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

Указанные явления свойственны рекристаллизации обработки.

Отжиг деформированного металла при температуре (0,8 ÷ 0,9) Т_пл в течение достаточно длительного времени приводит к собирательной рекристаллизации, в результате которой зерна соединяются и их размер возрастает (отжиг – нагрев и охлаждение с печью).

Как правило, отжиг устраняет текстуру деформации после холодной обработки металла, однако это происходит не всегда и может возникнуть текстура рекристаллизации – когда кристаллографические оси рекристаллизованных равноосных зерен имеют преимущественную ориентировку в пространстве. Наличие текстуры рекристаллизации приводит к анизотропии механических свойств в металле после отжига, что может проявиться при последующих операциях обработки давлением (фестоны при вытяжке).

7. Виды деформации при обработки давлением

В зависимости от условий, в которых ведется обработка металла давлением в его структуре происходят упрочняющие и разупрочняющие процессы.

Интенсивность преобладания одного процесса над другим количественно может быть оценена соотношением , то есть предела прочности над пределом текучести.

Различают 4 вида деформации.

1) Горячая деформация. Процесс пластической деформации с полным разупрочнением, когда рекристаллизация успевает произойти полностью. Процесс идет при условиях, когда 0,5 Т_пл < Т < 1,0 Т_пл при этом .

2) Неполная горячая деформация. Процесс идет с неполным разупрочнением. После окончания обработки в металле можно наблюдать рекристаллизованную микроструктуру с равноосными зернами и нерекристаллизованную с вытянутыми зернами. Температурные условия соответствуют соотношению 0,5 Т_пл < Т < 0,7 Т_пл и при этом . Такой вид деформации следует избегать, т.к. металл имеет значительные остаточные напряжения.

3) Неполная холодная деформация. Процесс идет с неполным упрочнением, т.к. рекристаллизация отсутствует, но успевает произойти возврат. Температурные условия: 0,3 Т_пл < Т < 0,5 Т_пл при этом . Металл после обработки может иметь текстуру деформации.

4) Холодная деформация. Процесс идет с полным упрочнением. Рекристаллизация и возврат отсутствуют (Т < 0,3 Т_пл ; ). Металл имеет резко выраженную текстуру деформации.

8. Влияние температуры на пластические свойства металла

Влияние температуры может быть представлено диаграммой пластичности (на примере углеродистой стали) рис. 8.1. Повышение температуры увеличивает пластичность и снижает сопротивление деформации.

П ри t ≈ 300º наблюдается повышение δ_В и снижение δ, что для сталей объясняют процессом старения и выпадением карбидов по плоскостям скольжения.

Эффект используют при резке проката на заготовки, т.к. повышенная хрупкость улучшает качество поверхности среза.

Общим положением для металлов является то, что наибольшую пластичность они имеют при температурах рекристаллизации. При температурах горячего деформирования помимо увеличения подвижности атомов уменьшается прочность межкристаллитных прослоек, за счет подвижности атомов образующиеся трещины обладают способностью залечиваться.

9. Преимущества и недостатки горячей обработки давлением

Горячая обработка металла давлением имеет широкое распространение.

Слитки металлов и сплавов из-за крупнозернистой структуры, ликвационных зон и других структурных несовершенств могут быть обработаны только горячим способом. При этом можно применять большие обжатия и вести обработку с высокой производительностью.

10. Скорость деформации. Влияние скорости деформации на пластичность металлов

Различают скорость деформирования и скорость деформации.

Скорость деформирования – определяется скоростью движения обрабатывающего инструмента.

Скорость деформации характеризует скорость течения металла и определяется как приращение степени деформации за единицу времени.

(10.1)

Можно показать, что при одной и той же скорости деформирования скорости деформации будут различны.

Допустим, производится осадка образцов разной высоты, но с одинаковой скоростью (10.1).

За единицу времени образцы меняют размер на одинаковою величину – ∆l, тогда после деформирования размеры будут:

l₁ – ∆l и l₂ – ∆l (10.2)

Степень деформации будет

и (10.3)

Откуда ясно, что

ε₁ < ε₂

и тогда скорость

(10.4)

Диапазон скоростей деформирования для наиболее широко применяемых видов оборудования в обработке металлов давлением лежит в пределах от 0,1 м/сек до 10 м/сек.

Штамповка на гидропрессах идет обычно со скоростью 0,1 0,3 м/сек.

На кривошипных прессах V=0,2 0,6 м/сек

На винтовых прессах V=0,5 2 м/сек

На молотах V=5 10 м/с

Влияние скорости деформирования на поведение металла при штамповке определяется многими факторами такими как: температурный режим обработки, тепловыделение, изменение сил внешнего трения. Действуя в совокупности эти факторы, влияют на сопротивление деформированию металла.

Рассмотрим зависимости этих параметров от скорости инструмента (рис. 10.2, 10.3, 10.4, 10.5).

