книги из ГПНТБ / Дзугутов, М. Я. Напряжения и разрывы при обработке металлов давлением

К третьей группе относятся так называемые внеш­ ние (или механические) факторы деформации Ф а, ха ­ рактеризующие внешние условия, создаваемые при де­ формировании тела и в том числе:

а) напряженность состояния тела фп.с, которая в свою очередь зависит от величины внешнего трения, формы деформирующего инструмента и др.;

б) неравномерность деформации, обусловливающая возникновение дополнительных напряжений в деформи­ руемом теле 0р.д;

в) дробность деформации, с увеличением которой в

. или

D = f (д6т, фСш„, фх, фс.с, фч, фр, фф, фи.с, фл.я, фр.я, фс.я).

Как видно из выражения, пластичность материала является лишь одним из факторов, определяющих де­ формируемость тела.

Очевидно, что факторы Фг и Фа ответственны за воз­ никновение в деформируемом теле дополнительных на­ пряжений первого рода (растягивающих и скалываю­ щих), могущих обусловливать нарушение сплошности путем отрыва или среза тогда, как фактор пластичности материала Ф„ предопределяет способность материала тела подвергаться пластической деформации под дейст­ вием этих напряжений без нарушения сплошности тела. Чем выше пластичность материала, тем более возможно пластическое течение его под действием дополнитель­ ных напряжений, тем менее возможно возрастание на­ пряжений до величины сопротивления отрыву 5 0т или

пластичность материала, тем больше величина дефор­ мации, которой можно* подвергнуть тело в данных ус­

20

ловиях до начала образования трещин ет, тем выше де­ формируемость тела. Это можно видеть из данных, при­ веденных в табл. 1

Т а б л и ц а 1. ЗАВИСИМОСТЬ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ (КОВКОСТИ) СЛИТКОВ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ ОТ ИХ РАЗМЕРОВ ф И ПЛАСТИЧНОСТИ (НОМЕРА ГРУППЫ)

В ней приводятся средние данные деформируемости слитков разного диаметра, с различными значениями

фр и Фп. При этом пластичность сплавов снижается по мере увеличения номера группы. Оценка деформируемо­ сти дается по пятибалльной шкале, описанной в работе

показана на рис. 3.

Влияние дробности деформации фд.д на деформируе­ мость тела подробно рассмотрено в работе [2, с. 124]. Показано положительное влияние на деформируемость тела из сложнолегироваш-юго сплава увеличения дроб­ ности деформация. Схематически такая зависимость по­ казана на рис. 4.

21

Влияние скорости деформации ф0.д на деформируе­ мость тела не однозначно. У сталей и сплавов, обладаю­

пониженную пластичность П П 4, повышение скорости де­ формирования чаще приводит к улучшению деформиру­ емости и увеличению ет. Это объясняется тем, что по мере увеличения скорости деформирования увеличпва-

ется доля внутризеренной деформации и соответственно

22

Уменьшение ет и ухудшение деформируемости тела, при увеличении его размеров, хорошо известно на прак­ тике. Поэтому существуют предельные размеры слитков, заготовок и поковок, которые могут успешно деформи­ роваться из данной стали или сплава при постоянном значении Фп и Фв. П о мере снижения Фп снижаются со­ ответственно эти предельные значения фр. Снижение размера тела при про­ чих равных условиях способствует улучше­ нию его деформируе­ мости и увеличению ет-

Приведенные в табл. 1 и на рис. 2 данные позволя­ ют видеть постепенное снижение деформируемости слит­ ков (в баллах) для каждого сплава по мере увеличения диаметра слитка от 160 до 430 мм. Пропуски (тире) означают, что из данного сплава слитки указанного раз­ мера в данных условиях не могут успешно деформиро­ ваться. Снижение деформируемости слитков при возрас­ тании фр для сплавов I, II п III групп показано иа рис. 6.

Таким образом, изменяя размеры тела, при прочих равных условиях, можно улучшать или ухудшать его деформируемость. Эту зависимость использовали для решения важной для производства технологической за­ дачи — определения размеров сечения заготовок, на ко­ торые следует ковать слитки разного сечения (массой 200, 310, 550, 850 и 1200 кг) стали Р18, в первом пере­ деле, т. е. определения ет. Для этого слитки массой 200, 310, 550, 850 и 1200 кг стали Р18 после отжига и уда­ ления поверхностных дефектов нагревали по принятому режиму. Деформирование их производили в плоских

23

бойках, на молотах с массой падающих частей Зт (слит­ ки 200 и 310 кг) и 7 т (для остальных слитков). Вели­ чина применяемых подач была равной 0,7. Ковку про­ изводили на заготовку квадратного сечения до возник­ новения первых поверхностных разрывов. Было проковано по 25 слитков каждого размера. Полученные данные позволили определить экспериментально размер сечения квадратной заготовки, на который можно ковать в первом переделе слитки данной массы без образова­ ния грубых поверхностных разрывов, а также величину укова для этих заготовок, соответствующего ет. П олу­ ченные данные приводятся в табл. 2*.

