Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла. Пластичность металлов и факторы, влияющие на нее

^

Факторы, влияющие на пластичность металла

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

^ Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

^ Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

^ Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

^ Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .
^

Условие пластичности

Условие пластичности для линейного напряженного состояния

Условием пластичности называется условие перехода упругой деформации в пластическую , т.е. оно определяет точку перегиба на диаграмме растяжение-сжатие.

В линейном напряженном состоянии, например при растяжении образца, пластическая деформация начинается тогда, когда нормальное напряжение достигает предела текучести. То есть для линейного напряженного состояния условие пластичности имеет вид:
.

Примечание: в процессе деформации изменяется. Поэтому в теории пластичности вместо понятия «предел текучести» пользуются понятием «сопротивление деформации», т.е. удельное усилие, приводящее образец в пластическое состояние в процессе однородного линейного растяжения при данной температуре, данной скорости и степени деформации.

При объемном напряженном состоянии тоже должно быть определенное соотношение между сопротивлением деформации и главными нормальными напряжениями для начала пластической деформации.
^

Условие постоянства максимального касательного напряжения (условие пластичности Сен-Венана)

На основании опытных данных Треска установил, что для начала пластической деформации максимальное касательное напряжение должно достигнуть определенной, постоянной для данного металла величины. Сен-Венан на основании этих опытов вывел условие пластичности. Он установил, что пластическая деформация наступает тогда, когда максимальное касательное напряжение достигает величины, равной половине предела текучести, т.е.
. Но
. Отсюда получаем
.

Таким образом, условие пластичности Сен-Венана имеет вид:

Пластическая деформация наступает тогда, когда максимальная разность главных нормальных напряжений достигает величины сопротивления деформации, т.е.

В произвольных осях уравнение пластичности имеет вид:

Опытная проверка этого закона показала расхождение теории с практикой 0-16%. Это объясняется тем, что уравнение не учитывает влияние среднего главного напряжения .

^

Энергетическое условие пластичности (условие пластичности Губера – Мизеса - Генки)

Согласно условию пластичности Сен-Венана переход тела из упругого состояния в пластическое не зависит от среднего напряжения . М. Губер, З. Мизес и Г. Генки предложили новое условие пластичности:

Пластическая деформация наступает тогда, когда интенсивность напряжений достигает величины, равной пределу текучести при линейном напряженном состоянии, т.е.

После подстановки формулы для интенсивности напряжений получим

Или в главных напряжениях

Учитывая, что при линейном напряженном состоянии
, получаем
.

Это условие пластичности называется еще условием постоянства интенсивности напряжений или условием постоянства интенсивности касательных напряжений или условием постоянства октаэдрических напряжений.

Условие пластичности Губера-Мизеса-Генки называется энергетическим условием пластичности, т.к. оно было выведено из энергетического условия: пластическая деформация наступает тогда, когда потенциальная энергия упругой деформации, направленная на изменение формы тела, достигнет определенного значения независимо от схемы напряженного состояния.

Из условия пластичности следует, что условие перехода упругой деформации в пластическую не зависит от абсолютной величины главных напряжений, а зависит только от их разности. Увеличение или уменьшение главных напряжений на одну и ту же величину не изменяет условия наступления пластической деформации, т.е. переход из упругого состояния в пластическое не зависит от шарового тензора, а зависит только от девиатора напряжений.

Для дальнейших преобразований введем безразмерную величину – направляющий тензор напряжения:
, выразим через :
и подставим в уравнение пластичности:

После преобразований получим:

О
бозначим
, тогда уравнение пластичности примет вид:

Коэффициент называется коэффициентом Лоде по имени ученого,

Экспериментально проверившего уравнение пластичности.

Поскольку
, возможны следующие крайние случаи:

, тогда
и
;

, тогда
и ;

, тогда
и
;

т.е. коэффициент Лоде принимает значения от 1 до 1,15. В том случае, когда , уравнение пластичности принимает вид
, т.е. совпадает с условием пластичности Сен-Венана. В случае, когда
, расхождение условий пластичности составляет максимальное значение (около 16%).

