Влияние температуры на пластичность металла.

Т ермической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, Улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств.

В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в очень широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ (исходное состояние) до 600-650 НВ (после закалки). Возможность значительного повышения механических свойств с помощью термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а также уменьшить размеры и вес детали.

Основоположником теории термической обработки является выдающийся русский ученый Д.К. Чернов, который в середине Х I Х в., наблюдая изменение цвета каления стали при ее нагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки (точки Чернова).

Советские ученые достигли больших успехов в усовершенствовании уже известных и в разработке новых технологических процессов термической обработки стали.

В развитии учения о термической обработке, в создании прогрессивных методов технологии термической обработки советская наука и практика занимают ведущее место.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг стали.

Назначение отжига - снижение твердости, измельчение зерна (перекристаллизация), улучшение обрабатываемости, повышение пластичности и вязкости, снятие внутренних напряжений, устранение или уменьшение структурной неоднородности, подготовка к последующей термической обработке.

На результат отжига влияют следующие факторы:

1) скорость нагрева;

2) температура нагрева (отжига);

3) продолжительность выдержки при температуре нагрева (отжига);

4) скорость охлаждения.

Скорость нагрева . Допустимая скорость нагрева зависит от химического состава стали. Чем больше в стали углерода и специальных примесей, тем менее она теплопроводна и, следовательно, тем медленнее следует ее нагревать.

Температура нагрева . Температуру нагрева устанавливают в зависимости от содержания углерода и специальных элементов.

Полный отжиг

Полный отжиг характеризуется нагревом на 20-30 град выше температуры интервала превращений и медленным охлаждением до температуры ниже интервала превращений (обычно до 400 - 500 0 С). Полному отжигу подвергают доэвтектоидные и эвтектоидную стали. Для заэвтектоидных сталей целесообразным и практически применимым является неполный отжиг. Полный отжиг применяют для перекристаллизации структуры в горячодеформированных сталях и фасонном литье.

Отжиг горячедеформированной стали снижает прочность и повышает пластичность.

Если исходная структура трудно поддается исправлению и полный отжиг не в состоянии улучшить структуру стали, то применяют двойной отжиг. Первый высокий отжиг проводят при повышенной температуре 950-1000° С.

Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтектоидиой стали. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для поковок, горячая обработка давлением которых проведена правильно с получением удовлетворительной микроструктуры. В этом случае назначением неполного отжига является перекристаллизация перлита и снятие внутренних напряжений перед механической обработкой. Температура нагрева при неполном отжиге доэвтектоидных сталей 770 - 800 о С.

Изотермический отжиг

При изотермическом отжиге аустенит превращается в феррито-цементитную смесь не при охлаждении в определенном интервале температур, как это происходит при обычном полном отжиге, а вовремя выдержки при постоянной температуре. Для изотермического отжига сталь нагревают до оптимальной температуры и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки (650-700 0 С). При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аустенита, а затем охлаждают на воздухе. Преимуществом изотермического отжига по сравнению с обычным является значительное сокращение времени отжига и получение более однородной структуры.

Температура изотермической выдержки значительно влияет на получающуюся структуру и свойства. С понижением температуры, т.е. с увеличением степени переохлаждения аустенита, зерна цементита измельчаются, и получается более дисперсный перлит.

Практически изотермический отжиг проводят в двух печах: в одной печи детали нагревают, затем их переносят в другую печь, имеющую температуру немного ниже.

Низкотемпературный отжиг.

Низкотемпературный отжиг (высокий отпуск) применяют главным образом для легированных сталей (хромистых, хромоникелевых и др.) для снятия внутренних напряжений и для снижения твердости. Фазовая перекристаллизация при этом виде отжига отсутствует. Полного снятия внутренних напряжений достигают при нагреве до 600 0 С, поэтому низкотемпературный отжиг можно проводить в температурном интервале от 600 0 С. Выдержка для снятия внутренних напряжений тем меньше, чем выше температура нагрева. Охлаждение после нагрева должно быть достаточно медленным, чтобы вновь не возникли внутренние напряжения.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

Этот отжиг характеризуется нагревом до температуры значительно выше температур интервала превращений (на 180 - 300° С) с последующим медленным охлаждением.

Такой отжиг применяют для выравнивания химической неоднородности зерен твердого раствора путем диффузии, т.е. уменьшения микроликвации в крупных фасонных стальных отливках и слитках, главным образом легированной стали.

Диффузионный отжиг в связи с назначением его сделать сталь однородной (гомогенной) иначе называется гомогенизацией.

Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, а количество продиффундированного вещества становится тем больше, чем длительнее выдержка, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура и продолжительная выдержка.

Практически слитки нагревают до 1100 - 1150° С, выдерживают при этой температуре 12-15 ч, а затем медленно охлаждают до 250-200° С. Процесс диффузионного отжига продолжается около 80-100 ч.

В результате высокотемпературного длительного отжига происходит рост зерна. Этот недостаток микроструктуры устраняют тем, что слитки подвергают горячей механической обработке, в результате которой полностью уничтожается крупнозернистая структура литой стали; поэтому после гомогенизации слитки не подвергают отжигу для улучшения структуры.

Только в тех случаях, когда после гомогенизации слитки получаются с повышенной твердостью (например, слитки высоколегированных сталей), проводят дополнительный низко температурный отжиг при 650-680° С.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют нагрев стали до температуры на 30-50 град выше верхних критических точек, выдержку при этой температуре и охлаждение на спокойном воздухе. При нагреве низкоуглеродистых сталей до температур нормализации происходят те же процессы, что и при отжиге, т.е. измельчение зерен. Кроме того, вследствие охлаждения более быстрого, чем при отжиге, и получающегося в результате этого переохлаждения, строение перлита более тонкое (дисперсное), и количество эвтектоида (вернее, квазиэвтектоида) больше, чем при медленном охлаждении (при отжиге).

По сравнению со структурой отжига структура нормализации более мелкая, а механические свойства более высокие (повышенная прочность и твердость); это обеспечивается ускоренным охлаждением (на воздухе) по сравнению с медленным охлаждением (вместе с печью) при отжиге.

Если при охлаждении на воздухе образуется (в некоторых высоколегированных сталях) не перлит, а мартенсит - структура, характерная для закаленной стали, то такую термическую обработку называют не нормализацией, а воздушной закалкой.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Закалкой называют нагрев стали выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Обычно нагрев проводят на 30-50 град выше линии GSK на диаграмме железо - цементит.

Назначение закалки - получение высокой твердости или повышенной прочности. На результат закалки, как и отжига, влияют четыре основных фактора – скорость нагрева, температура нагрева, продолжительность выдержки и скорость охлаждения.

Основным и решающим фактором является скорость охлаждения - твердость и физико-механические свойства стали связаны со скоростью охлаждения.

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки (727 0 С) с последующим охлаждением. Целью отпуска является частичное или полное устранение внутренних напряжений, снижение твердости и повышение вязкости. Отпуску подвергают закаленную сталь со структурой тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита.

1. Химический состав
Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, наименьшей - химические соединения (больше сопротивление движению дислокаций).
Легирующие добавки Cr, Ni, W, Co, Mo - увеличивают пластичность; С, Si - снижают пластичность.
2. Микро-, макроструктура
С уменьшением величины зерна пластичность увеличивается (сверхпластичность). Разнородность зерен снижает пластичность.
3. Фазовый состав
Наибольшей пластичностью обладает металл однородного строения. Разные фазы, имеющие некогерентные решетки, затрудняют движение дислокаций и понижают пластичность.
Кроме того, они деформируются по-разному, что способствует образованию трещин.

Снижение пластичности при температуре выше 800°C связано с образованием второй фазы - остаточного феррита. Повышение пластичности при температурах выше 1000°С свидетельствует о резком снижении сопротивления металла деформации.
4. Скорость деформации
Следует различать скорость перемещения инструмента или скорость деформирования (V, м/с) и скорость деформации - изменение степени деформации в единицу зремени (u или ε, с-1),

где L - базовая длина образца, подвергнутого растяжению; Δl - абсолютное удлинение образца Δl=l-L; t - время; V - скорость перемещения инструмента; Н, h - высота тела соответственно до и после деформации; Ah - абсолютное обжатие Δh = H-h; R - радиус рабочих прокатных валков.
С увеличением скорости деформации пластичность снижается , так как не успевает переместиться нужное число дислокаций.
Увеличение пластичности при высоких скоростях деформации объясняется повышением температуры металла.
5. Окружающая среда. Некоторые поверхностно активные вещества повышают пластичность металла (олеиновая кислота) - облегчают пластический сдвиг, другие - способствуют хрупкому разрушению (керосин).
Таким образом, необходимо уделять должное внимание смазкам.