Т а б л а ц а 2. ЗАВИСИМОСТЬ ДОПУСТИМОГО УКОВА СЛИТКОВ

Затем для слитков разной массы при ковке их в пер­ вом переделе на заготовки проводили проверку соответ­ ствия экспериментально полученного значения ет=/(ф р) теоретически установленному С . И . Губкиным [6, 7] критерию Fnii/V, учитывая, что

ет = f ( 0 P и F J V = Ң ф р).

При этом в качестве F mi принимали поверхность кон­ такта той части конечной заготовки с уковом, равным 8т, которая заключалась в очаге деформации при пода­ че, равной 0,7, а в качестве V — объем этой части заго­ товки.

В табл. 2 приводятся результаты расчета jFnK и V для заготовок, полученных из слитков разного сечения (массы) с уковом, равным ет.

* Исследования выполнены совместно с ІО. В. Виноградовым.

24

совпадении этих зависимостей, а также о том, что раз­ мер сечения заготовки для каждого слитка, на которую

Создание подобных условий деформирования, а так­ же моделирование технологических процессов при пла­ стической деформации должны производиться с учетом этого важнейшего критерия С. И . Губкина.

Сопротивление деформации

Прочность современных труднодеформируемых спла­ вов в области температур горячей обработки весьма значительна (см. табл. 3) и в ряде случаев приближа­ ется к прочности незакаленного деформирующего инст­ румента. В процессе ковки таких сплавов уменьшается степень деформации заготовки за каждое частное об­ жатие, уменьшается рабочий ход бойка, возрастает «жесткость» удара бойка и деформация рабочей части деформирующего инструмента. Поэтому при ковке труд-

25

'нодеформируемых сталей и сплавов образовались каче­ ственно новые условия, характеризующиеся значитель­ ным снижением стойкости ковочных бойков (молотовых II прессовых) и штампов. Стойкость бойков из стали 5ХН М при ковке слитков из сплавов третьей группы снижена в 3— 5 раз в сравнении со стойкостью при ков­ ке обычных нержавеющих сталей аустенитного класса или быстрорежущей стали и в ряде случаев составляет лишь 5— 8 ч. При ковке сутунки из сплавов второй и третьей групп стойкость бойков снижена еще значитель­ нее и составляет всего 2— 5 ч. При ковке слитков и за­ готовок сплавов второй, третьей и четвертой групп стой­ кость штоков сокращается в 3— 5 раз в сравнении со стойкостью при ковке, например, быстрорежущей стали. Также резко снижена стойкость молотовых баб и верх­ ней части шабота.

Та б л и ц а 3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ

ИСПЛАВОВ ГРУПП І-Ѵ ПРИ КОМНАТНОЙ

ИВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Ударное приложение внешней силы повышает и без того высокое сопротивление деформации и ухудшает де­ формируемость изделий из труднодеформируемых спла­ вов. Поэтому ковка изделий из высокопрочных сплавов на молотах не обеспечивает в ряде случаев их нормаль­ ную деформируемость.

Ковка (протяжка) сплавов на ковочных прессах име­ ет преимущество в сравнении с ковкой на молотах. Бла­ годаря малой скорости приложения внешней силы стой­ кость инструмента и долговечность оборудования не снижаются столь значительно, как в случае ковки на молотах, а применение круглых вырезных бойков обес­ печивает более благоприятное напряженное состояние деформируемого металла и уменьшение поверхностных растягивающих напряжений. Однако такая ковка часто

26

ие может быть применена вследствие более быстрого охлаждения деформируемого металла из-за низкой ско­ рости деформации на прессе и вследствие малого разо­ грева металла деформацией. Минимальное сечение за­ готовки, которую можно удовлетворительно проковать на прессе, уменьшается с увеличением числа рабочих ходов пресса. Поэтому ковка высокопрочных сплавов на обычных гидравлических прессах с небольшим количе­ ством рабочих ходов (до 20— 25 ходов в минуту) может быть успешно применена лишь для получения относи­ тельно крупных поковок или заготовок, а с уменьшени­ ем их сечения необходимы более быстроходные прессы.

