Oblikovanjedeformiranjem

Uvod U većini (inženjerskih) strojarskih pristupa pojam deformacija ima negativnu konotaciju i nastoji se izbjeći.

Uglavnom se radi o reverzibilnim deformacijama u području elastičnosti, koje prate Hookeov zakon

� � � ⋅ �

i Poissonov zakon o deformaciji dimenzija okomitih na smjer opterećenje

� � � ⋅ �

Tehnologije obrade deformiranjem baziraju se na plastičnim deformacijama koje nastaju iza elastičnih,

kada naprezanje pređe graničnu vrijednost elastičnih deformacija. Osnovna karakteristika plastičnih deformacija je

ireverzibilnost, a one uz to poboljšavaju mehanička svojstva (što je posebno važno za dinamički opterećene strojne

dijelove).

Tehnologije obradom deformiranjem u zadnjih 50 godina povisile su udio u industriji preko 6 puta, na preko

60%. Povećanje primjene uvjetovano je razvojem tehnologija, a on je omogućen znanstvenim pristupom

proučavanja problema u proizvodnji. Za ovu svrhu koriste se različiti modeli i idealizacije ograničenih, ali za primjenu

dovoljnih točnosti.

Tehničko ekonomske karakteristike oblikovanja deformiranjem

- Velika produktivnost

- Ujednačene dimenzije i oblik izratka

- Ujednačenost fizikalno – mehaničkih svojstava

- Kvaliteta (� � 0,002⋯0,003��)

- Minimalan gubitak materijala

- Poboljšanje mehaničkih svojstava

- Kratko vrijeme izrade

- Smanjenje troškova proizvodnje

- Energetski povoljan proces

- Mogućnost automatizacije i robotizacije proizvodnje

Metode koje se koriste u rješavanju problema

- Elementarna metoda plastičnosti

- Metoda mreže

- Metoda vizioplastičnosti

- Metoda modeliranja

- Metoda kliznih linija

- Metoda gornje granice

- Metoda konačnih elemenata

- Metoda rubnih elemenata

- Metoda konačnih volumena

Fizikalne osnove oblikovanja deformiranjem Pri skrućivanju taline metala pojavljuju se klice kristalizacije oko kojih rastu kristalna zrna, najbrže u smjeru

gdje je raspored atoma najgušći. Na mjestu dodira zrna (granice zrna) izlučuju se nemetalni uključci, prazna mjesta i

atomi elemenata nižeg tališta. To utječe na mehanička svojstva, pa je materijal na razini kristalne rešetke

anizotropan. Budući da je raspored kristalnih zrna (osim u posebnim uvjetima) slučajan, postoje prosječna svojstva

te se materijal ponaša kao izotropno tijelo. Zbog toga se polikristalna tijela nazivaju kvazi-izotropnim tijelima.

Vanjske sile remete postignutu ravnotežu sila među atomima unutar kristalne rešetke. Kako bi se postigla

nova ravnoteža atomi se pomiču, a ako je vanjska sila dovoljnog iznosa nakon rasterećenja ne dolazi do povratka

atoma na prvobitne položaje. Iz toga slijedi definicija: Plastična deformacija rezultira trajnim pomakom dijelova i

čestica u odnosu na prvobitne pozicije, a materijal ostaje kompaktan s izuzetkom promjena u mikrostrukturi.

Većina najvažnijih metala kristalizira u plošno ili prostorno centriranom kubnom, te u gusto slaganom

heksagonskom sustavu.

Svaki od ovih sustava ima ravnine najgušće slaganih atoma, klizne ravnine. Za deformaciju po ovim ravninama

potrebno je najmanje energije, a deformacije izazivaju isključivo smične komponente naprezanja. Iz toga slijed

definicija: Plastična deformacija je klizanje po kliznim ravninama. Kubni kristalni sustavi imaju više kliznih ravnina i

kliznih pravaca (pravci s najmanjim odstojanjem atoma) u odnosu na heksagonske, pa su metali koji kristaliziraju u

kubnim sustavima deformabilniji.

Budući da u kristalnim ravninama postoje dislokacije, nesavršenosti kristalne strukture, oko njih su niža

mehanička svojstva. Zbog toga ih kroz kristal može protjerati sila koja bi bila preslaba za izazivanje deformacije u

savršenom kristalu. Iz toga slijedi definicija: Plastična deformacija je gibanje dislokacija kroz rešetku izazvano

smičnim naprezanjem. Kada bi kristali materijala bili savršeni, sile potrebne za deformacije bile bi 100 do 1000 puta

veće. Nedeformirani materijali imaju ~10��/���, a deformirani 10��⋯10���/���. Do loma materijala dolazi

zbog gomilanja dislokacija.