1. Влияние состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Сплавы твердые растворы обычно более пластичны, чем сплавы, образующие химические соединения. Компоненты сплава также влияют на его пластичность. С повышением содержания углерода в стали плас­тичность уменьшается. При содержании углерода свыше 1,5 % сталь с трудом поддается ковке. Кремний понижает пластичность стали. По­этому кипящая малоуглеродистая сталь (08кп, Юкп) с малым содержани­ем кремния применяется при изготовлении деталей холодной штампов­кой глубокой вытяжкой. В легированных сталях хром и вольфрам уменьшают, а никель и ванадий повышают пластичность стали. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа Ре8, который в виде эвтектики располагается по границам зерен и при нагревании до 1000 °С расплавляется. В результате связь между зернами нарушается и сталь становится хрупкой. Такое явление называется красноломкостью. Мар­ганец, образуя тугоплавкое соединение МпЗ, нейтрализует вредное дей­ствие серы. Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает, особенно при низких температурах, пластичность и вяз­кость стали, вызывая ее хладноломкость.

2. Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металлов обычно возрастает, а прочность уменьшается. Однако в углеродистых сталях при температурах 100-400 °С пластич­ность уменьшается, а прочность возрастает. Этот интервал температур называют зоной хрупкости или синеломкости стали, наличие которой объясняется выпадением- мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения при деформации.

3. Скорости деформации - изменение степени деформации е в еди­ницу времени <&/Л. (От скорости деформации следует отличать скорость деформирования - скорость движения деформирующего инструмента.)

Обычно механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 мм/с. Обработка давлением на прессах и ковочных машинах производится при скоростях движения рабочих органов 0,1- 0,5 м/с, на молотах ско­рость деформирования в момент удара 5-10 м/с. Еще большие скорости возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (20-30 м/с), штамповке взрывом, элек­тромагнитной штамповке.

В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучес­ти возрастает, а пластичность падает. Особенно резко уменьшается плас­тичность некоторых высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. При обработке давлением нагретого металла это можно объяс­нить влиянием двух противоположных процессов: упрочнения при дефор­мации и разупрочнения вследствие рекристаллизации. При больших скоростях деформации разупрочнение может отставать от упрочнения. Кроме того, следует учитывать тепловой эффект пластической деформа­ции, который выражается в том, что энергия, расходуемая на пластиче­скую деформацию, превращается в основном в тепло.

4 . Напряженное состояние в элементарно малом объеме характеризуют схемой главных напряжений. Главные напряжения - это нормальные напряжения, действующие в трех взаимно перпендикулярных площадках, на которых касательные напряжения равны нулю. На рис. 4.2, а, б, в, г представлены схемы главных напряжений, наиболее часто встречающиеся при обработке давлением.

Деформированное состояние характеризуется схемой главных дефор­маций, т. е. деформаций в направлении трех осей, перпендикулярных к площадкам, в которых касательные напряжения отсутствуют (рис. 4.2, д, е, ж). Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций позволяет судить о характере главных напряжений и дефор­маций при различных видах обработки давлением и пластичности метал­ла: чем больше сжимающие напряжения и меньше напряжения и дефор­мации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Повысить сжимающие напряжения при обработке давлением можно, например, оказывая боковое давление на металл жесткими стенками инструмента.

3. Холодная и горячая обработка металлов давлением

1. Наклеп и рекристаллизация металлов. При деформировании ме­таллов повышается плотность дефектов кристаллического строения и возрастает сопротивление их перемещению. С увеличением степени дефор­мации пределы прочности и текучести, а также твердость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижаются; возрастают остаточные напряже­ния. Упрочнение металлов при пластической деформации называется наклепом. В результате упрочнения пластические свойства металлов могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызывает разрушение.

При наклепе металл переходит в термодинамически неустойчивое со­стояние с повышенным запасом внутренней энергии, поэтому он стремит­ся самопроизвольно перейти в более равновесное состояние. При нагре­ве наклепанного металла до температур, составляющих 0,2-0,3 от тем­пературы плавления Т пл (возврате), частично уменьшаются искажения кристаллической решетки и внутренние напряжения без изменения мик­роструктуры и свойств деформированного металла.