Прокатка в вакууме или в среде инертных газов редкоземельных элементов (Nb, Mo, Te) не позволяет образовываться окисной пленке, которая является очень хрупкой. При прокатке в вакууме газ диффундирует наружу и металл становится пластичным. В США построены цеха с защитной атмосферой. В г. Чирчик (Таджикистан) на металлургическом заводе работает прокатный стан с герметизированными валковыми узлами, в которых создан вакуум.
6. Дробность деформации
Увеличение дробности деформации приводит к повышению пластичности легированных марок стали.

Прокатка на планетарном стане, благодаря высокой дробности деформации, позволяет получить 98% степени деформации. Дробная деформация способствует уменьшению неравномерности структуры металла, облегчает поворот зерен. При повторном нагружении происходит снижение остаточных напряжений между зерном и пограничными зонами,
7. Механическая схема деформации
Наиболее благоприятной схемой пластической деформации является схема трехстороннего неравномерного сжатия. При прочих равных условиях уменьшение растягивающего напряжения благотворно влияет на пластические свойства металла.
При переходе от деформации по схеме одноосного растяжения к деформации по схеме трехстороннего сжатия теоретически возможно увеличение пластичности металла в 2,5 раза.
В классических опытах Кармана по прессованию мрамора и песчаника была получена величина степени деформации мрамора 68% без разрушения при обработке высоким гидростатическим давлением.
Гидростатическое давление

где σ1, σ2, σ3 - главные напряжения сжатия.
Пластическая деформация возникает за счет разности главных напряжений σ1 ~ σ3 = σт.
При прокатке хрупких литых сплавов для снижения растягивающих напряжений на кромках применяют так называемую «рубашку» (перед прокаткой заготовку заворачивают в оболочку из высоко пластичного металла). При этом растягивающие напряжения возникают в оболочке, а деформируемый металл испытывает сжимающие напряжения, предотвращающие трещинообразование.

Перспективным направлением является применение гидроэкструзии - создания всестороннего неравномерного сжимающего давления в деформируемом металле за счет жидкости (будет рассмотрено позже).
В реальных процессах всегда имеется неравномерность деформации (между зернами, между отдельными локальными участками), которая вызывает неравномерность деформации.
8. Масштабный фактор
Чем больше объем тела, тем ниже его пластические свойства при прочих равных условиях - следует учитывать при разработке процессов ОМД и при проектировании оборудования.

05.04.2019

Виноград относится к ягодам с коротким сроком хранения. Даже в холодильнике он очень быстро становится вялым, теряет нормальный вид. Можно, конечно, заморозить его в...

05.04.2019

Правильно подобрать и установить подходящий кондиционер или сплит-систему поможет опытный специалист компании, которая предоставляет услуги по монтажу, ремонту и...

05.04.2019

Газовый котёл является оборудование, с его помощью происходит получение тепловой энергии, которая требуется для нормального отопления комнаты. Подобные агрегаты нередко...

05.04.2019

На территории Ташкентского металлургического предприятия начали привозить главное технологичное оснащение. В качестве поставщика выступила Группа предприятий «МетПром» в...

05.04.2019

С первого дня возникновения залоговых кредитов у заёмщиков появилась возможность брать значительные денежные суммы на лучших условиях, нежели в случае оформления...

05.04.2019

На сегодняшний день любая компания, работающая в химической отрасли, задействует в оде осуществления разнообразных процедур особое оснащение, где реализуются различные...

05.04.2019

Известная корпорация из Канады First Quantum Minerals, которая зимой текущего года передала в использование рудник по добыче медного сырья Cobre Panama на территории...

05.04.2019

ВВГнг-LS является силовым кабелем, обеспечивающим электрическое питание стационарных (в составе различных строений), а также мобильных (в условиях строительных площадок)...

