книги / Металлургические технологии

Для объемного напряженного состояния условие пластичности записывают так (условие пластичности Мизеса):

(Oi - а2)2 + (с2 - а3)2 + (с3 - Oi)2 = 2ат2.

В практике часто используют упрощенное условие пластично­ сти, которое называют условием пластичности Лоде:

oi - о3 = р-ат,

где Р - коэффициент Лоде, который изменяется от 1 до 1,15 в зави­ симости от величины о2-

Из условия пластичности Лоде следует, что при одноименных схемах напряженного состояния, например, при трехосном сжатии, максимальное деформирующее напряжение oi оказывается больше предела текучести материала (ci = Р*от + 03), а при разноименных схемах главное деформирующее напряжение может оказаться даже меньше предела текучести (oi = р-от- а3).

Обобщенное представление о технологических процессах ОМД могут дать механические схемы деформации. Механическая схема деформации (МСД) - это возможная совокупность схем напряженно­ го и деформированного состояний. Всего возможны 23 механические схемы. МСД определяет величину главного усилия, необходимого для реализации процесса, а также технологическую пластичность деформируемого материала. В табл. 16.1 приведены механические схемы основных технологических процессов ОМД.

Таблица 16.1

Механические схемы деформации основных технологических процессов ОМД

Таким образом, прессование является наиболее безопасным ви­ дом ОМД с точки зрения пластичности материала, однако для него требуются самые высокие усилия. Волочение требует минимальных усилий, но при данном виде ОМД значительно возрастает опасность разрушения заготовки (обрыва проволоки, например).

ГЛАВА 17. Технология обработки металлов давлением

17.1. Технологические параметры обработки металлов давлением

К технологическим параметрам, определяющим пластичность материала и его сопротивление деформации при конкретном виде ОМД, относят: температуру деформации (точнее - температурный интервал деформации), степень, скорость и дробность деформации.

17.1.1. Температура деформации

Для того чтобы представить классификацию видов ОМД в зави­ симости от температуры деформации, необходимо ввести понятия «наклеп» и «рекристаллизация» и пояснить их.

Вначале следует отметить, что кристаллические тела не обладают иде­ альной кристаллической структурой, а содержат различного рода «дефек­ ты» - несовершенства кристаллической структуры (вакансии, межузель­ ные атомы, дислокации, границы зерен), возникающие в результате сме­ щения или удаления атомов со своих мест в решетке. Если бы все реальные материалы имели совершенную структуру, они не обладали бы пластично­ стью и не поддавались обработке, необходимой для изготовления деталей.

По геометрическому признаку все дефекты кристаллического строения можно разбить на 4 группы:

1) нуль-мерные (точечные) дефекты. Это такие несовершенства кристаллического строения, размер которых по всем трем непарал­ лельным направлениям сравним с размером атомов. К ним относят вакансии, межузельные атомы, атомы примесей;

2) одномерные (линейные) дефекты. Размер этих дефектов в двух направлениях сравним с размером атомов, а в третьем - много боль-

ше размера атомов. К таким дефектам относят дислокации (рис. 17.1). Дислокации считают наиболее важным видом несовер­ шенств, определяющим механические свойства металлов, и в первую очередь - их прочность и пластичность;

Экстраплоскость

Рис. 17.1. Схема дислокации в кристаллической решетке

3)двумерные (плоские) дефекты. Примером таких дефектов мо­ гут служить границы зерен;

4)трехмерные (объемные) дефекты. Их размер во всех трех на­ правлениях значительно больше размера атомов. Такими дефектами являются чрезвычайно мелкие (дисперсные) частички вторых фаз: карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов.

При наличии дислокаций сдвиг одной части металлического кри­ сталла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных связей, как это происходит в бездефектном идеальном кристалле, а про­ исходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций в пластической деформации кристаллов была выдвинута

всередине 30-х годов прошлого века и лишь через 15-20 лет (после соз­ дания трансмиссионного электронного микроскопа) подтверждена экспе­

риментально. Механизм пластической деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис. 17.2).

в

Рис. 17.2. Схема пластической деформации скольжением дислокаций: а - складка ковра в качестве модели скольжения: АЛ' - начальное по­ ложение, ВВ' - конечное положение; б - перемещение дислокаций при скольжении; в - схема смещений атомов вблизи ядра дислокации при скольжении

Перемещение складки, требующее сравнительно небольших уси­ лий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние происходит без разрыва атомных связей и требует лишь небольшого смещения ато­ мов вблизи ядра дислокации (на расстояние меньше межатомного).

Таким образом, пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием в них дислокаций и зависит от подвижности последних. В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению металлов и сплавов. Движение дислокаций затруд­ няют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристалличе­ ской решетки (например, при увеличении концентрации инородных

атомов), дисперсные включения (частицы второй фазы), а также другие дислокации. Другими словами, четырем основным группам дефектов кристаллического строения можно поставить в соответст­ вие 4 основных механизма упрочнения металлов и сплавов. Упроч­ нение за счет повышения плотности точечных дефектов называют твердорастворным, упрочнение, происходящее в результате повы­ шения плотности линейных дефектов, - дислокационным (или де­ формационным) упрочнением. Повышение прочности, наблюдае­ мое при повышен™ плотности межзеренных границ (при измель­ чении зерен), - зернограничное упрочнение. Наконец, упрочнение за счет образования дисперсных частиц второй фазы - это диспер­ сионное упрочнение.