При нагреве деформированных металлов выше 0,4Т ПЛ образуются новые равноосные зерна и свойства металла возвращаются к их исход­ным значениям до деформации. Процесс образования новых центров кристаллизации и новых равноосных зерен в деформированном металле при нагреве, сопровождающийся уменьшением прочности, увеличением пластичности и восстановлением других свойств, называется рекристал­лизацией. Наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температу­рой рекристаллизации. Величина зерна после рекристаллизации зависит от степени и скорости деформации, а также температуры и длительности нагрева.

2. Холодная и горячая деформация. В зависимости от температурно-скоростных условий при деформировании могут происходить два противо­положных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочне­ние, обусловленное рекристаллизацией. В соответствии с этим различают холодную и горячую деформацию. Холодное деформирование произво­дится при температурах ниже температуры рекристаллизации и со­провождается наклепом металла. Горячее деформирование протекает при температурах выше температуры рекристаллизации. При горячей де­формации также происходит упрочнение металла (горячий наклеп), но оно полностью снимается в процессе рекристаллизации. При ней плас­тичность металла выше, а сопротивление деформации примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Деформация, после которой про­исходит только частичное разупрочнение, называется неполной горячей деформацией.

4 . Влияние обработки давлением на структуру и механические свойства металлов и сплавов

1. Изменение структуры литого металла при деформации. Структура слитков, которые обычно являются исходными заготовками при обработке давлением, неоднородна (рис. 4.1, б). Основу ее составляют зерна первичной кристаллизации (дендриты) различной величины и фор­мы, на границах которых скапливаются примеси и неметаллические вклю­чения. В структуре слитка имеются также поры, газовые пузыри. Высо­кая степень деформации при высокой температуре вызывает дробление зерна, а также частичное заваривание пор.

2. Полосчатость. Зерна и межкристаллические прослойки с повышен­ным содержанием неметаллических включений вытягиваются в направ­лении наибольшей деформации. В результате структура металла приоб­ретает полосчатое (волокнистое) строение (рис. 4. 1, в). Волокнистость оказывает влияние на механические характеристики, вызывает их анизо­тропию. В поперечном направлении ударная вязкость на 50-70 %, относительное сужение - на 40 %, относительное удлинение - на 20% меньше, чем вдоль волокон. Наличие полосчатой микроструктуры и ани­зотропии свойств в деформированном металле необходимо учитывать при проектировании и изготовлении деталей. Надо стремиться получить в них такое расположение волокон, чтобы наибольшие растягивающие напряжения действовали вдоль, а перерезывающие усилия - поперек волокон, а также, чтобы они не перерезались при обработке резанием. При необходимости повысить пластичность металла в поперечном направ­лении следует произвести обжатие заготовки в направлении, перпендику­лярном прежнему, т. е. вдоль волокон. Желательно, чтобы у поверхности детали волокна повторяли ее очертания (рис. 4. 1, г). В этом случае повы­шаются прочность и другие служебные свойства детали.

Основные факторы, влияющие на пластичность металла

Величина пластической деформации не безгранична, при определённых её значениях начинается разрушение металла.

Величина предельной деформации зависит от пластичности металла и на неё оказывают влияние многие факторы.

Влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Компоненты сплава оказывают различное влияние на его пластичность. В стали углерод и кремний снижают пластичность. Сера вызывает красноломкость, фосфор - хладноломкость. Марганец нейтрализует вредное действие серы. В легированных сталях Cr и W снижают пластичность, а Ni, Mo и V - повышают.

Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металла обычно возрастает, а прочность уменьшается. В то же время для углеродистых сталей характерно наличие интервала синеломкости (при температуре 100…400 0 С)

Влияние скорости деформации. Скорость деформации - изменение степени деформации в единицу времени d/dt. В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучести возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. Для каждого сплава существует определённая критическая скорость деформации, превышать которую не рекомендуется. Это необходимо учитывать, т.к. при некоторых видах ОМД развиваются значительные скорости деформации (на прессах и ковочных машинах - 0,1…0,5 м/с, на молотах - 5…10 м/с, при штамповке на высокоскоростных молотах - 20…30 м/с). Механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 м/с.

