Понятие о механизме пластического деформирования при обработке давлением

Формообразование обработкой давлением основано на способности за­готовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разру­шения под действием внешних сил. Обработка давлением — один из про­грессивных, экономичных и высокопроизводительных способов производст­ва заготовок в машино- и приборостроении. Почти 90% всей выплавляемой стали и 60% цветных металлов и сплавов подвергают тем или иным спосо­бам обработки давлением — прокатке, прессованию, волочению, ковке, объ­емной или листовой штамповке.

Обработкой давлением могут быть получены заготовки или детали из материалов, обладающих пластичностью, т. е. способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил. Нарушение сплошности строения материала деформируемой заготовки в большинстве случаев недопустимо и приводит к браку.

Установлено, что в монокристаллах пластическая деформация происхо­дит под действием касательных напряжений, вызывающих скольжение ато­марных плоскостей друг относительно друга — явление сдвига. Плоскости скольжения характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов в направ­лениях, по которым межатомные расстояния минимальны. Поэтому сдвиг атомов в этих плоскостях приводит к минимальным нарушениям правильно­сти их расположения, а следовательно, смещение может быть осуществлено при наименьших напряжениях. Чем больше таких плоскостей в кристалли-

тах, тем более пластичен металл. Одной из главных причин, определяющих плоскости скольжения, является наличие в них дислокаций. Перемещаясь под действием сил вдоль плоскости скольжения последовательно за счет единичных перемещений атомов, дислокации способствуют снижению на­пряжений, при которых начинается процесс пластического деформирования, и, кроме того, существенно увеличивают пластичность металла. После окон­чания процесса скольжения по одной или нескольким плоскостям, что озна­чает, как правило, выход дислокаций, расположенных в этих плоскостях, за границу кристаллита, начинается процесс скольжения в других плоскостях, где сопротивление было более высоким. Усилие деформирования будет воз­растать по мере включения в процесс скольжения новых плоскостей со все более высоким уровнем сопротивления движению дислокаций.

Таким образом, механизм пластического деформирования скольжением при обработке давлением можно представить как лавинообразный процесс движения дислокаций вдоль плоскостей скольжения под влиянием сдвиго­вых напряжений (см. гл. 1).

Другой механизм пластической деформации — двойникование, или двойниковый сдвиг — чаще всего встречается в металлах и сплавах, имею­щих гексагональную или объемно центрированную кубическую решетку. В отличие от обычного сдвига двойниковый совершается только раз и не при­водит к значительным пластическим деформациям. Однако вместе с ним появляются дополнительные очаги сдвиговой деформации по механизму обычного скольжения (подробнее см. гл. 1).

Именно возможностью сочетания двойникования и сдвига объясняется высокая пластичность меди, аустенита, серебра, а-латуни, цинка, магния и др.

Процессы, происходящие при деформировании поликристалличе­ских тел, в которых кристаллиты разделены границами и имеют плоско­сти скольжения, различно ориентированные в пространстве, значительно более сложны, так как в поликристаллическом теле деформация одного, отдельно взятого зерна практически невозможна. Любое перемещение атомов в результате скольжения или двойникования обязательно вызыва­ет соответствующие групповые перемещения по границам зерен или в самих соседних зернах.

Механизм деформирования поликристаллического тела при обработке давлением можно представить в такой последовательности. Вначале под действием приложенных сил начинается сдвиговая пластическая деформация в зернах, плоскости скольжения которых совпадают или близки вектору мак­симальных касательных напряжений, а также по плоскостям, плотность дис­локаций в которых максимальна. Затем последовательно в процесс включа­ются плоскости, сопротивление сдвигу которых более высокое. Од­новременно происходит смещение и поворот соседних зерен, т. е. переори­ентация их в пространстве и по отношению к действующим силам. Зерна,

Рнс. 17.1. Схема развития пла­стической деформации и пере­ориентировки зерен: 1 — строчки, 2 — волокна

переориентированные в положения, благо­приятные для деформирования, включаются в этот процесс, вызывая поворот других, соседних с ними зерен, и т. д.

Одновременно со сдвигом протекают и процессы двойникования. В результате структура металла, подвергнутого значи­тельным пластическим деформациям, ха­рактеризуется вытянутыми зернами, ориен­тированными в направлении интенсивного течения металла (рис. 17.1).

