Plastisk bearbetning: Principer och Metoder

• Plastisk bearbetning är en permanent deformation av ett material utan att material avlägsnas, vilket sker genom att materialet utsätts för tryck och ändrar form.

Viktiga Principer

• Volymkonstans innebär att materialet fördelas om men massan förblir oförändrad (Ao × Lo = A₁ × L₁).
• Materialets egenskaper, inklusive kristallstruktur, temperatur och åldring, har stor betydelse.
• Olika grader av plastisk deformation kan variera från lätt formändring till nästan flytande tillstånd.

Exempel på plastiska bearbetningsmetoder

• Valsning används för att omforma råmaterial till plåt, band eller profiler, som för att skapa stålplåt och aluminiumfolie.
• Smide innebär formning av mekaniska komponenter genom tryck, exempelvis vid biltillverkning och produktion av flygplansdelar.
• Formpressning formar material genom en pressform, som vid tillverkning av bilchassidelar.
• Bockning innebär böjning av plåt eller rör, exempelvis för tillverkning av rör från kylskåpskompressorer.
• Extrudering/Strängpressning skapar långa profiler eller rör genom att tvinga material genom en form.

Materialets egenskaper vid plastisk bearbetning

• Metaller har kristallina strukturer där atomerna ligger i ordning, och strukturen avgör materialets egenskaper.
• BCC (Body Centered Cubic) material är spröda, som järn, krom och volfram, och har ingen tätpackad struktur, vilket gör materialet mindre formbart.
• FCC (Face Centered Cubic) är duktila material som aluminium, koppar och guld, med täta plan som ger god formbarhet.
• HCP (Hexagonal Close Packed) är mindre vanliga men starka material som magnesium och titan och är mindre formbara än FCC.

Fasdiagram och temperaturens påverkan

• Fasdiagram visar hur materialets fas förändras vid olika temperaturer.
• Stål ändrar sin struktur vid olika temperaturer: Alpha-järn (BCC) under 912°C, Gamma-järn (FCC) mellan 912°C och 1394°C, och Delta-järn (BCC) mellan 1394°C och 1538°C.

Kornstruktur och dess påverkan

• Stora korn resulterar i mjukare material som är mer duktilt.
• Små korn resulterar i hårdare material med högre hållfasthet.
• Kornstorleken kan justeras genom värmebehandling.

Spänning och töjning

• Spänning (σ) definieras som F/A, vilket är belastning per ytenhet.
• Töjning (ε) definieras som ΔI/L, vilket är förändring i längd.
• Sträckgränsen är punkten där materialet börjar deformeras permanent.
• Brottgränsen är den maximala belastning materialet klarar innan det går sönder.

Spännings-töjningskurva

• Elastisk deformation innebär att materialet återgår till sin ursprungliga form.
• Plastisk deformation innebär att materialet deformeras permanent.
• Nackbildning (Necking) innebär att materialet smalnar av innan brott.

Temperaturens påverkan på bearbetning

• Kallbearbetning sker under rekristallisationstemperaturen och resulterar i hårdare material med bättre ytkvalitet, men risk för sprödhet.
• Varmbearbetning sker över rekristallisationstemperaturen vilket gör materialet mer formbart och kräver mindre kraft, men ger sämre ytkvalitet och toleranser.

Valsning

• Valsning är en viktig plastisk bearbetningsprocess där materialet pressas mellan roterande valsar och kan upprepas för att nå önskad form och tjocklek.

Två huvudtyper av valsning

• Varmvalsning kräver mindre kraft och materialet rekristalliseras och förblir formbart, men har sämre ytkvalitet och hög energiförbrukning.
• Kallvalsning ger tunnare plåt med högre precision och bättre yta, men kräver mer kraft och ökar materialets deformationshärdning.

Valsmodeller och optimering

• Stödvalsar används vid tunnvalsning för att motverka fjädring.
• Rullformning används för enklare profiler och hårda material.

Ståltillverkning och hållbarhet

• Traditionell ståltillverkning innebär smältning av järnmalm i masugnar, ofta med kol som reduktionsmedel, vilket står för 25 % av EU:s CO2-utsläpp.

Hållbara alternativ till ståltillverkning

• Hybrit-teknologi använder vätgas istället för kol, vilket bildar H2O istället för CO2, och kan minska utsläppen med 90 %.
• H2 Green Steel använder samma princip som Hybrit men i en helt ny anläggning och kräver stora mängder energi.

Summering

• Plastisk bearbetning innebär deformation utan materialförlust.
• Kristallstruktur och temperatur påverkar materialets egenskaper och formbarhet.
• Spänning och töjning används för att förstå materialets respons på belastning.
• Valsning är en central process inom plastisk bearbetning, med varm- och kallvalsning som huvudmetoder.
• Ståltillverkningens miljöpåverkan är stor, men nya hållbara metoder kan minska utsläppen drastiskt.