Влияние напряженного состояния. Деформируемое состояние металла характеризуется схемой приложенных напряжений. При этом, чем больше напряжение сжатия и меньше напряжения и деформации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Наибольшей пластичностью обладает металл в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Схемы напряженного состояния в различных процессах обработки давлением различны, вследствие чего для каждого процесса и температурно-скоростных условий различна величина предельной деформации.

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

С увеличением степени деформации заметно увеличиваются прочность и твёрдость металла, пластичность и вязкость при этом снижаются; возрастают остаточные напряжения. Происходит упрочнение металла. Такое упрочнение металла, наблюдаемое при пластической деформации, носит название наклепа. При этом пластические свойства могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызовет разрушение. Металл при наклёпе характеризуется значительно искаженной кристаллической решеткой. Структура наклепанного металла приобретает волокнистое строение. Такую структуру ещё называют полосчатой, т.к. для неё характерны вытянутые в направлении наибольшей деформации строчки неметаллических включений. Для волокнистой структуры свойственна анизотропия механических свойств (в поперечном направлении пластические и вязкие свойства металла заметно выше, в то время как характеристики прочности отличаются незначительно). Изменения структуры и свойств металла после наклёпа не являются не обратимыми. Наклёп может быть снят при нагреве металла до температур, составляющих более 0,4Т пл. При этом образуются новые равноосные зёрна, и свойства металла восстанавливаются. Этот процесс носит название рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температурой рекристаллизации. Для чистых металлов она составляет 0,4Т пл, для сплавов эта температура выше. Для повышения пластичности и уменьшения прочности металла применяют рекристаллизационный отжиг.

Холодная и горячая деформация - различается в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования. При этом могут происходить два противоположных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочнение металла, обусловленное рекристаллизацией.

В соответствии с этим холодное деформирование производится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Деформирование заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения металла (горячий наклёп) и рекристаллизации.

При этом горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всём объеме заготовки, и микроструктура получается без следов упрочнения. Для протекания горячей деформации с увеличением скорости деформирования увеличивают и температуру нагрева заготовки. В противном случае металл будет иметь не полностью рекристаллизированную структуру (неполная горячая деформация), это приводит к снижению механических свойств и пластичности.

При горячей деформации пластичность металла выше, а сопротивление деформации приблизительно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно использовать при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также крупногабаритных литых заготовок.

В то же время использование холодной деформации позволяет получить лучшее качество поверхности и большую точность размеров заготовки (вследствие отсутствия на поверхности слоя окалины), а также сократить продолжительность технологического цикла и повысить производительность труда.

Получение наилучших экспериментальных свойств деталей может быть достигнуто рациональным сочетанием холодной и горячей деформации, а также выбором числа и режимов обработки в процессе изготовления.

давление металл прокатка штамповка

Основными факторами, оказывающими весьма существенное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию, являются химический состав, температура металла, скорость деформации, схема напряжённо-деформированного состоянии, контактное трение и т.д.

Велико влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы и сплавы, образующие твёрдые растворы. Наихудшими пластическими свойствами обладают сплавы, образующие химические соединения и механические смеси. Обработке давлением подвергаются как чёрные, так и цветные сплавы. Из чёрных сплавов давлением обрабатываются углеродистые и легированные стали, из цветных – бронзы, латуни, дюралюминий и др.

Наибольшее количество деталей изготовляется обработкой давлением из стали. В связи с этим необходимо рассмотреть влияние некоторых примесей на пластичность стали и её сопротивление деформированию.

Углерод является основной примесью, оказывающей влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали пластичность падает, а сопротивление деформированию возрастает. Стали с содержанием углерода до 0,5 % обладают хорошей пластичностью, поэтому обработка давлением таких сталей не вызывает затруднений. Однако обработка давлением стали, содержащей более 1 % углерода, представляет большие трудности. Кремний и марганец в тех пределах, в которых они содержатся в обычных сталях (0,17 –0,35 % и 0,3–0,8 % соответственно), не оказывают заметного влияния на пластичность стали. Дальнейшее увеличение содержания кремния и марганца в стали понижает её пластические свойства, повышая сопротивление деформированию.

