Материал: Теория обработки металлов давлением. Часть I. Физические основы пластической деформации металлов. Цеханов Ю.А., Иванов А.В

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

университет

Ю.А. Цеханов А.В. Иванов

ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ.

Часть I. Физические основы пластической деформации металлов

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

В оронеж 2003

УДК 621.73

Цеханов Ю.А., Иванов А.В. Теория обработки металлов давлением. Часть I. Физические основы пластической деформации металлов: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2003 101 с.

В учебном пособии рассмотрены физические явления, происходящие в металлах в результате пластической деформации. Дается оценка и рекомендации к управлению этими явлениями при обработке металлов давлением.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле ТОМД.doc.

Ил. 56. Библиогр.: 4 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.М. Пачевский

Рецензенты: кафедра «Технической механики»

Воронежской государственной

технологической академии,

д-р техн. наук, проф. А.Н. Осинцев

 Цеханов Ю.А., Иванов А.В., 2003

 Воронежский государственный

технический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Практическая необходимость использования обработки металлов давлением возникает, как правило, в двух случаях:

1. Обеспечить улучшение структуры металла (слитка) путем проковки или прокатки, когда разрушается дендритные кристаллические строения металла, возникшие при остывании жидкого металла.

2. Обеспечить заданную форму заготовки путем ковки или штамповки.

Более ¾ веса выплавляемой в стране стали, подвергается прокатке. Таким путем получают не только готовые изделия, - рельсы, балки, но и разнообразные заготовки для других видов обработки.

1. Строение металлов

М еталлы за исключением особых случаев их обработки имеют кристаллическое строение, которое характеризуется закономерным и периодичным расположением атомов в пространстве.

В общем случае строение кристалла (рис. 1.1) можно представить в виде пространственной трехмерной сетки, в узлах которой расположены атомы.

Параллелограмм АБВГДЖЗ – элементарная ячейка кристаллической решетки, а структура кристалла образуется огромным количеством таких ячеек.

Б ольшинство металлов, применяемых в технике, имеет кристаллические решетки следующих типов (рис. 1.2):

– кубическая объемно-центрированная (хром, вольфрам, молибден и др.).

– кубическая гранецентрированная (алюминий, медь, свинец, никель и др.).

– гексагональная плотноупакованная (магний, цинк, кобальт и др.).

Рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов

Для определения плоскостей, которые можно провести в элементарных ячейках пространственных решеток, принята система индикации.

Для решеток кубического типа – это три числа в круглых скобках, для гексагональных решеток – четыре числа (рис. 1.3).

В заимное расположение атомов на различных, кристаллографических плоскостях различно, а также различна и величина межатомных расстояний, от чего зависит силовое взаимодействие между атомами.

П

Рис. 1.3. Схема индикации плоскостей кристаллической

Решетки

Сложенное кристаллическое строение имеют слитки, полученные при разливке жидкого металла и медленном охлаждении. На (рис. 1.4) представлен продольный шлиф 500 кг слитка из углеродистой стали. Хорошо видна структурная неоднородность слитка по всему сечению, что вызвано различными условиями кристаллизации металла по мере его остывания.

Рис. 1.4 Структура слитка из среднеуглеродистой стали

Около ¹/₃ стали подвергается кузнечно-штамповочной обработке.

Возможность обработки давлением определяется тем, что обрабатываемый металл обладает пластичностью, то есть способностью формоизменяться под влиянием внешних сил без разрушения.

При этом в самом металле будут происходить такие физические процессы, которые могут привести к значительным изменениям физико-механических свойств металла до и после пластической деформации.

Смысл теории обработки металлов давлением (ТОМД) состоит в разработке основ рационального построения и анализа технологии всех процессов.

В задачи ТОМД входит:

1. Определение условий, обеспечивающих наивысшую пластичность металла, то есть возможность максимальной деформации за один переход.

2. Получение изделий с наилучшим сочетанием физико-механических свойств.

3. Выполнение обработки при наименьших усилиях и расходе энергии.

В соответствии с этими задачами ТОМД развиваются в двух направлениях:

1) Механико-математическое - изучает напряжения и деформации в пластически деформируемом теле, условия перехода упругой деформации в пластическую.

Эта часть ТОМД основывается на теории упругости, частично знакомой вам по сопромату. Однако математическое описание пластической деформации встречает значительные трудности в связи с тем, что реальные тела не отвечают условиям однородности и изотропности. Поэтому одно механико-математическое направление ТОМД не может объяснить всех явлений, происходящих в деформируемом теле.

В связи с этим развивается так же физико-химическое направление ТОМД, дополняющее прикладную теорию пластичности.

Физико-химическое направление ТОМД изучает:

а) механизм пластической деформации с учетом изотропности, которая является следствием кристаллического строения металла.

б) влияние на процессы пластического деформирования температуры, скорости, степени деформации.

в) связь химического состава и фазового состояния с процессом пластической деформации, их влияние на сопротивление металла деформации.

Эти два направления развиваются параллельно и взаимосвязано. Причем первое направление – теоретическое, а второе экспериментальное.

Основы ТОМД как науки были заложены Ломоносовым М.В. и Черновым Д.К. Наиболее существенное развитее, вызванное бурным развитием машиностроения, она получила в 20-е годы прошлого столетия.

Большой вклад в ТОМД сделали российские ученые – Ильюшин А.А., Соколовский Н.Н., Христианович С.А., Губкин С.И., Смирнов – Алеев Т.А., Павлов И.М., Унксов Е.П., Томленов А.Д., Шофман А.А.