Рис 10.2. Зависимость тепловыделения от скорости деформирования

Рис 10.2. Зависимость тепловыделения от скорости деформирования

Рис 10.2. Зависимость тепловыделения от скорости деформирования

Снижение сопротивления деформирования при нагреве позволяет уменьшить потребные усилия и мощность при выполнении операции формоизменения.

При холодной обработке давлением металл энергично упрочняется и в конце концов дальнейшая деформация становится невозможной из-за опасности разрушения. Металл, подвергнутый наклепу, необходимо отжечь. При горячей обработке давлением отжиг не требуется, т.к. упрочнение и разупрочнение происходят с одинаковой скоростью. Отжиг металла совершается в процессе самой деформации, поэтому пластичность остается неизменной.

Горячая обработка производится в интервале температур, при которых может происходить значительный рост зерен, что ухудшает свойства изделия. Для получения мелкого зерна металл необходимо обрабатывать при высоких, а заканчивать при низких температурах, и чтобы деформация на последней стадии была как можно больше. Если же обработка заканчивается при высокой температуре, а обжатие невелико, то в результате рекристаллизации будут получены зерна больших размеров.

Как уже отмечалось выше в результате деформирования литой структуры металл при горячей обработке давлением приобретает волокнистую структуру. При этом прочность металла в направлении волокон возрастает. Сознательно учитывая явления, проходящие при горячей обработке и управляя ими можно обеспечивать такие условия деформирования, при которых полученная деталь будет обладать наилучшими служебными качествами. На (рис. 9.1) показан полученный горячей ковкой соединительный крюк железнодорожного вагона из среднеуглеродистой стали. На (рис. 9.2) показан болт, полученный высадкой из кованного прутка. Одна из гаек болта откована, а другая выточена из пруткового проката.

При горячей обработке изделий небольшого сечения поддерживать у металла заданную температуру сложно. Это относится к тонким листам, проволоке и т.д. Обычно горячую обработку не применяют для изделий, толщина или диаметр которых меньше 2 ÷ 3 мм.

При нагреве до ковочных температур, если не созданы специальные условия защиты, на поверхности металла образуется окалина. Попадание окалины в тело поковки приводит к неисправимому браку, поэтому перед штамповкой в ручьях штампа, обычно назначают предварительную операцию (осадку), когда окалина осыпается и её сдувают сжатым воздухом. Образование окалины – это невосполнимые потери металла до 3 ÷ 4 %. Поверхность металла после горячей обработки низкого качества, покрыта окисной пленкой, которая снижает стойкость режущего инструмента при последующей механической обработке. Для очищения поверхности поковок применяют травление или дробеструйную обработку.

Кроме попадания в тело поковки твердых частиц окалины в процессе горячей деформации, когда металл приобретает высокую пластичность, следует правильно распределять смещаемые объемы металла во избежание зажима или заката (рис. 9.3).

Рис 10.2. Зависимость тепловыделения от скорости деформирования

Рис 10.3. Влияние скорости на внешние трения

Рис 10.4. Изменение сопротивления деформации

От скорости

Рис 10.5. Влияние скорости на сопротивление

Деформации при осадке

Таким образом, в одних случаях действие скоростного фактора совместно с другими приводит к повышению сопротивления деформации (осадка), а в других к снижению (затекание металла в тонкие полости). Этими общими положениями можно руководствоваться при выборе метода штамповки и оборудования. Так для штамповки турбинных лопаток, лезвийного инструмента и т.д. наиболее рационально применять молоты или винтовые прессы.

11. Сверхпластичность

Сверхпластичность - способность металлов равномерно деформироваться на сотни и тысячи процентов без разрушения. Это явление было открыто советским металлофизиком Бачваром А.А. В 1946 г. при экспериментах с эвтектическими сплавами (80 %Zn и

20 %Al) – т.е. сплавов представляющих собой смесь кристаллов различных фаз, когда мелкие округлые зерна одной фазы находятся в твердом растворе другой фазы, т.е. имеется сравнительно толстая межзеренная прослойка. Исследования показали, что определенную роль в механизме сверхпластичности таких сплавов играют процессы деформации межфазовых или межзеренных границ. При этом очень точно должен выдерживаться температурно-скоростной режим обработки (скорость – 10^-4-10^-1 1/с). Наличие межзеренных прослоек, малых размеров зерен в сочетании с увеличением подвижности атомов в результате нагрева приводят к облегчению межкриссталлимной деформации. Мелкие округлые зерна как бы перекатываются в массе толстых межзеренных прослоек в которых из-за определенной температуры, происходят превращения близкие к эффекту плавления (полиморфные превращения).

Соотношения между скоростью и температурой для каждого конкретного сплава должны быть таковы, чтобы скорости процесса упрочнения и разупрочнения были одинаковы. В условиях сверхпластичности зависимость напряжения текучести почти не зависит от величины деформации, т.е. течение металла идет с постоянной нагрузкой. Очень низкая скорость деформирования ограничивает производительность технологических процессов основанных на сверхпластичности и в настоящее время они используются в специальном производстве, например, приборостроении, авиационной промышленности.