Сера находится в стали в виде химических соединений FeS или MnS. Она вызывает красноломкость стали. Явление красноломкости связано с образованием эвтектики FeS + Fe по границам зерен, которая плавится при температуре 985 ˚С. При нагреве стали до температур 1000–1200 ˚С под ковку, прокатку эвтектика расплавляется, нарушается сплошность границ зёрен и при деформации в этих местах образуются трещины. При наличии в стали MnS интервал красноломкости сдвигается в область более высоких температур (1200 ˚С). В связи с этим содержание серы в стали (в виде соединения FeS) должно быть минимальным (0,03–0,05 %). Фосфор в стали присутствует в твердом растворе (феррите). Он вызывает хладноломкость стали. Повышение содержания фосфора в стали увеличивает сопротивляемость пластической деформации, а, следовательно, затрудняет проведение обработки давлением. Поэтому содержание фосфора в стали должно быть не более 0,03–0,04 %.

Легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.) понижают пластичность и повышают сопротивление деформированию, причём тем сильнее, чем больше углерода в стали.

Температура оказывает существенное влияние на механические свойства металлов и сплавов. Увеличение температуры примерно до 100 ˚С вызывает некоторое повышение пластичности и уменьшение характеристик прочности. При дальнейшем повышении температуры примерно до 300 ˚С наблюдается значительное увеличение характеристик прочности и понижение характеристик пластичности. Это явление получило название синеломкости (от цвета побежалости). Предполагают, что хрупкость, наблюдаемая при этих температурах, вызвана выделением дисперсных частиц карбидов, нитридов и др. по плоскостям скольжения. Дальнейшее повышение температуры вызывает интенсивное понижение характеристик прочности. При температурах около 1000 ˚С предел прочности σ в понижается более чем в 10 раз. Что касается показателей пластичности, то они в интервале 800–900 ˚С понижаются из-за протекания в стали фазовых превращений и неполного процесса рекристаллизации; при дальнейшем повышении температуры можно наблюдать их интенсивное увеличение. Таким образом, опасными зонами температур в отношении понижения пластичности являются зона синеломкости и зоны, в которых происходят неполная рекристаллизация и фазовые превращения. Такая закономерность наблюдается и для других металлов и сплавов.

На пластичность оказывает влияние и скорость деформации. При деформировании металлов следует различать две скорости: скорость деформирования, представляющую собой скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса, рабочих валков и т.п.), и скорость деформации, представляющую собой изменение степени деформации ε в единицу времени t .

Скорость деформации ω выражается формулой:

При постоянной скорости, а также для средней скорости:

При обработке давлением на прессах скорость деформирования составляет примерно 0,1–0,5 м/с, а скорость деформации 1–5 сˉ¹. При обработке давлением на молотах скорость деформирования в момент удара достигает 5–10 м/с; при этом весь процесс деформации за один удар длится сотые доли секунды, скорость деформации может достичь 200–250 сˉ¹. При деформировании металлов взрывом имеют место еще более высокие скорости, измеряющиеся сотнями метров в секунду.

В первом приближении можно сказать, что с увеличением скорости деформации сопротивление металла деформированию возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность некоторых магниевых и медных сплавов, а также высоколегированной стали, что объясняется малыми скоростями рекристаллизации.

Скорость деформации при горячей обработке давлением оказывает большее влияние на металл, чем при холодной. Однако при детальном изучении влияния скорости деформации на указанные характеристики это явление носит более сложный характер. Дело в том, что при деформации имеет место тепловой эффект, который при разных скоростях и условиях деформации может быть различным. В некоторых случаях деформации в металле может происходить значительное местное повышение температуры (до 200–300 ˚С), что сразу сказывается на пластичности и сопротивлении его деформированию. Если деформация производится при температурах, близких к максимальным для данного металла, пластичность может значительно снизиться, а сопротивление деформированию возрасти. Если же деформация происходит при температурах, близких к минимальным, то, наоборот, вследствие теплового эффекта пластичность металла повысится, а сопротивление деформированию снизится. Таким образом, нельзя рассматривать изолированно влияние скорости деформации и температуры на механические характеристики металла, так как скорость и температура при обработке давлением тесно связаны друг с другом. Вследствие этой связи принято говорить о температурно-скоростных условиях деформации, т.е. о так называемом термомеханическом режиме обработки давлением.

