαρροής 7

20 Σε περιπτώσεις επομένως όπου ο μεγάλος βαθμός παραμόρφωσης μπορεί να προκαλέσει θραύση του υλικού ή να απαιτήσει πολύ μεγάλη δύναμη διαμόρφωσης, η χρήση της εν θερμώ παραμόρφωσης είναι επιβεβλημένη. Σε κάθε άλλη περίπτωση όμως προτιμάται η εν ψυχρώ παραμόρφωση, εξ αιτίας των σημαντικών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει: - αύξηση της τελικής αντοχής και σκληρότητας του κομματιού, - μεγαλύτερη διαστασιακή ακρίβεια, αφού δεν συμβαίνει συστολή του κομματιού μετά την διαμόρφωση, - καλύτερη ποιότητα επιφάνειας του κομματιού, αφού δεν υπάρχει κίνδυνος επιφανειακών οξειδώσεων λόγω υψηλών θερμοκρασιών, - ευκολότερος χειρισμός των κομματιών και μικρότερο κόστος κατασκευής εργαλείων. 3. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Για την εκτίμηση των δυνάμεων και της ενέργειας που απαιτούνται για την μηχανική διαμόρφωση ενός κομματιού, βάσει των οποίων γίνεται η επιλογή της κατάλληλης μηχανής διαμόρφωσης και ο σχεδιασμός των σχετικών εργαλείων, καθώς και της δυνατότητας του υλικού να υποστεί την αναγκαία παραμόρφωση χωρίς να αστοχήσει, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι υπολογισμού της μηχανικής συμπεριφοράς των μεταλλικών υλικών στην περιοχή πλαστικής παραμόρφωσή τους. Σε αντίθεση με την ελαστική περιοχή, όπου οι παραμορφώσεις είναι ανάλογες των τάσεων, με συνέπεια σε κάθε εντατική κατάσταση να αντιστοιχεί μία μονοσήμαντα ορισμένη κατάσταση παραμορφώσεων, στην περιοχή πλαστικής παραμόρφωσης η κατάσταση παραμορφώσεων εξαρτάται και από την προηγηθείσα χρονική εξέλιξη των τάσεων. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το μεγάλο μέγεθος των παραμορφώσεων που συνήθως συνεπάγεται η μηχανική διαμόρφωση ενός κομματιού, καθιστά την εκτέλεση των σχετικών υπολογισμών εξαιρετικά δύσκολη. Σαν συνέπεια η πραγματοποίηση των υπολογισμών αυτών είναι πρακτικά δυνατή μόνον στη βάση ισχυρά απλουστευτικών 8

21 παραδοχών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν με τον τρόπο αυτό είναι προσεγγιστικά, επαρκή όμως για τις περισσότερες τεχνικές εφαρμογές. 3. Οι παραμορφώσεις Από την μεταβολή των εξωτερικών διαστάσεων ενός κομματιού κατά την πλαστική διαμόρφωσή του μπορούν εν γένει να εξαχθούν μόνον ποιοτικά συμπεράσματα σχετικά με το είδος της παραμόρφωσης που υφίσταται η μάζα του, αφού τα ακριβή μεγέθη των παραμορφώσεων διαφέρουν σημαντικά από σημείο σε σημείο. Υπάρχουν όμως διαδικασίες διαμόρφωσης κατά τις οποίες μπορεί με πολύ καλή προσέγγιση να υποτεθεί ότι σε όλα τα σημεία του το σώμα υφίσταται ακριβώς την ίδια παραμόρφωση, όπως πχ. κατά τον μονοαξονικό εφελκυσμό ενός πρίσματος χωρίς την εμφάνιση λαιμού στένωσης, ή κατά την ελεύθερη τριβών μονοαξονική συμπίεση ενός πρίσματος. Από την πειραματική μελέτη τέτοιων διαμορφώσεων, που ονομάζονται ομοιογενείς, μπορούν να προσδιορισθούν με ακρίβεια οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, δηλ. οι σχέσεις που διέπουν τάσεις και παραμορφώσεις. Σχ.7 Oμοιογενής μονοαξονική συμπίεση ορθογωνικού πρίσματος. Στο Σχ.7 παριστάνεται η ομοιογενής συμπίεση ενός ορθογωνικού πρίσματος από αρχικές διαστάσεις h 0, b 0, l 0 σε τελικές διαστάσεις h, b, l. Όπως είναι γνωστό, 9

22 προκειμένου για ελαστικές παραμορφώσεις, η ειδική παραμόρφωση (επιμήκυνση) πχ. κατά τον άξονα των x ορίζεται ως l l 0 x, (3.) l0 δηλ. ως η μεταβολή μίας διάστασης ανηγμένη στην αρχική τιμή της. Ο τρόπος αυτός ορισμού είναι κατάλληλος για υπολογισμούς στην ελαστική περιοχή, όπου οι παραμορφώσεις είναι σχετικά μικρές και αναστρέψιμες, όπου δηλ. οι διαστάσεις επανέρχονται στην αρχική τους τιμή μετά την άρση των φορτίων. Στην περίπτωση όμως των πλαστικών παραμορφώσεων η αναγωγή στις αρχικές διαστάσεις δεν έχει καμία φυσική σημασία ή πρακτική χρησιμότητα, αφού τα σώματα παρουσιάζουν μόνιμη μεταβολή σχήματος και η τάξη μεγέθους των παραμορφώσεων είναι πολύ μεγαλύτερη. Αντίθετα η αναγωγή των παραμορφώσεων στις εκάστοτε στιγμιαίες διαστάσεις αποδίδει ουσιαστικότερα το πραγματικό μέτρο της παραμόρφωσης της μάζας ενός σώματος που υφίσταται πλαστική παραμόρφωση και εξυπηρετεί καλύτερα την εκτέλεση των σχετικών υπολογισμών. Έτσι σε μία στιγμή κατά την διάρκεια της παραμόρφωσης του πρίσματος του Σχ.7 ως στοιχειώδης βαθμός παραμόρφωσης dφ l του υλικού κατά τον άξονα των x σε ένα σημείο του πρίσματος ορίζεται ο λόγος: dl d l, (3.2) l δηλ. η μεταβολή dl ενός στοιχειώδους μήκους l ανηγμένη στο μήκος l κατά την δεδομένη στιγμή. Ο συνολικός βαθμός παραμόρφωσης φ l του υλικού κατά τον άξονα των x στο ίδιο σημείο λόγω της μεταβολής του μήκους του πρίσματος από l 0 σε l προκύπτει: l l l dl l l ln l 0 0 και κατά τους άξονες y και z:, (3.3α) b ln b, (3.3β) b 0 h ln h h 0 (3.3γ) 20