С точки зрения создания более благоприятных усло­ вий деформирования (протяжки) сплавов с высоким со­ противлением деформации значительными преимущест­ вами в сравнении с ковкой — протяжкой на молоте об­ ладает прокатка. Она позволяет устранить недостатки, свойственные ковке иа молотах. При достаточном за­ пасе прочности деталей стана и высоком отношении диа­ метра валка D к высоте прокатываемой заготовки h задача последней в валки сопровождается плавно нара­ стающим обжатием, меньшими ударами на валки и ста­ нину, чем на молот. В период установившегося процес­ са прокатки деформирование заготовки протекает при постоянном давлении. Относительно плавно заканчива­ ется и выход ее из валков. При прокатке обеспечивает­ ся более равномерная деформация по сечению и длине прутка.

Сравнение двух способов протяжки высокопрочных сталей и сплавов позволяет сделать вывод о преимуще­ стве способа деформирования прокаткой. Преимущество этого способа тем значительнее, чем выше сопротивле­ ние металла деформации, особенно с точки зрения про­ изводительности и экономичности. Преимущества про­ катки еще значительнее при изготовлении сутунки. В то время как ковка сутунки из высокопрочных сплавов ма­ лопроизводительна и приводит к преждевременному разрушению молотов, получение такой сутунки прокат­ кой на мощном стане при достаточном отношении D/h достигается с высокой производительностью.

Таким образом, для серийного производства прокат­ ка на станах с достаточным запасом прочности и высо­ ким отношением D/h является, со всех точек зрения, более целесообразным (в сравнении с ковкой на моло­

27

тах) способом получения сортового металла малого и среднего сечения, а также сутунки.

Повышение скорости деформации и особенно удар­ ное приложение внешней силы, как это происходит при ковке на молоте, увеличивает неравномерность дефор­ мации металла, а также повышает величину упругих напряжений, возникающих в нем в момент удара бойка. В зависимости от характера напряжений в деформируе­ мом теле могут образовываться внутренние разрывы в тем большей степени, чем холоднее поверхностная зона тела по сравнению с внутренней зоной, которая была подвергнута деформационному разогреву или перегре­ ву. Наконец, для большинства труднодеформнруемых сталей и сплавов ударное приложение внешней силы и повышенная скорость деформации обусловливают ухуд­ шение деформируемости изделий.

Температурный интервал деформации

По мере повышения степени легирования твердого раствора повышается температура рекристаллизации сплавов и их механического упрочнения. У стареющих

Рис. 8. Температурный интервал пластической деформации в зависимо­ сти от степени легирования труднодеформнруемых сплавов (схема)

28

сталей и сплавов повышается температура начала упроч­ нения за счет выделения упрочняющей фазы при охлаж ­ дении с высоких температур (при горячей деформации или термической обработке), при этом наличие механи­ ческого упрочнения дополнительно ускоряет процесс старения. Кроме того, методически понижается темпе­ ратура перегрева или оплавления избыточных структур­ ных составляющих сплавов, а также допустимая темпе­ ратура нагрева под ковку или прокатку.

Эти изменения приводят к сужению температурного интервала ковки и прокатки труднодеформируемых сплавов (рис. 8). Существуют сплавы, у которых тем­ пературный интервал горячей обработки не превышает 60— 80 град. Для улучшения деформируемости таких малопластичных труднодеформируемых сплавов в усло­ виях металлургического завода целесообразно:

а) снижать размеры применяемого слитка до преде­ ла, обеспечивающего получение лишь минимально не­ обходимого укова, величина которого для литой струк­ туры должна составлять 3— 5;

б) увеличивать количество промежуточных подогре­ вов и уменьшать степень деформации за каждый вынос и единичные (частные) обжатия;

в) применять профильные бойки при ковке и более «мягкие» калибровки при прокатке (круг — круг, круг — квадрат, овал — круг) с оптимальными степенями де­ формации;

г) производить деформацию в более узком интервале температур максимальной пластичности металла.

Д ля преодоления низкой пластичности труднодефор­ мируемых сплавов важен правильный выбор деформи­ рующего агрегата (молот, пресс, прокатный стан).

При продольной прокатке достигается относительно высокая, в сравнении с ковкой, однородность деформа­ ции по сечению и длине, устраняется значительная ло­ кализация скалывающих напряжений, создаются условия для получения более однородной структуры. Вме­ сте с тем продольной прокатке также свойственны не­ достатки: а) возникновние более значительных, чем при ковке, поверхностных продольных растягивающих на­ пряжений в неконтактируемых зонах; б) возникновение внутренних осевых растягивающих напряжений при ма­ лых (менее критических) отношениях Dili. Однако устра­ нение поверхностных продольных растягивающих на­

29