Контактное трение представляет собой трение, возникающее на поверхности соприкосновения деформирующего инструмента с металлом. Появление при обработке давлением значительных сил трения на контактных поверхностях резко изменяет схему напряжённого состояния и тем самым оказывает существенное влияние на пластичность металла и его сопротивление деформированию. Например, если при осадке цилиндра под плоскими бойками отсутствует контактное трение, то возникает линейная схема напряжений; при наличии же трения имеет место объёмная схема напряжений.

Контактное трение зависит от ряда факторов, к числу которых относятся: состояние поверхности деформирующего инструмента и деформируемого сплава, химический состав сплава, смазка, температура металла и инструмента и скорость деформации. Коэффициент трения при обработке давлением может быть от 0,1 до 0,5. Для снижения коэффициента трения и облегчения условий деформации применяют различные смазки и инструмент с полированной поверхностью. Отметим, что при прокатке трение является полезным фактором, поэтому для лучшего захвата металла создаются условия для повышения коэффициента трения.

Для горячей обработки давлением металл нагревается до определённой температуры и деформируется до тех пор, пока температура его не снизится до такой, при которой дальнейшая деформация окажется невозможной. Таким образом, металл может быть деформирован в строго определённом температурном интервале. Максимальная температура его нагрева называется верхним пределом, а минимальная – нижним. Каждый металл имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением.

Верхний предел температурного интервала t в.п . выбирается таким образом, чтобы не было пережога, интенсивного окисления и обезуглероживания, а также перегрева. При выборе верхнего предела температурного интервала для высокоуглеродистых и легированных сталей необходимо иметь в виду их большую склонность к перегреву. Температура нижнего предела t н.п. должна быть такой, чтобы после деформирования при этой температуре металл не получил упрочнения (наклёпа) и имел бы требуемую величину зерна. Особое значение выбор нижнего предела имеет для легированных сталей и сплавов, не имеющих фазовых и аллотропических превращений, например для аустенитных и ферритных сталей. Конечные свойства этих сталей определяются в основном нижним пределом температурного интервала (поскольку они не подвергаются термической обработке).

Для определения усилий при различных видах обработки металлов давлением необходимо знать напряжённое состояние металла, т.е. уметь находить напряжение, возникающее в каждой точке деформируемого тела в зависимости от действия внешних сил. Помимо того, характер напряжённого состояния сильно влияет и на пластичность металла. Напряжённое состояние тела в самом общем случае может быть полностью определено тремя нормальными и шестью касательными напряжениями, т.е. девятью компонентами напряжений. Если в теле, подверженном действию внешних сил, выделить элементарный параллелепипед, то на гранях этого параллелепипеда, перпендикулярных осям X, Y, Z появляются нормальные напряжения (σ x , σ y , σ z) и касательные напряжения, расположенные в плоскости самих граней (τ xy , τ zx ,τ yx , τ zy , τ yz , τ yx) , как показано на рис. 4.

В условиях равновесия элементарного параллелепипеда имеется попарное равенство составляющих касательных напряжений, то есть τ xy =τ yx , τ zx =τ xz , τ zy =τ yz .

Отсюда следует, что напряжённое состояние любой точки деформируемого тела может быть определено шестью компонентами: тремя нормальными σ x , σ y , σ z и тремя касательным напряжениями τ xy , τ zx , τ zy .

Однако, если оси координат выбрать таким образом, чтобы на площадках, перпендикулярных этим осям, действовали только нормальные напряжения, а касательные напряжения были бы равны нулю, напряжённое состояние может быть установлено, если известны лишь нормальные составляющие напряжения. Такие напряжения называют главными и их обозначают соответственно через σ 1 , σ 2 , σ 3 . При этом σ 1 означает наибольшее по алгебраической величине напряжение, σ 3 – наименьшее и σ 2 – среднее. При решении практических задач одну из главных осей обычно совмещают с направлением действия силы.

Напряженное состояние тела может быть линейным, плоским и объёмным.