U teorijskom proučavanju problema tehnologije oblikovanja deformiranje u obzir se uzimaju Troscina i HMH

teorija čvrstoće. Prema Troscinoj teoriji maksimalnih smičnih deformacija do trajnih deformacija kada u troosno

napregnutom sustavu vrijednost maksimalnog smičnog naprezanja dostigne vrijednost graničnog smičnog

naprezanja u uvjetima jednoosnog naprezanja. Prema HMH teoriji energije deformacije do plastičnog deformiranja

dolazi kada gustoća energije deformiranja dostigne graničnu vrijednost.

Osnovni pojmovi

Naprezanje plastičnog tečenja

Naprezanje plastičnog tečenja je vlačno ili tlačno naprezanje pri kojem u deformabilnom materijalu nastaje

trajna plastična deformacija, pri čemu se zanemaruje trenje. Vrijednost mu ovisi o materijalu, stupnju deformacije,

brzini deformacije i temperaturi.

Ako je poznato da je za štap površine presjeka �� opterećenog silom � naprezanje � jednako

� =�

��

onda su za isti štap naprezanja pod kutom �

�� =� ⋅ cos�

��

cos�

=�

��

⋅ �"#��

$% =� ⋅ sin�

��

cos�

=�

��

⋅ sin� ⋅ cos� =�

2⋅ sin2�

Maksimalna vrijednost sin2� = 1 postiže se za kut � = 45°. U tom slučaju najveće smično naprezanje $+,� je

$+,� =�

2

Pa je za plastično tečenje (u slučaju jednoosnog naprezanja)

$+,� =-.

2

Stupanj deformacije

Stupnjevi deformacije su načini izražavanja promjena dimenzija uslijed djelovanja vanjskih sila, odnosno

promjene poprečnih presjeka i obujma kod postupaka oblikovanja deformiranjem. Pretpostavlja se idealna

nestlačivost materijala, odnosno da je njegov volumen /� stalan. Ova aproksimacija je vrlo blizu istini, jer su pri

troosnom stanju naprezanja tlakom od 105 MPa promjene obujma tek 0,6% za čelik, 1% za bakar i 1,2% za aluminij.

Za dimenzije tijela prije i nakon deformacije stoga vrijedi

� ⋅ 0� ⋅ 1� � � ⋅ 0� ⋅ 1�

odnosno

1 � � ⋅ 0� ⋅ 1�� ⋅ 0� ⋅ 1�

i nakon logaritmiranja

ln �� 3 ln0�0� 3 ln

1�1� � 0

što možemo označiti s

4, � ln �� , 45 � ln 0�0� , 46 � ln 1�1�

4, 3 45 3 46 � 0

Vrlo važno svojstvo logaritamskog stupnja deformacije je aditivnost, koja ne vrijedi za istezanje

�, 3 �5 3 �6 7 0

Sukladno tome može se pisati

4898:;< �=4>;

>?�

Veza između stupnja deformacije i istezanja

�6 � 1� @ 1�1� � 1 @ 1�1� � ABC

Ova se relacija nakon logaritmiranja može prikazati s

46 � ln 11 @ �6

Brzina deformacije

Brzina deformacije 4D =EB

EF je brzina tečenja materijala i bitno ju je razlikovati od brzine alata G,H,F, =

I6

IF.

Njihova veza dobiva se

4D =�4

�J⋅ �11 � G,H,F,

1

Tablično se može prikazati tipične brzine za različite uređaje

G,H,F, 4D +K #L�

bat 3⋯7 50⋯150

tarna preša 0,5⋯2 10⋯25

hidraulička preša 0,1⋯0,3 1⋯5

Specifični rad deformacije

Specifični rad elastične deformacije jednak je površini ispod dijagrama istezanje – naprezanje, a računa se

izrazom

N =� ⋅ �2

Analogno,idealni rad plastične deformacije jednak je površini ispod dijagrama naprezanje plastičnog tečenja –

stupanj deformacije.

N>E � O -. ⋅ �4B

�

Budući da je naprezanje plastičnog tečenja funkcija stupnja deformacije, za pojednostavljenje ovog izraza koristi se

srednje naprezanje plastičnog tečenja -.+

-.+ =-� 3 -.

2

Time je idealni rad

N>E � -.+ ⋅ 4

Ukupna bilanca rada uključuje rad trenja i rad čestica

N898:;> � N>E 3NFPQ;R, 3NčQKF>T,

Duktilnost

Duktilnost je svojstvo materijala da se deformira bez pojave loma, a mjeri se produljenjem ili kontrakcijom

u vlačnom pokusu, Ericsonovom probom ili nekom drugom metodom.

