Obróbka metali ma miejsce w wielu gałęziach przemysłu – od produkcji i obróbki metali po konstrukcję maszyn i pojazdów. W tym kontekście zużycie materiałów w przemyśle obróbki metali, przy około 59 procentach kosztów zużycia materiałów, stanowi największy udział w całym sektorze wytwórczym.
Obróbka metali – jak to się dzieje?
W przemyśle stopiony metal jest schładzany w celu utworzenia ciała stałego. Stały metal jest następnie kształtowany mechanicznie w celu utworzenia określonego produktu. Sposób wykonywania tych czynności jest bardzo ważny, ponieważ ciepło i odkształcenie plastyczne mogą silnie wpływać na właściwości mechaniczne metalu.
Od dawna wiadomo, że właściwości niektórych metali można zmienić w wyniku obróbki cieplnej. Ziarna metali mają tendencję do powiększania się w miarę podgrzewania metalu. Ziarno może wzrosnąć, gdy atomy migrują z innego ziarna, które ostatecznie mogą zniknąć. Dyslokacje nie mogą łatwo przekraczać granic ziaren, więc rozmiar ziaren określa, jak łatwo mogą się poruszać dyslokacje. Zgodnie z oczekiwaniami metale o małych ziarnach są mocniejsze, ale są mniej plastyczne.
Hartowanie i utwardzanie
Istnieje wiele sposobów obróbki cieplnej metali. Wyżarzanie to proces zmiękczania, w którym metale są podgrzewane, a następnie pozostawiane do powolnego ostygnięcia. Większość stali można hartować przez ogrzewanie i hartowanie (szybkie chłodzenie). Proces ten był stosowany dość wcześnie w historii obróbki stali. W rzeczywistości uważano, że płyny biologiczne wytwarzają najlepsze płyny gaszące, a czasami używano moczu. W niektórych starożytnych cywilizacjach ostrza rozgrzanych do czerwoności mieczy były czasami wbijane w ciała nieszczęsnych więźniów! Obecnie metale hartuje się w wodzie lub oleju. W rzeczywistości hartowanie w roztworach słonej wody jest szybsze, więc starożytni nie byli całkowicie w błędzie.
Hartowanie daje metal, który jest bardzo twardy, ale także kruchy. Delikatne podgrzanie utwardzonego metalu i pozostawienie go do powolnego ostygnięcia spowoduje powstanie metalu, który jest nadal twardy, ale także mniej kruchy. Ten proces jest nazywany hartowaniem. Powoduje to w stali wiele małych wydzieleń, które blokują ruch dyslokacyjny, a tym samym zapewniają wzmocnienie.
Ponieważ odkształcenie plastyczne wynika z ruchu dyslokacji, metale można wzmocnić zapobiegając temu ruchowi. Kiedy metal jest wygięty lub ukształtowany, generowane są dyslokacje i przemieszczają się. Wraz ze wzrostem liczby dyslokacji w krysztale będą one splątane lub przyszpilane i nie będą mogły się poruszać. To wzmocni metal, utrudniając odkształcenie. Ten proces jest znany jako obróbka metali na zimno. W wyższych temperaturach dyslokacje mogą się zmieniać, tak więc następuje niewielkie wzmocnienie.
Obróbka na zimno działa oczywiście tylko w pewnym stopniu! Zbyt duże odkształcenie powoduje plątaninę dyslokacji, które nie są w stanie się poruszać, więc zamiast tego metal pęka. Ogrzewanie usuwa skutki obróbki plastycznej na zimno. Po ogrzaniu metali obrobionych na zimno następuje rekrystalizacja.