Рис. 4. Нормальные и касательные напряжения на гранях элементарного параллелепипеда

При линейном напряжённом состоянии два главных напряжения равны нулю, при плоском – одно из главных напряжений равно нулю, а при объемном – все три главных напряжения отличны от нуля, что представлено на рис. 5. Линейные схемы растяжения и сжатия (ввиду наличия контактного трения на торцах заготовки) при обработке давлением не встречаются. Плоское напряжённое состояние имеет место при некоторых процессах листовой штамповки – гибке, отбортовке и др. В большинстве случаев при обработке давлением металл находится в объёмном напряжённом состоянии. При этом усилия и напряжения, действующие по различным направлениям, могут быть как равными (σ 1 =σ 2 =σ 3 – равномерное напряжённое состояние), так и неравными между собой (σ 1 ≠σ 2 ≠σ 3 – неравномерное напряжённое состояние). Объёмные и плоские схемы, имеющие напряжения одного знака, называются одноимёнными схемами, а схемы, имеющие напряжения разных знаков, – разноимёнными.

Различают схемы всестороннего растяжения, всестороннего сжатия, а также совместного растяжения и сжатия.

При всестороннем равномерном растяжении пластическая деформация невозможна, так как происходит хрупкое разрушение. При всестороннем равномерном сжатии пластическая деформация не произойдет ввиду невозможности сдвигов, так как сдвигающее напряжение здесь равно нулю. При равномерном и неравномерном всестороннем совместном сжатии и растяжении пластическая деформация возможна. Схема с наличием двух сжимающих напряжений наиболее благоприятна с точки зрения меньшей возможность появления хрупкого разрушения металла.

Большинство процессов обработки металлов давлением – прокатка, прессование, ковка и объёмная штамповка – протекают в условиях всестороннего неравномерного сжатия.

Рис. 5. Схемы напряженного деформированного состояния:

а – линейные; б – плоские; в – объёмные

При обычной прокатке имеются условия, при которых σ 1 >σ 2 >σ 3 (по абсолютной величине), при волочении σ 1 >σ 2 =σ 3 , при прессовании σ 2 =σ 3 , σ 1 <σ 2 ; при свободной ковке – осадке цилиндрических образцов σ 1 >σ 2 =σ 3 и т.д.

Более благоприятное протекание процессов обработки металлов давлением в условиях всестороннего неравномерного сжатия объясняется тем, что сжимающие напряжения препятствуют нарушению межкристаллитных связей и способствуют развитию внутрикристаллических сдвигов. Один и тот же металл в одних условиях может оказаться пластичным, в других – хрупким. Изменяя напряжённое состояние деформируемого тела при деформации, можно изменять и пластичность его в широких пределах.

Таким образом, можно установить, что созданием благоприятной схемы напряжённого состояния, а также подбором температуры и скорости деформации можно создать условия, при которых станет возможной пластическая деформация даже хрупких металлов.

Соответственно схемам главных напряжений существуют схемы главных деформаций ε 1 , ε 2 , ε 3 . Схемы главных деформаций представлены на рис. 6.

Рис. 6. Схемы главных деформаций

Деформациям, характеризующим увеличение первоначального размера (удлинение), приписывают знак плюс, а укорочение (сжатия) – знак минус. Деформированное состояние в какой-либо точке тела характеризуется тремя главными деформациями и тремя направлениями главных осей деформаций. Согласно условию постоянства объёма (объём металла при обработке давлением не изменяется), одна из трёх главных действующих деформаций равна сумме двух других и противоположна им по знаку. На основании этого положения имеются всего только три схемы главных деформаций. Из этих трёх схем одна объёмная с двумя деформациями сжатия, другая – объёмная с двумя деформациями растяжения, третья – плоская с деформациями сжатия и растяжения.

Вид схемы главных деформаций так же, как и характер напряжённого состояния, оказывает влияние на пластичность. Наилучшие условия для проявления пластических свойств создаёт объёмная схема деформированного состояния с двумя деформациями сжатия, наихудшие условия – объёмная схема с двумя деформациями растяжения.