За рубежом известны труды таких ученых, как Сен-Венан, Генки, Мизес, Надаи, Карман, Хилл и др.

В соответствии с указанными направлениями развития ТОМД в нашем курсе будут изучаться:

1. Физическая и физико-химическая теория пластической деформации.

2. Основы напряженного и деформированного состояния и условия перехода в пластическое состояние.

3. Методы определения усилий и расхода работы при ОМД.

4. Определение усилий и работы деформации в основных процессах ковки и штамповки.

Рис. 1.5. Структура слитка после проковки

Осевая зона состоит из крупных равноосных зерен, здесь же находятся V-образные зоны ликвации – зоны, вызванные различной растворимостью элементов в стали. Имеется зона мелких кристаллов – по наружной поверхности слитка, далее зона столбчатых дендритов, за ними следуют крупные равноосные разориентированные дендриты. Дендриты – это монокристаллы, процесс формообразования которых определялся в первую очередь наличием температурного градиента на поверхности затвердевания. Черные области в осевой части слитка – микрораковины, вызванные ликвацией.

Добиться однородной структуры по всей зоне слитка, раздробить дендритную сетку, заварить раковины, измельчить крупные зерна можно только подвергнув слиток проковке со значительной степенью обжатия (рис. 1.5).

Металлы и сплавы, полученные такими способами, имеют поликристаллическую структуру, то есть конгломерат кристаллов (зерен), форма, размеры и направление кристаллографических осей которых неупорядочены. Таким образом, технический металл представляет собой поликристалл. Вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки зерен поликристалл имеет одинаковые свойства в различных направлениях, то есть изотропен.

2. ПОНЯТИЯ ОБ УПРУГОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Если к металлу приложить внешние силы, то металл начнет деформироваться. При этом необходимо различать упругую и пластическую деформацию.

Если после снятия внешних сил форма и размеры не восстанавливаются, то деформация пластическая.

Сущность упругой деформации в том, что между атомами действуют взаимно уравновешенные электростатические силы притягивания и отталкивания и в свободном состоянии тела эти силы уравновешены. Наложение внешней силы смещает атомы до того положения, которое обеспечивает противодействие внешней нагрузке. Величина отклонения не превышает расстояния между соседними атомами, но изменение межатомных расстояний ведет к изменению объема, который после снятия нагрузки восстанавливается. Упругое изменение объема обычно характеризуется коэффициентом Пуассона (рис. 2.1).

, где ;

Для металлов μ = 0,25 ÷ 0,45

Пластическая деформация осуществляется за счет относительного смешения атомов на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке. При пластической деформации общая деформация, вызванная приложенными к телу силами, содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформирующих сил. Пластическая деформация не только изменяет форму тела, но и оказывает влияние на физико-механические характеристики вещества.

Реологическое поведение вещества зависит от его химического состава и структуры. Большую роль при этом играют фазовое состояние и степень нарушения равновесного состояния вещества. Эти вопросы выходят из компетенции как механического, так и физического направления науки о пластичности. Однако без анализа реологического поведения вещества, основанного на рассмотрении указанных факторов, нельзя решить важнейшие задачи в области пластичности. При изучении упругой деформации мы условно принимаем среду однородной и изотропной, а главное не изменяющей своих свойств в процессе деформации. Эти допущения неприемлемы при пластической деформации, так как основной особенностью пластической деформации является непрерывное изменение физических и физико-химических свойств деформирующего вещества. Вот почему пластическая деформация стала объектом изучения не только механиков и физиков, но и химиков. Начало физико-химического направления науки о пластичности было положено Н.С. Курнаковым и его школой.

В своем замечательном труде «Введение в физико-химический анализ» Курнаков [1] пишет: «Основная задача физико-химического анализа – изменение свойств при последовательном изменении состава равновесной системы, результатом чего является графическое построение диаграммы «состав-свойство».

К методам физико-химического анализа Курнаков относит: 1) термические методы, 2) наблюдение за временем превращений, 3)электрический анализ, 4) оптический анализ, 5) металлографию и рентгенографию, 7) волюметрический анализ, 8) анализ молекулярного сцепления, 9) магнитный анализ, 10) тензометрический анализ.

Метод молекулярного сцепления, согласно Курнакову, включает изучение: внутреннего трения, твердости, давления истечения, модуля упругих деформаций, времени релаксации и поверхностного натяжения.

Этот метод широко применен при проведении научных исследований в области физико-химического анализа и в настоящее время уже претендует на некоторую самостоятельность в общем, комплексе химических дисциплин.

Объясняется это следующим. Свойства вещества, обусловленные силами молекулярного сцепления, называются механическими свойствами. Построение диаграммы «механические свойства – состав» имеет исключительно важное значение для выяснения закономерностей, управляющих свойствами аморфного и кристаллического вещества, и для более полного понимания явлений, происходящих в аморфном и кристаллическом веществе.

Модели упругости и коэффициент Пуассона описывают поведение упругих тел, приведенных в пластическое состояние. Последнее возникает в аморфном и кристаллическом веществе при определенных условиях и связано с изменением его свойств и структуры.

Механические свойства, описывающие пластическое состояние вещества, дают представление о его прочности, способности к необратимому изменению формы и о характере изменения свойств в результате пластической деформации. Изучение механических свойств вещества представляет не только научный, но и большой практический интерес. Химический же состав вещества оказывает решающее влияние, как на структуру вещества, так и на механические свойств и характер их изменения в процессе пластической деформации. Выясняя влияние химического состава, мы подходим к решению одного из ведущих вопросов современной химии и физики, который заключается выяснении закономерностей, управляющих механическими свойствами вещества.