Plastičnost

Plastičnost je fizikalni pojam koji označava mogućnost materijala da se deformira bez pojave loma. Ne

mjeri se.

Deformabilnost

Deformabilnost je svojstvo materijala da se deformira bez pojave loma u konkretnim tehnološkim

uvjetima (stupanj deformacije, brzina deformirmacije, temperatura, tehnologija – shema naprezanja).

Deformabilnost čelika ovisno o temperaturi kako je prikazano grafom

Optimalno temperaturno područje za deformiranje je između 800 i 1200 °C. Nazivi plavi i crveni lom za područja

suboptimalne deformabilnosti potječu od boje materijala na mjestu loma, a uzrokovana je oksidima. U nekim je

slučajevima temperaturni raspon optimalne deformabilnosti vrlo uzak, pa se tada primjenjuje izotermno kovanje.

Deformabilnost u ovisnosti o shemi naprezanja, od stanja naprezanja 1 – troosni tlak, do stanja 7 – troosni

vlak.

Vlačna naprezanja smanjuju uvelike deformabilnost, pa se velika većina postupaka oblikovanja deformiranjem

bazira na tlačenju.

Hladno deformiranje Deformacija se naziva hladnom ako za temperaturu U vrijedi

U V 0,3 ⋅ UF gdje je UF temperatura taljenja. Ovakvo deformiranje ima za posljedicu niz promjena u svojstvima

- povećanje čvrstoće

- povećanje tvrdoće

- povećanje �:�,�

- povišenje �Q

- smanjenje istezljivosti

- smanjenje kontrakcije

- smanjenje udarne žilavosti

- smanjenje električne vodljivosti

- smanjenje antikorozivnosti

- javlja se anizotropija

Ove su pojave objašnjive teorijom dislokacija. Kako u realnim materijalima dislokacije nailaze na prepreke

njihovim napredovanjem kroz materijal nastaju nove dislokacije. Povećanjem broja dislokacija njihovo je gibanje

dalje otežano, što za nastavak deformiranja zahtjeva veću vanjsku silu. Mikropukotine koje nastaju u materijalu

smanjuju plastičnost.

Promjene u materijalu nakon deformiranja i zagrijavanja Nakon rasterećenja materijala koje slijedi postupke oblikovanja deformiranjem plastične deformacije

zaostaju, dok bi elastične trebale iščeznuti. To se događa u idealnim slučajevima, a za realne materijale je rijetka

pojava. Naime, povrativost elastične deformacije nekog kristala može sprječavati drugi kristal, pa se ovakva

naprezanja nazivaju unutarnjima. Također, dolazi do izduljenja zrna, što uzrokuje pojavu anizotropije materijala. Uz

to, značajno se poveća i broj dislokacija. Povećanjem temperature materijala povećava se u pokretljivost atoma što

utječe na mehanička svojstva u suprotnom smjeru od deformiranja, a ovisi o temperaturi na koju se materijal

zagrijava.

Temperature oporavka U< iznose 0,2⋯0,3UF (temperature tališta). Na ovim temperaturama ne dolazi do

promjena vidljivih mikroskopom. Ukupni broj dislokacija se ne smanjuje, već se one samo preraspoređuju i time

snižava unutarnja naprezanja. Opadanje čvrstoće i porast plastičnosti su neznatni, a otpornost na koroziju i električna

vodljivost se vraćaju približno na početnu vrijednost.

Na temperaturama rekristalziacije UP koje su obično 0,35⋯0,45UF dolazi do složenije promjene koja se

naziva rekristalizacija. Potrebno je naglasiti da manja količina nečistoća i legirnih elemenata značajno povisuju

temperaturu rekristalizacije. Pokretljivost atoma naglo se povisi, pa atomi imaju dovoljno energije savladati otpor

kretanju te dolazi do smanjenja distordiranosti rešetke. Na mjestu svake dislokacije potencijalno je mjesto nastanaka

nove klice kristalnih zrna za kristal iste vrste. Rekristalizaciju se može dijeliti prema više kriterija na

- dinamičku (događa se u realnom vremenu) i statičku (događa se nakon postupka deformiranja)

- primarnu (poželjnu, označava je rast novih kristala što poboljšava svojstva) i sekundarnu (nepoželjnu,

tijekom koje pojedina kristalna zrna rastu na račun drugih i snižavaj mehanička svojstva)

- potpunu i nepotpunu (zbog kojih dolazi do homogenosti ili heterogenosti svojstava)

Ovisnost veličine zrna nakon rekristalizacije prikazuje se dijagramima

Deformacija na temperaturama višim od UP naziva se toplom deformacijom. Nakon tople deformacije manje

je zaostalih unutarnjih naprezanja.