17.2. Основные параметры, характеризующие

пластическую деформацию при обработке

металлов давлением

При пластическом деформировании металлов нужная форма заготовки достигается перемещением частиц металла в новое положение при условии их устойчивого равновесия. При этом первоначальная масса металла, пре­терпевшего формообразования, остается постоянной. Так как процесс де­формирования совершается с непременным приложением растягивающих или сжимающих сил, то плотность материала при этом несколько изменяет­ся, как правило, увеличивается. Особенно это заметно при начальных стади­ях обработки давлением исходного литого материала. При деформировании устраняются неплотности, возникшие в металле в процессе затвердевания из жидкой фазы. При дальнейшем деформировании, а также при деформирова­нии металла после прокатки изменение плотности весьма незначительно. Более того, при деформировании холодного металла происходит интенсив­ное внутри- и межзеренное скольжение, механическое разрушение кристал­литов, что приводит к появлению микропустот в объеме металла и уменьше­нию плотности (0,1—0,2%).

Таким образом, если рассматривать обработку давлением как формооб­разующую обработку уже продеформированного (не литого) металла, то можно считать объем, взятый для обработки, неизменным. В теории обра­ботки металлов давлением данное положение называют условием постоянст­ва объема.

Если первоначальный объем заготовки в форме прямоугольного парал­лелепипеда был равен HBL, то после-деформации (формоизменения) при условии постоянства объема действительно равенство

M R 1
HB.L = hB₇L, или — = -*- = =^{L
11 2 2} h В L

где H/h — уковка или высотная деформация; В₂/В_] — поперечная дефор­мация или уширение; Lt/Ц —вытяжка.

Сумма смещенных объемов пластически деформированного тела по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю. Иногда для ха­рактеристики степени пластического деформирования при обработке давле­нием пользуются значениями абсолютных величин Ah, AS, AL или чаще от­носительными оценками:

H-h В₂-В, Ь₂-Ц н ' В, ' ц

Разность размеров до и после обработки может быть отнесена к перво-

H-h

начальной исходной или конечной величине, например ---------, что нередко

Н

используется на практике. При необходимости получить большую величину деформации ее проводят за несколько операций. В этом случае суммарная деформация определяется как произведение деформаций в нужном направ­лении после каждой операции. Таким образом, суммарная вытяжка после п операций определится как

К- = МУ*э—ft.-

17.3. Влияние различных факторов

на пластичность металлов и сопротивление

пластическому деформированию

Схема напряженного состояния. Напряженное состояние характери­зуется схемой главных напряжений в малом объеме, выделенном в деформи­руемом теле. При всем многообразии условий обработки давлением в раз­личных участках деформируемого тела могут возникнуть следующие схемы главных напряжений (нормально направленных напряжений, действующих во взаимно перпендикулярных плоскостях, на которых касательные напря­жения равны нулю) (рис. 17.2): четыре объемных (а), три плоских (б) и два линейных (в). При каждом виде обработки давлением одна из представлен­ных схем является преобладающей.

Прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, ковка характери­зуются всесторонним неравномерным сжатием. Эта схема нагружения наи-

£=л&

t°l

L£2

°2

а₂

l<?2 •

£

А

L52

СТ₂

°2

Рис. 17.2. Схемы напряженного состояния:

а — объемное; б — плоское; в — линейное

более благоприятна с точки зрения достижения максимальной степени пла­стической деформации.

При листовой штамповке и волочении реализуется схема двустороннего сжатия с растяжением.

В зависимости от действующих сил и соотношения их величин тело ис­пытывает деформацию. Совокупность деформаций, возникающих по раз­личным направлениям в пространстве, обычно называют деформированным состоянием.

Схема главных деформаций может дать представление о характере из­менения структуры исходного материала, направлении вытянутости межзе-ренных границ и зерен. Структура приобретает строчечный характер. Грани­цы зерен, содержащиеся в них загрязнения и неметаллические включения вытягиваются, образуя волокна (см. рис. 17.1). Эти изменения в деформиро­ванном металле могут быть обнаружены визуально после травления, так как имеют макроскопические размеры.

Металл после обработки давлением приобретает выраженную анизотро­пию свойств. При этом прочностные характеристики — временное сопро­тивление, предел текучести в различных направлениях — изменяются мень­ше, чем пластические — относительное удлинение, ударная вязкость и даже износостойкость.