1. Исходные материалы для металлургии: руда, флюсы, огнеупоры, топливо; пути повышения температуры горения металлургического топлива. Дайте определения и примеры химических формул.
2. Сущность процессов шлакования; роль шлаков и флюсов в металлургии (на примере доменной плавки).
3. Окислительно-восстановительные реакции в металлургии (на примере производства чугуна и стали).
4. Сущность доменного процесса; исходные материалы для получения чугуна, продукты доменной плавки, оценка эффективности работы доменной печи. Схема и принцип работы доменной печи.
5. Сталь. Сущность процесса получения стали методом прямого восстановления железа из руды. Приведите примеры восстановительных химических реакций при прямом восстановлении железа из руды.
6.Сущность процесса передела чугуна на сталь. Сравнительная характеристика основных способов производства стали: в конвертерах, в мартенах, электропечах.
7.Кислородно-конверторный способ получения стали: исходные материалы, технология, технико-экономические показатели. Схема кислородного конвертера.
8. Мартеновский способ получения стали: исходные материалы, технология, технико-экономические показатели. Схема мартеновской печи.
9. Плавка стали в электропечах: сущность процесса, исходные материалы, преимущества, область использования. Схема электропечи для выплавки стали.
11. Разливка стали, разливка в изложницы, непрерывная разливка, строение стального слитка. Схемы разливки в изложницу, схема непрерывной разливки стали, схемы слитков спокойной и кипящей стали.
12. Классификация отливок и способов литья по масштабу производства и технологическому признаку (примеры литья в разовые и постоянные формы).
13. Литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка, смачиваемость, газопоглощение, химическая активность, ликвация. Сравнение литейных свойств стали и чугуна.
14. Основные литейные сплавы: чугуны, силумины, бронзы, стали; связь их литейных свойств с технологией изготовления и качество литейной продукции.
15. Литье в песчаные формы: конструкция формы, литейная оснастка, формовочные материалы, область применения. Преимущества и недостатки литья в песчаные формы.
16. Литьё в оболочковые формы: исходные материалы, технология изготовления оболочки, область применения способа. Схема получения отливки. Преимущества и недостатки литья в оболочковые формы.
18.Литьё в кокиль: требования к кокилю и отливкам, облицованные кокили; область использования процесса. Принципиальная схема кокиля. Преимущества и недостатки пресса.
19. Литьё под давлением: сущность процесса, область использования. Принципиальная схема формы для литья под давлением. Преимущества и недостатки процесса.
20. Центробежное литьё: сущность процесса, область использования, преимущества и недостатки. Принципиальная схема центробежного литья.
21. Характеристика основных способов получения машиностроительных профилей; их сравнительная характеристика (прокатка, прессование, волочение). Принципиальные схемы указанных процессов.
22. Понятие о горячей и холодной обработке металлов давлением. Наклеп и рекристаллизация. Изменение механических свойств при наклепе и при последующем нагреве.
23.Пластичность металлов, влияние на пластичность химического состава, температуры нагрева, схемы напряженного состояния, скорость деформации.
24.Основные законы обработки давлением: постоянства объема наименьшего сопротивления, подобия; использование их в практике.
26.Прокатка металла
27. Ковка. Обл использования.
Вопрос 29.
Вопрос 30.
33. Аргонодуговая сварка: принципиальные схемы и разновидности, область использования.
34 . Автоматическая и механизированная сварка под флюсом: Принципиальные схемы, сварочные материалы, преимущества процесса и область применения.
36. Металлургические процессы при сварке: диссоциация веществ, насыщение металла o, n, h, процессы раскисления, шлакования, рафинирования металла сварного шва.
37 . Сварочные материалы.
38. Тепловые процессы
39 . Контактная сварка
40. Сущность процесса и материалы для пайки
45. Силы резания
49)Основные конструктивные части металлорежущих инструментов. Основные поверхности и кромки токарного резца.
50. Определение углов токарного резца в статической системе координат, их назначение и влияние на процесс резания.
51. Инструментальные материалы: инструментальные стали, твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые инструментальные материалы. Их назначение и обозначение.
Инструментальные стали
Металлокерамические твердые сплавы
Твердые сплавы с покрытием
Стойкость металлорежущих инструментов
Допустимая скорость резания металлов
55. Общее устройство основных составных частей универсальных металлорежущих станков: несущих систем, приводов движений, рабочих органов и вспомогательных систем. Основные составные части
Несущие системы мс
Приводы главного движения (пгд)
Исполнительные механизмы
Вспомогательные системы
57. Кинемат характ приводов станка
61. Параметры режима резания на токарных станках и последовательность определения их рационального сочетания.
65. Сверление. Основные типы сверлильных станков и их назначение. Параметры режима резания при сверлении (V, s, t, to) и последовательность их рационального сочетания.
Пластичность - способность металла принимать под действием нагрузки новую форму не разрушаясь.
Пластичность металлов определяется также при испытании на растяжение. Это свойство обнаруживается в том, что под действием нагрузки образцы разных металлов в различной степени удлиняются, а их поперечное сечение уменьшается. Чем больше способен образец удлиняться, а его пеперечное сечение сужаться, тем пластичнее металл образца.
В условиях обработки металлов давлением на пластичность влияют многие факторы: состав и структура деформируемого металла, характер напряженного состояния при деформации, неравномерность деформации, скорость деформации, температура деформации и др. Изменяя те или иные факторы, можно изменять пластичность.
1.Состав и структура металла . Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности.
2.Влияние температуры неоднозначно. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, с повышением температуры, становятся более пластичными (1). Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии (2). Для шарикоподшипниковых сталей пластичность почти не зависит от температуры (3) . Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности (4). Техническое железо в интервале 800…1000 0 С характеризуется понижением пластических свойств (5). При температурах, близких к температуре плавления пластичность резко снижается из-за возможного перегрева и пережога.
3.Характер напряженного состояния . Один и тот же материал проявляет различную пластичность при изменении схемы напряженного состояния. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Появление в схеме растягивающих напряжений снижает пластичность. Самая низкая пластичность наблюдается при схеме всестороннего растяжения.
4.Скорость деформации . С повышением скорости деформации в условиях горячей деформации пластичность снижается. Имеющаяся неравномерность деформации вызывает дополнительные напряжения, которые снимаются только в том случае, если скорость разупрочняющих процессов не меньше скорости деформации.
Пластичность зависит от структурного состояния металла , особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлических материалов под действием приложенной нагрузки переходить в пластическое состояние. Поэтому для наиболее рационального выбора технологического процесса необходимо знать факторы, с помощью которых можно управлять пластичностью.

