Наклеп – это явление, при котором повышается прочность и твердость металлического изделия. Изменения свойств достигается за счет пластической деформации. Наклеп металла протекает при высокой температуре, значение которой недостаточно для рекристаллизации заготовки. Данное явление может быть как вредным, так и полезным.
Нагартовка – это технологический процесс, который преследует те же цели, что и наклеп. Основное отличие заключается в том, что последнее явление может происходить в результате осознанных или неосознанных действий. Например, в процессе механической обработки резанием с высокой скоростью и глубиной прохода поверхность приобретает избыточную прочность, что повышает хрупкость изделия. Нагартовкой являются только полезные деформационные упрочнения, применение которых имеет умышленный характер.
Нагартовка – это
Нагартовка — осознанный технологический процесс, который проводится специально в целях улучшения прочностных характеристик металла. Если упрочнение верхнего слоя пластическим деформированием выполняется именно умышленно для повышения устойчивости к растрескиванию и с целью предотвращения усталости металла, то это и есть нагартовка. Также нагартовку называют деформационным упрочнением.
Деформационное уплотнение произошло в результате эксплуатации — это наклеп
Что такое наклёп металла?
В отличие от нагартовки, наклёп более ёмкое понятие. Процесс наклёпа может предполагать, как положительный, так и отрицательный эффект. Это любое проявление деформационного упрочнения кристаллических материалов — полезное и вредное, осознанное или неумышленное. Если возникает нежелательный вредный наклёп, например, при резке пластичных мягких металлов и сплавов, то детали из этих материалов подлежат дальнейшей термической обработке. В результате рекристаллизации, под воздействием высокой температуры, происходит восстановление недеформированной структуры зерна. Полезный наклёп создаётся специально под воздействием холодного пластического деформирования. В этом случае уместны оба термина: наклёп и нагартовка.
В чем разница, когда использовать?
В технической документации, включая ГОСТы, американские и международные стандарты (ANSI и ISO), термин наклёп отсутствует. «Полезно наклёпанные» металлические изделия принято называть – «нагартованные». Например, ГОСТ 18907-73 – нагартованные прутки. Весь деформационно-упрочнённый алюминий называют нагартованным. Нагартованное состояние алюминия обозначают буквой Н. ГОСТ 21631 на листы алюминия и алюминиевых сплавов: нагартованные листы (Н); полунагартованные (Н2).
Наклёп — это явление, которое направлено на изменение свойств за счёт пластической деформации. Наклёп металла происходит при температуре, значение которой недостаточно для рекристаллизации заготовки. При этом происходит изменение внутренней структуры и фазового состава материала. В кристаллической решётке образуются микроскопические дефекты (дислокации), которые выходят на поверхность деформируемого изделия.
Нагартовку применяют, когда нет возможности упрочнения поверхности материала путём закалки и термической обработки. Это касается некоторых алюминиевых сплавов, чистой меди и стали с содержанием углерода менее 0,25%. Нагартовка имеет значение для листового материала. Вследствие операции холодного деформирования (холодная прокатка, волочение, накатка, дробеструйная обработка и пр.) происходит восстановление в кристаллической структуре дислокаций, которые упрочняют металл.
Перенаклеп
Это явление, характеризующееся разрушением кристаллической решетки материала. Процесс сопровождается шелушением и отслаиванием частичек металла, что снижает эксплуатационные показатели поверхности.
Обычно перенаклеп происходит при нарушении технологических требований механической обработки изделий. Причиной служит избыточное давление в зоне контакта инструмента и заготовки.
Данный процесс необратим: свойства металла невозможно восстановить даже с помощью термообработки.
Методы достижения нагартовки и полезного наклёпа
В промышленных масштабах нагартовка выполняется с помощью специальных целенаправленных операций по достижению упрочнения металла. Также благоприятный наклёп материала достигается в результате пластической деформации при холодной обработке металла давлением. К первому методу относятся такие виды наклёпа, как центробежно-шариковый и дробеметный. К последнему относится:
- Холодная ковка. Для неё используется специальное оборудование: пневматические молоты, паровоздушные молоты, гидравлические прессы;
- Холодная прокатка. Это самый распространённый способ нагартовки, который рассчитан на различные длинные заготовки (рельсы, трубы, профили для металлоконструкций). При помощи прокатки можно получить листовой металл;
- Холодное прессование. Такой вид позволяет получать максимальную деформацию поверхности без разрушений;
- Холодное волочение. Данный вариант предназначен для нагартовки больших объёмов проволоки;
- Редуцирование. Этот способ нагартовки заслуживает особого внимания. Про него мы подробно расскажем в одной из следующих статей раздела «советы мастера».