Все перечисленные характеристики имеют большую величину в направле­нии волокон, чем поперек их. Полученную анизотропию свойств целесообразно учитывать, проектируя нагруженные детали, получаемые пластическим дефор­мированием. В отдельных случаях учет этих особенностей позволяет существен­но увеличить долговечность работы деталей, а также снизить их массу.

Влияние химического и фазового составов. Различные металлы и их сплавы имеют различные показатели пластичности и неодинаково сопротив­ляются пластическому деформированию. Однако всегда чистые металлы

имеют большую пластичность, а.,МПа чем их твердые растворы, а од­нофазные структуры более пла­стичны, чем двухфазные, осо­бенно если эти фазы отличаются по своим механическим харак­теристикам. Это же относится и к наличию в металлах трудно­растворимых химических со­единений.

Рис 173. Влияние температуры нагрева стали на ее пластические свойства (е) и сопротивле­ние пластическому деформированию (а.)

Любые химические неодно­родности, ликвации, растворен­ные газы существенно снижают способность металла к пластиче­скому деформированию, особен­но в области высоких температур.

Применительно к железоуглеродистым сплавам следует особенно выде­лить вредное влияние даже небольших количеств серы и фосфора.

Влияние температуры. При низких температурах пластичность металла уменьшается вследствие уменьшения тепловой подвижности атомов. С повышением температуры пластичность возрастает, а сопро­тивление деформированию уменьшается (рис. 17.3). Кривые изменения пластичности и прочности не всегда имеют монотонный характер; как правило, в интервале температур фазовых превращений может проис­ходить некоторое повышение прочностных и снижение пластических свойств металлов. Практически все металлы и сплавы в области темпе­ратур, близких к температуре солидуса, обнаруживают резкое падение пластических свойств — так называемый температурный интервал хрупкости (ТИХ). В этом интервале пластические свойства близки к нулевым значениям. Объясняется это тем, что при этих температурах границы зерен и расположенные там межкристаллические прослойки, включающие легкоплавкие примеси, размягчаются или расплавляются и даже небольшая деформация приводит к их разрушению. Чем чище металл, тем меньше протяженность температурного интервала хрупко­го состояния и тем ближе он к температуре равновесного солидуса.

Влияние скорости деформирования. Скорость деформирования мате­риала при обработке давлением в значительной степени определяется скоро­стью перемещения деформирующего инструмента, хотя и не идентична ей. Правильнее было бы под скоростью деформации принимать величину отно­сительного изменения размеров тела в единицу времени в направлении дей­ствующей силы, т. е.

где Ucp — средняя скорость инструмента во время деформирования; АА_ср — средняя величина деформации.

Обычно средняя скорость деформации для различных процессов обра ботки давлением изменяется в пределах КГ¹²—10⁵ с"¹ (табл. 17.1).

Таблица 17.1. Средние скорости деформации для различных видов оборудования обработки давлением

Вид оборудования	Скорость деформации, с"1
Прессы:
гидравлические	0,03—0,06
кривошипные	1,2—5,0
Паровоздушные молоты	10—250
Станы:
прокатные крупносортные	5—25
толстолистовые	3,5—45
тонколистовые	25—200

Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднознач» При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости дефо] мирования понижает пластичность металла. Особенно это сказывается пт обработке магниевых и медных сплавов, высоколегированных сталей. Мен< заметно отрицательное влияние увеличения скорости деформации при обр ботке алюминиевых сплавов, низколегированных и углеродистых сталей.

При обработке давлением в холодном состоянии увеличение скорости р формации выше некоторых значений приводит к повышению температуры обр батываемого металла вследствие выделения значительной теплоты трения плоскостях скольжения, которая не успевает распространиться в пространсп Повышение температуры приводит к разупрочнению и повышению пласта¹ ских свойств. Этот эффект может быть очень значительным. Например, при с работке давлением с применением взрывных устройств удается получить в > лодном металле весьма значительные пластические деформации.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм пластического деформирования?

2. Как влияет наличие дислокаций на согротивление пластическому деформированин

3. При какой схеме нагружения можно получить максимальную величину плас ческой деформации?

4. Как влияет температура нагрева металла на сопротивление деформированию?

5. Какие из химических элементов в железоуглеродистых сплавах наиболее сильно снижают пластические свойства?

6. В области каких температур находится температурный интервал хрупкости (ТИХ) и чем объясняется снижение пластических свойств металла в этом интервале?