Пластичность - способность металла под действием нагрузки менять свою форму без разрушения и сохранять ее после снятия нагрузки.

Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при обработке давлением, являются:

состав и структура деформируемого металла;
схема напряженного состояния при деформации;
температура деформации;
неравномерность деформации;
скорость деформации;
степень деформации;
режим термической обработки.

Рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов.

Состав и структура деформируемого металла. Как правило, максимальную пластичность имеют чистые металлы. Однако из-за невысокой прочности в чистом виде металлы для получения изделий почти не используются. Поэтому в металлы с целью создания в них комплекса требуемых свойств добавляют другие химические элементы (легирующие добавки). Кроме того, в металлах обычно присутствуют примеси - химические элементы, которые попадают в металл при извлечении из руды, плавлении, нагревании и т. д. Процесс очистки от примесей часто сложен или экономически невыгоден, поэтому их содержание в сплавах обычно ограничивают и фиксируют их допустимое содержание в марке соответствующего сплава. В сталях, например, резко снижают пластичность такие примеси, как Бп, РЬ, БЬ, Б, Р, Н, О и др. Они почти не растворяются в железе, располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Кроме того, температуры плавления этих элементов и их эвтектических соединений с железом значительно ниже, чем у самого железа. Поэтому при горячей деформации содержание указанных примесей выше допустимых пределов из-за расплавления может привести к полной потере пластичности стали. Так, повышенное содержание серы в стали вызывает при горячей обработке давлением возникновение трещин. Это явление называют «красноломкостью». Следует учитывать, что различие между легирующим элементом и вредной примесью достаточно условно. Даже для одного металла, составляющего основу сплава, один и тот же элемент может выступать в сплаве как в качестве легирующего элемента, так и являться примесью. Например, в ряде деформируемых алюминиевых сплавов кремний вреден, и его содержание ограничивают, однако существуют алюминиевые сплавы, в которых кремний является основной легирующей добавкой, например, литейные сплавы силумины.

Большое влияние на пластичность сплавов оказывает их структура. Наибольшей пластичностью среди сплавов обычно отличаются твердые растворы. Неоднородность (гетерогенность) структуры сплавов приводит к снижению пластичности. При одинаковом химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного, так как в двухфазном сплаве фазы имеют разные механические свойства и деформация протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, так как литая структура последнего более грубая, неоднородная по химическому составу, имеет включения и другие дефекты литейного происхождения.

Схема напряженного состояния при деформации. Установлено, что металлические материалы при изменении условий деформирования могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Поэтому правильнее считать, что в природе не существует тел с постоянным уровнем свойств, а есть хрупкое и пластичное состояния вещества, определяемые условиями нагружения при деформировании. При этом увеличение доли сжимающих напряжений при деформировании повышает пластичность обрабатываемого металла. Наибольшую пластичность металлические материалы проявляют при всестороннем сжатии. В этом случае затрудняются межзеренные перемещения, и вся деформация осуществляется за счет внутризеренного перемещения дислокаций. С появлением в схеме растягивающих напряжений пластичность снижается. Самую низкую пластичность металлы имеют при всестороннем растяжении. В технологических процессах обработки металлов давлением, за редким исключением, такой схемы напряженного состояния стараются избегать.