Разупрочнение
Процесс, при котором наблюдается снижение напряжения, требуемого для пластичного течения материала. Как правило, данное явление можно наблюдать в закаленных сортах стали при высокотемпературном отпуске.
Тепловые параметры разупрочнения зависят от степени наклепа. Негативные последствия данного явления необходимо учитывать при любых операциях с металлическими изделиями. Например, элементы кузова автомобиля изготавливают методом штамповки и соединяют с помощью точечной сварки, применение которой носит местный характер. При кузовном ремонте необходимо использовать оборудование, которое имеет наименьшую зону термического воздействия. В противном случае нагрев выше температуры рекристаллизации приведет к разупрочнению элемента.
Механические свойства
В процессе наклёпа (нагартовки):
- Увеличивается твёрдость металлического изделия;
- Повышается стойкость к механическим воздействиям;
- Снижается сопротивление к динамическим нагрузкам и устойчивость к пластическим деформациям с противоположенным знаком (эффект Баушингера);
- Теряются показатели пластичности, такие как относительное остаточное удлинение и сужение.
В силу этого снижается предел текучести металла – предельное напряжение на изделие, при котором оно начинает пластически деформироваться. Если степень нагрузки не превышает допустимый предел, то металл возвращается к своему первоначальному состоянию после прекращения воздействия сторонних сил. Напряжение выше предела тягучести недопустимо для нагартованной стали, которая используется при возведении несущих конструкций различных зданий и сооружений.
Типы наклепа
Различают два основных типа наклепа, которые отличаются процессами, протекающими при его формировании в материале. Если новые фазы в металле, характеризующиеся иным удельным объемом, сформировались в результате протекания фазовых изменений, то такое явление носит название фазового наклепа. Если же изменения, произошедшие в кристаллической решетке металла, произошли из-за воздействия внешних сил, они называются деформационным наклепом.
Деформационный наклеп, в свою очередь, может быть центробежно-шариковым или дробеметным. Для выполнения наклепа первого типа на обрабатываемую поверхность воздействуют шариками, изначально располагающимися во внутренних гнездах специального обода. При вращении обода (что выполняется на максимальном приближении к обрабатываемой поверхности) шарики под воздействием центробежной силы отбрасываются к его периферии и оказывают ударное воздействие на деталь. Формирование наклепа в дробеструйных установках происходит за счет воздействия на обрабатываемую поверхность потока дробинок, перемещающихся по внутренней камере такого оборудования со скоростью до 70 м/с. В качестве таких дробинок, диаметр которых может составлять 0,4–2 мм, для наклепа могут быть использованы чугунные, стальные или керамические шарики.
Схема традиционного деформационного наклепа и график повышения твердости материала
Для того чтобы понимать, почему нагартовка или формирование наклепа приводят к упрочнению металла, следует разобраться в процессах, которые протекают в материале при выполнении таких процедур. При холодной пластической деформации, происходящей под воздействием нагрузки, величина которой превышает предел текучести металла, в его внутренней структуре возникают напряжения. В результате металл будет деформирован и останется в таком состоянии даже после снятия нагрузки. Предел текучести станет выше, и его значение будет соответствовать величине сформировавшихся в материале напряжений. Чтобы деформировать такой металл повторно, необходимо будет приложить уже значительно большее усилие. Таким образом, металл станет прочнее или, как говорят специалисты, перейдет в нагартованное состояние.
Читать также: Разгрузочный клапан реле давления
При холодной деформации металла, протекающей в результате воздействия соответствующего давления (в процессе, например, наклепа), дислокации, составляющие внутреннюю структуру материала, начинают перемещаться. Даже одна пара движущихся дефектных линий, сформировавшихся в кристаллической решетке, способна привести к образованию все новых и новых подобных локаций, что в итоге и повышает предел текучести материала.