Это процесс получения заготовок или деталей к силовым воздействиям инструмента на исходную заготовку из исходного материала в основе всех процессов обработки давлением лежит способность металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться не разрушаясь. Пластическое формирование относится к малоотходной технологии, высокая производительность низкая себестоимость, высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов. Пластическая деформация - это изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Металлы являются поликристаллами. Форма изменения металла при пластической деформации происходит в результате пластической деформации каждого зерна. До деформации форма зерен была округлая. В процессе деформации зерна вытягиваются в направлении действующих сил образуя волокнистую, слоистую структуру, такая ориентация зерен называется текстурой деформации. Чем большая степень деформации, тем больше степень текстуры характер структуры зависит от природы материала и вода деформации. Образование текстуры способствует появлению неоднородности металлических и физических свойств. С увеличением степени деформации прочностные характеристики: твердость, прочность повышается, а пластичные свойства ухудшаются, явление упрочнения деформированного вещества получило название - наклеп. Состояние наклепанного металла не устойчиво, поэтому при нагреве такого металла в нем протекают процессы рекристаллизации обуславливающие возвращением всех свойств к свойствам металла до деформирования. Рекристаллизация - это образование новые зерен. При этом твердость возрастает и плотность снижается. Если нагревать металл, то будет происходить восстановление металла в обратное состояние. Температура, при которой начинается процесс рекристализации называется температурным порогом рекристаллизации. Бывают горячая и холодная деформация. Холодная деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации сопровождается наклепом. При неполной холодной деформации рекристаллизация не проходит. Увеличивается пластичность по сравнению с холодной деформацией. Используется при холодном деформировании с высокими скоростями. Неполная горячая деформация рекристаллизация происходит неполностью. Получается неоднородность структуры, что может привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре не значительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Такую температуру следует избегать при обработке давлением. Горячая деформация называют, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристализованной структуры горячая пластическая деформация улучшает свойства металла, повышается плотность металла завариваются усадочные и газовые раковины.

30) Обработка металлов давлением, классификация видов. Основные способы обработки давлением: 1) Прокатка - обжатие металла вращающимися валками. Изготавливают: листы, рельсы, трубы 2) волочение - протягивание заготовки через отверстие инструмента изготавливают проволоку прутки 3) прессование - выдавливание металла из полости инструмента 4) ковка - последовательная деформация металла под ударами молота. Получают: валы, шестерни с большим диаметром 5) штамповка - процесс деформирования металла в полости штампа. Нагрев металла перед обработкой давлением. Основным назначением нагрева является повышение пластичности обрабатываемого металла, и снижение его сопротивления деформированию от нагрева зависит качество изделий, производительность оборудования и себестоимость продукции. Основные требования к нагреву равномерное прогревание заготовки за минимальное время при наименьшей потере металла на угар. И экономии расхода топлива, несоответствие установленного режима нагрева может привести к дефектам (трещины, перегрев, пережог, окисление, обезуглероживание). Выбор режима нагрева. Температура нагрева скорость нагрева и время нагрева). Зависит от свойств стали формы и размеров заготовки, и направления передачи тепла. Область температур нагрева, в которой рекомендуется производить горячую обработку давлением называют температурным интервалом ковки. Когда пластичность металла наибольшая, он определяется разностью между начальной температуры ковки (ниже температуры плавления) и конечной температуры (выше температуры рекристаллизации). Этот интервал зависит от химического состава и исходного металла. Для повышения пластических свойств металла выгодно нагревать как можно выше. Заканчивать ковку следует при наиболее низкой температуре, при которой деформация еще является горячей и не появляется наклеп. Скорость нагрева металла зависит от теплопроводности формы и размера заготовки температуры печи расположения заготовки в печи. Время нагрева заготовки зависит от температуры в печи химического состава сечения заготовок и их расположения в печи. Печи (мазутные газовые, плавильные) и электрические (контактный и индукционный. При нагреве применяют способы безокислительного нагрева: 1) нагрев в ваннах с расплавленной смесью солей применяется в ограниченные пределах для нагрева мелких заготовок до температуры не выше 1050 градусов 2) нагрев в расплавленной стекломассе до 1300 градусов 3) нагрев в печах заполненные защитным газом.