Температура деформации. Минимальная пластичность металлов наблюдается при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина из-за низкой тепловой подвижности атомов. Приблизительно в интервале температур от 0 до (0,2-0,25)Г ш „ где Г пл - температура плавления по абсолютной шкале, деформацию называют холодной. При этих температурах восстановительные процессы в металлах, такие как возврат, можно не учитывать. С повышением температуры пластичность металлов увеличивается. При этом деформация металла при повышенных температурах характеризуется одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения. Восстановительными, уменьшающими плотность дислокаций во время горячей деформации, и приводящими к снижению прочности процессами, могут являться только возврат или возврат и рекристаллизация. Процессы разупрочнения во время горячей деформации аналогичны процессам разупрочнения при отжиге после холодной деформации. Так, при возврате плотность дислокаций уменьшается в результате увеличения их подвижности и сопровождается выстраиванием дислокаций в стенки (полигонизация), а при рекристаллизации происходит вытеснение дислокаций мигрирующими высокоугловыми границами. Так как восстановительные процессы, идущие в процессе деформации, имеют свои особенности, то правильнее пользоваться терминами динамический возврат (в том

числе, динамическая полигонизация ) и динамическая рекристаллизация, в отличие от статических процессов возврата и рекристаллизации, протекающих при отжиге после деформации. Для чистых металлов возврат проявляется при температурах превышающих (0,25 - 0,30)Г ПЛ. Присутствие примесей в металле затрудняет движение дислокаций и увеличивает температуру возврата. Протекание возврата в процессе деформации уменьшает сопротивление деформации металла и увеличивает его пластичность, но при этом упрочнение металла все равно наблюдается, хотя интенсивность его меньше, чем при холодной деформации.

Процесс рекристаллизации, согласно формуле А. А. Бочвара, для чистых металлов начинается с температуры приблизительно 0,4Г 11Л. Примеси повышают эту температуру. Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рскристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокации во время своего роста постепенно наклепываются, так как из-за продолжающейся деформации в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшисся в первую очередь, начинают наклепываться раньше, и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рек-ристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократное повторение циклов динамической рекристаллизации и наклепа рскристаллизованных зерен характеризуется неизменным средним размером зерна. Графики зависимости истинного напряжения от истинной деформации, представленные, как для динамического возврата, так и для динамической рекристаллизации (рис. 2.6), характеризуются после стадии деформационного упрочнения стадией установившегося течения.

При выборе режима деформации необходимо учитывать, что при температурах, близких к температуре плавления металла, возможны перегрев или пережог. Первое явление заключается в том, что, достигнув максимальных значений в области собирательной рекристаллизации, пластичность начинает плавно снижаться из-за далеко зашедшей собирательной рекристаллизации, приводящей на этой стадии к образованию чрезмерно крупного зерна. При очень высоких температурах могут резко снизиться и прочность и пластичность, что вызывается пережогом - сильным меж-кристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесеи на границе зерен. Если первый вид брака можно исправить повторной термообработкой заготовки, то пережог считают неисправимым браком, и такую заготовку отправляют на переплавку. Таким образом, наибольшую пластичность металлы имеют в интервале от температуры рекристаллизации до температуры плавления. Однако верхний предел должен быть ниже температуры окисления границ зерен. Важным параметром структуры в изделии, полученном деформированием при температуре выше темпера-

туры рекристаллизации, является размер зерна, который сильно влияет на механические свойства изделий. Зависимость размера зерна в металлах после деформации с последующей рекристаллизацией, с одной стороны, от температуры, а с другой, - от степени деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 2.7), которые строят по результатам специально проводимых экспериментов. Эти диаграммы характерны для каждого металла и сплава и используются для выбора температурного режима деформации.

Б, МПа

Рис. 2.6. Зависимость истинного напряжения 5 от истинной деформации е (цифры на кривых - скорости деформации, с -1): а - армко-железо, 700 °С;

6 - сталь с 0,25% С

Неравномерность деформации. Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в обрабатываемом теле, считают неоднородность физических свойств обрабатываемого материала, контактное трение, форму заготовки и рабочего инструмента.

В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошной средой, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения, которые не определяются схемой напряженного состояния, вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные напряжения могут при определенных

условиях обработки изменять схему напряженного состояния деформируемого тела. Особенно опасным является то, что в некоторых участках тела появляются растягивающие напряжения, что может привести к разрушению заготовки, хотя при этом общая схема напряженного состояния выражается благоприятной для проявления пластичности схемой всестороннего сжатия.