Изменение структуры поверхностного слоя в результате холодной деформации
Внутренняя структура металла при его деформировании в процессе выполнения наклепа или нагартовки претерпевает серьезные изменения. В частности, искажается конфигурация кристаллической решетки, а пространственное положение кристаллов, которые ориентированы беспорядочно, упорядочивается. Такое упорядочивание приводит к тому, что оси кристаллов, в которых они обладают максимальной прочностью, располагаются вдоль направления деформирования. Чем активнее будет выполняться деформирование, тем большее количество кристаллов примут подобное пространственное положение. Существует ошибочное мнение, что зерна, составляющие внутреннюю структуру металла, при его деформации измельчаются. На самом деле они только деформируются, а площадь их поверхности остается неименной.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в процессе выполнения нагартовки или наклепа изменяется кристаллическая структура стали или другого металла, в результате материал становится более твердым и прочным, но одновременно и более хрупким. Нагартованная сталь, таким образом, представляет собой материал, который специально был подвергнут пластической деформации для улучшения прочностных характеристик.
Деформируемые алюминиевые сплавы
В зависимости от химического состава, деформируемые алюминиевые сплавы делятся на несколько групп, а исходя из методов повышения механических свойств — на две категории:
- Деформационно-упрочняемые сплавы. Очень много деформируемых алюминиевых сплавов получают повышение своих свойств путём нагартовки ( полезного наклёпа). К ним относятся сплавы алюминия с марганцем, и алюминия с марганцем и магнием. Упрочнение достигается вследствие пластического деформирования изделия. Пластическое деформирование (наклёп) происходит вместе с различными вариантами отжига для достижения необходимых характеристик. Такие сплавы называют деформационно-упрочняемыми, а также термически неупрочняемыми. Они обладают хорошей прочностью, свариваемостью, пластичностью, сопротивляемостью коррозии.
- Термически упрочняемые сплавы. Они изменяют свой состав, приобретают высокие механические свойства, только после термической обработки, которая включает в себя: интенсивный нагрев под закалку, быстрое охлаждение до комнатной температуры, уплотнение старением. Сплавы, упрочняемые термически, могут быть как деформируемые, так и литейные.
Почему алюминий пластичный?
Способность подвергаться большой пластической деформации является одним из наиболее полезных свойств металлов. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой, к которым относится и алюминий, обычно проявляют хорошую пластичность — их можно легко деформировать в различные сложные формы. Обычно металлы состоит из большого количества отдельных зерен или кристаллов, то есть они являются поликристаллическими. Типичное зерно или кристалл алюминия после горячей и холодной обработки, а затем отжига имеет диаметр, скажем, 40 мкм, а элементарная ячейка атомной кристаллической решетки – всего около 0,4 нм = 0,0004 мкм. Так что каждое зерно содержит много миллионов таких элементарных ячеек – порядка 10 15 штук.
Где применяются нагартованные изделия?
Металлические детали с деформационным наклёпом, обладают отличными эксплуатационными характеристиками. Они незаменимы в конструкциях, которые подвержены значительным механическим нагрузкам, неблагоприятным воздействиям (резким перепадам температуры, колебаниям давления и пр.) Нагартоваванная сталь используется в различных отраслях производства: машиностроении, строительстве, судостроении, в автопроме и пр. Нагартованные алюминиевые листы (АМцН) и (АМцН2) применяются для обшивки судов, при создании строительных конструкций, в пищевом производстве, в автомобилестроении для изготовления радиаторов, рам, заклёпок. На сегодняшний день, благодаря своим прочностным свойствам и способности значительно увеличить эффективность металлообработки, нагартовка имеет обширную область применения. Наклёп металла – это эффективный способ его упрочнения.
Используемое оборудование
Процедура деформационного упрочнения поверхности используется в различных отраслях промышленности, в которых предъявляются повышенные требования к устойчивости поверхности к растрескиванию.
Существует широкий выбор оборудования для наклепа металла. Габариты и технические характеристики зависят от величины обрабатываемых изделий и объемов производства.
Полезный наклеп в промышленных масштабах выполняют на станках с высоким уровнем автоматизации. В основном используют дробеструйные установки.
Для снятия наклепа применяют температурный отпуск металла. Это способствует активизации процессов, которые возвращают материал в первоначальное состояние.
Наклеп металла – это процесс, который наряду с нагартовкой активно используют при изготовлении узлов и агрегатов в различных отраслях промышленности. А вы сталкивались с деформационным упрочнением поверхности? Как вы считаете, будет ли процесс наклепа и нагартовки востребован в обозримом будущем? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.