Zagrijavanjem iznad temperatura prekristalizacije U:P = 0,7UF dolazi do značajne promjene u mikrostrukturi,

koja uključuje promjenu vrste kristalnih zrna, a time i drastičnu promjenu mehaničkih svojstava.

Trenje i podmazivanje u postupcima oblikovanja deformiranjem Sila trenja je sila koja pruža otpor međusobnom gibanju dvaju tijela u dodiru. Pojavljuje se u svim

postupcima oblikovanja deformiranjem, a dokazuju ju oštećenje alata, bačvasti oblik tlačenog punog cilindra i razlike

u tvrdoći po uzdužnom presjeku.

Moderna adhezijsko – deformacijska teorija trenja objašnjava trenje kao funkciju mikronreavnina frikcijskog

para i adhezijskog privlačenja površinskih slojeva. U oblikovanju deformiranjem koristi se Bowden – Taborov model

trenja, prema kojem su u dodiru alata i obrađivanog materijala samo točke najviših ispupčenja. Na njima su sile i

specifični pritisci vrlo veliki pa dolazi do mirkrozavarivanja. Kako bi se ta pojava izbjegla, mora postojati relativno

gibanje što prema Bowden – Taboru tumači silu trenja kao sumu svih smičnih sila potrebnih za prekidanje mjesta

kontakta. To znači da je trenje posljedica elastoplastičnih deformacija i adhezijskog privlačenja molekula.

Na površini metalnih dijelova često su prisutni oksidi, sulfidi, nečistoće ili maziva. Prema čistoći površine

trenje se klasificira

- suho trenje, za čiste metalne površine

- granično trenje, kada je između površina metala vrlo tanki sloj maziva ili nemetala (u teoriji debljine

jedne molekule) koji se može prekinuti, a pri odlamanju čestice površine ona djeluje kao brusni papir

- mješovito trenje, kada je u šupljinama između kontaktnih površina metala sloj maziva, a odlomljene

čestice plivaju u tom sloju i ne oštećuje površine

- hidrodinamsko trenje, kada površine alata i obratka ne dolaze u neposredni kontakt jer je među njima

uvijek sloj maziva

Trenje u oblikovanju deformiranjem uzrokuje nehomogenu deformaciju i zaostala naprezanja u obratku te

ubrzava trošenje alata. Zato ga se nastoji maksimalno umanjiti osim u postupcima valjanja, gdje je neophodno. To

se postiže smanjenjem broja lokalnih zavara, što je uloga maziva.

Uvjeti za monomolekularni sloj maziva su

- mora se brzo stvarati

- mora biti žilav (otporan na raskidanje)

- mora biti antikorozivan

- mora se dobro razmazivati, da bi se popunile sve šupljine

- mora imati veliku adheziju prema metalu

- mora biti ujednačenih svojstava za slojeve svih debljina

- laka odstranjivost, radi čišćenja metala nakon obrade

Za slučaj hladne deformacije općenito se govori o mješovitom trenju. Maziva koja se koriste su

- maziva koja se miješaju s vodom (sapuni, kreda, emulzije)

- maziva koja se ne miješaju s vodom (prirodna i sintetska ulja, masti)

- filmovi, folije i lakovi

- grafit (otopina u vodi ili ulju), molibdensulfid (smjesa u ulju) i politetrafluoretilen (teflon, kao uljna

otopina)

Grafit je alotropska modifikacija ugljika, a karakteristična mu je kalavost. Za svojstva maziva to je korisno, jer se pri

povišenju tlaka listići grafita kalaju pa ne dolazi do direktnog kontakta površina. Molibdensulfid ima to bolja svojstva

što je u tanjem sloju, ali je znatno skuplji u odnosu na grafit. Politetrafluoretilen (teflon) je novije mazivo, alije

također skup. Pri uobičajenim tlakovima od ~700WX grafit ima najmanji faktor trenja te je zbog toga najčešće u

upotrebi.

Kada se radi o toploj deformaciji potrebno je koristiti mazivo postojano na visokim temperaturama. S

obzirom da na tim temperaturama ulje izgori, a voda ispari uvijek se radi o graničnom trenju (kapljevine ne može

biti). Mazivo koje se je stabilno na visokim temperaturama je grafit, pa se vrlo često koristi. Nakon isparavanja vode

ili izgaranja ulja čestice grafita ostaju jednoliko raspoređene na površini metala. Može se koristiti i piljevina, koja

nakon izgaranja ostavlja sloj pepela koji onda funkcionira kao mazivo. Alternativna maziva su soli i stakla, ali se

izbjegavaju zbog korozivnosti i opasnosti po radnike.