Рис. 2.7.

Дополнительные напряжения, которые взаимно уравновешиваются в объеме деформируемого тела (заготовки), можно разделить на три вида: напряжения первого рода (зональные), уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями заготовки; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами заготовки; напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в одном зерне. Примером неравномерности деформации может служить бочкообразование при осадке, возникающее в результате трения между инструментом и образцом.

Скорость деформации. В обработке металлов давлением различают две скорости: скорость деформирования или скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса и т. д.) и скорость деформации со или изменение степени деформации г в единицу времени, которую можно рассчитать по следующей формуле:

При этом в традиционных видах обработки металлов давлением диапазон скоростей деформации изменяется в интервале от 10 1 до 10 5 с" . Этой величиной удобнее описывать влияние скоростных условий деформации на пластичность, так как она не зависит от размеров обрабатываемой заготовки. В связи с этим можно корректно сравнивать разные процессы обработки металлов давлением, в которых возможно деформирование заготовок массой, составляющей несколько граммов, и, например, многотонных слитков. В первом приближении, чем больше скорость деформации, тем ниже пластичность. Однако при этом следует учитывать разогрев металла из-за тепла, выделяемого при деформации. Причем интенсивность разогрева тем выше, чем выше скорость деформации. Поэтому при холодной обработке малые скорости деформации слабо влияют на пластичность. Высокие скорости обеспечивают нагрев деформируемого тела, что способствует развитию диффузионных процессов и, следовательно, некоторому восстановлению пластичности металла.

При горячей обработке скорость деформации слабее влияет на пластичность, чем при холодной, так как на упрочнение из-за действия деформации накладывается действие высокой температуры, способствующей протеканию процессов разупрочнения за счет ускорения диффузионной подвижности атомов.

?= Нлр.*100%

Рис. 2.8. Зависимость механических свойств алюминиевого сплава Д1 от степени обжатия при холодной прокатке

Степень деформации. Обычно под наклепом принято понимать упрочнение при обработке давлением.

В более широком понимании наклеп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации. При холодной обработке давлением с увеличением степени деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление разрыву, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 2.8). При деформировании металла со степенью деформации более 50-70 % временное сопротивление и твердость обычно увеличиваются в полтора-два, а иногда и в три раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Небольшие деформации (до Ю %), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на временное сопротивление разрыву. При больших степенях деформации у ряда сплавов предел текучести может возрасти в 5-8 раз и более.

Относительное удлинение резко уменьшается уже при сравнительно небольших деформациях. Сильная деформация, сопровождающаяся увеличением временного сопротивления и твердости в 1,5-2 раза, способна снизить относительное удлинение в 10-20, а иногда и в 30-40 раз и более.

Возрастание показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходит в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также возникновение (генерирование) и скольжение «новых» дислокаций.

Горячая обработка влияет на пластичность слабее, так как при повышении температуры активизируются диффузионные процессы, сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, которые приводят к частичному или полному восстановлению пластичности.

Режим термической обработки. Чтобы получить конкретное изделие обработкой давлением требуется продеформировать заготовку на определенную степень деформации. Бывают случаи, когда достижение такой степени деформации за одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при листовой штамповке и т. д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому технологический процесс разбивают на несколько операций, например, делают несколько переходов при листовой штамповке или несколько проходов при прокатке и т. д. Для частичного или полного восстановления пластичности после операции обработки давлением используют разные виды промежуточной термообработки. Для сталей это может быть отжиг: дорекристаллизационный или рекристалли-зационный. Для некоторых алюминиевых деформируемых сплавов можно использовать закалку. Вид термообработки и ее режим выбирают в зависимости от природы сплава, степени деформации, температуры деформации и т. д.

На рис. 2.9 представлены графики влияния холодной деформации на пластичность S, предел прочности а в и твердость НВ низкоуглеродистой стали. Из графиков видно, что уже при деформации, равной 20 %, наблюдается снижение пластичности металла в 3 раза, увеличение твердости и прочности примерно в 1,3 … 1,4 раза. Следовательно, в холодном состоянии из этой стали нельзя получить поковки сложной формы, так как металл при деформировании будет разрушаться вследствие низкой пластичности.