Зная механизм пластической деформации и факторы, влияющие на подвижность дислокаций, можно предвидеть поведение металлов при различных внешних воздействиях и разрабатывать способы управления свойствами. Так, большинство применяемых на практике способов упрочнения металлов и их сплавов основано на увеличении плотности дислокаций. Чем больше механизмов торможения дисло­ каций реализовано в одном материале, тем выше будет его прочность и ниже пластичность.

Таким образом, любая пластическая деформация является резуль­ татом движения и одновременного генерирования новых дислокаций. У отожженных металлов плотность дислокаций, т.е. суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, равна 106...107 см'2. Дисло­ кации, как и другие несовершенства кристаллического строения, по­ являются в металлах в процессе кристаллизации, а при последующей обработке давлением и термической обработке их плотность и харак­ тер распределения могут существенно меняться.

Наклепом называют упрочнение металлов, происходящее в ре­ зультате пластической деформации во время так называемой холод­ ной обработки давлением (холодная прокатка и листовая штамповка, протяжка, волочение). При холодной пластической деформации из­ меняются не только механические, но и физико-химические свойст­ ва, а также и структура металла - зерна вытягиваются в направлении

главной деформации, вследствие чего металл приобретает волокнистое строение.

металлов от плотности дислока­ пластической деформации происходит

обработка стальной дробью). Однако при холодной обработке давлени­ ем (прокатка, волочение, штамповка) следует учитывать и отрицатель­ ное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформи­ рования затрудняет его дальнейшую обработку.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности дефор­ мироваться холоднодеформированный металл необходимо нагреть. При нагреве металла атомы приобретают повышенную подвижность, уменьшается плотность дефектов кристаллического строения, сни­ маются внутренние напряжения, образуются новые равноосные зер­ на. Это приводит к уменьшению твердости и прочности и к увеличе­ нию пластичности (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Изменение структуры и свойств деформированных металлов при нагреве

Изменения в структуре и свойствах металла зависят от темпера­ туры нагрева. При этом, в процессе нагрева холоднодеформированного металла можно выделить три основных этапа.

1. Возврат. Температура нагрева составляет 0,2...0,4 от темпера­ туры плавления. При таком нагреве инициируется движение точеч­ ных и линейных дефектов. Частично снимаются искажения решетки, что приводит к уменьшению остаточных напряжен™. Волокнистая структура металла, приобретенная в результате холодной пластиче­ ской деформации, сохраняется. Механические свойства изменяются мало, а физико-химические свойства восстанавливаются или, други­ ми словами, возвращаются к тому уровню, который был характерен для металла до холодной пластической деформации.

2. Рекристаллизация. Температура нагрева несколько выше, чем

0,4 от температуры плавления. При таком нагреве инициируется пе­ ремещение не только точечных и линейных, но и плоских дефектов. Волокнистое строение постепенно исчезает и формируется новый комплекс мелких равноосных зерен.

Характеристики прочности при этом снижаются, а характеристи­ ки пластичности повышаются до уровня исходного недеформиро­

ванного металла. В результате появляется возможность дальнейшей пластической деформации металла.

Величина рекристаллизованного зерна зависит от степени пред­ шествующей деформации. Степень деформации, при которой полу­ чается наиболее крупное зерно, называется критической (для боль­ шинства металлов критическая деформация составляет 2...8 %). Крупнозернистый металл имеет, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым. Если по сечению детали деформация различна, то после рекристаллизации будет наблюдаться разнозернистость, которая отрицательно сказывается на механиче­ ских свойствах.

3. Рост зерна (собирательная рекристаллизация). Температура нагрева значительно выше, чем 0,4 от температуры плавления. Зна­ чительное увеличение температуры нагрева относительно темпера­ турного интервала рекристаллизации нежелательно, так как это при­ водит к значительному росту зерна (перегреву). При таком нагреве снижаются не только характеристики прочности, но и характеристи­ ки пластичности.

Температуру рекристаллизации (температурный порог рекристал­ лизации) для различных металлов можно оценить по формуле Бочвара:

^рекр

где а - коэффициент, зависящий от чистоты металла и структуры. Для металлов технической чистоты а = 0,4; для сплавов а = 0,5...0,85 в за­ висимости от структуры.

Итак, рекристаллизация - это изменение структуры и свойств холоднодеформированного металла (снятие наклепа) при его после­ дующем нагреве на температуру выше температурного порога рек­ ристаллизации.

На практике для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг, который заключается в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

вдоль соответствующей оси. Для более точной оценки степени де­ формации используют истинную деформацию по соответствующей

оси е = ]пг о . В инженерных расчетах при величине относительной

деформации менее 0,1 (менее 1,0 %) принимают е = е.

Для количественной оценки величины деформации часто ис­ пользуют коэффициенты деформации:

h

• коэффициент осадки (или коэффициент обжатия), г\ =— , где

к

Ль Ло - соответственно конечная и начальная высота заготовки;

• коэффициент уширения р = — , где Ь0 - соответственно ко­

нечная и начальная ширина заготовки;

• коэффициент вытяжки X = —, где /ь /0 - соответственно конеч- /п

ная и начальная длина заготовки.

Как правило, при заданной температуре с повышением степени де­ формации сопротивление деформации увеличивается. Поскольку в ходе деформации температура заготовки будет неизбежно снижаться, начи­ нают деформирование заготовки с максимальными степенями дефор­ мации, а в течение процесса степень деформации постепенно снижают.

струмента (молота или бойка пресса). Этот параметр еще называют скоростью деформирования. Поэтому скорость деформации в дан-