Для увеличения ковкости обрабатываемые металлы нагревают. С повышением температуры увеличивается пластичность и снижается сопротивление металлов деформированию. В качестве примера рассмотрим влияние температуры на пластичность 5 и предел прочности а в стали с содержанием углерода 0,42 % (рис. 2.10). При повышении температуры деформирования с 0 до 300 °С сопротивление деформированию несколько увеличивается, а затем падает с 760 до 10 МН/м 2 при 1200 °С, т. е. уменьшается почти в 76 раз. Пластичность же этой стали, наоборот, при повышении температуры от 0 до 300 °С сначала уменьшается, затем до температуры 800 °С резко увеличивается, после этого незначительно падает, а при дальнейшем увеличении температуры снова. увеличивается. Явление снижения пластичности при 300 °С называется синеломкостью, а при 800 °С - красноломкостью. Синеломкость объясняют выпадением по плоскостям скольжения мельчайших частиц карбидов, которые увеличивают сопротивление деформированию и уменьшают пластичность. Красноломкость появляется вследствие образования в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью. Это состояние характерно для неполной горячей обработки давлением. При температурах синеломкости и красноломкости деформировать сталь особенно нежелательно, так как при ковке возможно образование трещин в заготовке и, как следствие, брак продукции.

Различные металлы и сплавы обрабатывают давлением во вполне определенном температурном интервале АТ = Т ъ ~ Т л, где Т в и Т н - соответственно верхний и нижний температурные пределы обработки металла давлением.

Деформирование металла при температуре ниже Т н вследствие снижения пластичности может привести к его разрушению. Нагрев металла выше температуры Т в ведет к дефектам структуры металла, снижению его механических свойств и пластичности. Температурные интервалы обработки давлением для разных металлов различны, однако общим для них является то, что наибольшую пластичность металлы имеют при температурах, превышающих температуры рекристаллизации.

Влияние степени и скорости деформации. Степень и скорость деформации оказывают сложное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию. Причем это влияние зависит как от их значений, так и от того, в каком состоянии деформируют металл - горячем или холодном.

Степень и скорость деформации одновременно оказывают на металл и упрочняющее, и разупрочняющее действия. Так, с увеличением степени деформации, с одной стороны, увеличивается наклеп металла, а следовательно, повышается и его сопротивление деформированию. Но, с другой стороны, увеличение степени деформации, интенсифицируя процесс рекристаллизации, ведет к разупрочнению металла и снижению его сопротивления деформированию. Что касается скорости деформации, то с ее увеличением уменьшается время протекания процесса рекристаллизации и, следовательно, увеличивается упрочнение. Однако с повышением скорости деформации увеличивается количество выделяющейся в металле в момент деформирования теплоты, которая не успевает рассеяться в окружающую среду и вызывает дополнительный разогрев металла. Увеличение же температуры сопровождается снижением сопротивления металла деформированию.

В большинстве случаев ручной ковки металл деформируют в нагретом состоянии и увеличение степени и скорости деформации ведет к уменьшению пластичности и увеличению сопротивления деформированию.

Влияние схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением.

Чем выще в деформируемом металле растягивающие напряжения, тем больше снижается его пластичность и тем вероятнее появление в нем трещин. Поэтому следует стремиться обрабатывать металл таким образом, чтобы в нем возникали сжимающие напряжения и отсутствовали растягивающие.

Так, металл имеет наименьшую пластичность в условиях деформирования по схеме линейного растяжения (см. рис. 2.6,/ и 2.7, а) и наибольшую - по схеме всестороннего неравномерного сжатия (см. рис. 2.6, iii и 2.11, а). Экспериментально установлено, что сплавы, непластичные в условиях одноосного растяжения, хорошо деформируются в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Чугун, например, при растяжении или открытой осадке (см. рис. 2.5) практически не деформируется, тогда как его можно подвергнуть значительным деформациям путем выдавливания с усилием Р и противодавлением Р п р по схеме, приведенной на рис.2.11 ,а.

Знание схем напряженного состояния имеет большое практическое значение. При ковке высоколегированных сталей на плоских бойках (см. рис. 2.5) на бочкообразной поверхности заготовки могут появляться трещины. Объясняется это тем, что в этой зоне напряженное состояние металла характеризуется наличием растягивающих напряжений о 3 . Если же эту заготовку осаживать в оправке (рис. 2.11, б) или ковать в вырезных бойках (рис. 2.11, в), то схема напряженного состояния металла будет соответствовать схеме всестороннего сжатия и, таким образом, можно избежать образования трещин.

В современном кузнечно-штамповочном производстве заготовки деталей из некоторых жаропрочных сплавов получают только выдавливанием, так как при других способах (осадка, гибка, открытая штамповка) наблюдается разрушение сплава.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: