книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

Д. И. Ч А Ш Н И К О В

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ

СТАЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ

ДАВЛЕНИЕМ

контрольный

ЭКЗЕМПЛЯР

ИЗД АТЕЛЬСТВО ' „С У Д О С Т Р О Е Н И Е “

ЛЕНИНГРАД

1974

В книге изложены вопросы влияния основных факторов на пласти­ ческое поведение обрабатываемого материала. Освещена теория кине­ тики деформации и разрушения, включая эффект сверхпластичности. Описаны методы определения показателей деформируемости на основе результатов простейших испытаний, а также рассмотрена связь между различными показателями деформируемости и характеристиками пла­ стичности при испытаниях на разрыв. Приведены характеристики пластичности ряда судостроительных сталей и сплавов при разных температурах и дана методика расчета маршрутов обработки давле­ нием по результатам испытаний на разрыв.

Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работни­ ков, специализирующихся в области теории и практики обработки металлов давлением и технологии прогрессивного формообразования, и может быть полезна студентам и аспирантам соответствующих спе­ циальностей.

Илл. 37. Табл. 7. Указатель литерат. 70 назв.

Реценз.енты: инж. К- Б- Голубев, канд. техн. паук В. Г. Степанов

Научный редактор докт. техн. наук Л. Я- Глускин

ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ Ч АШ НИ КО В

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ

Редактор Р. Д. Никитина. Технические редакторы: А. П. Ширяева, А. И. Казаков. Корректор Е. П. Смирнова. Переплет художника Б. Н. Осенчакова

© Издательство «Судостроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важнейшим направлением в совершенствовании ■и развитии современного машиностроения является расширение объема производства и потребления точных и прогрессивных заготовок, применение рациональных методов формообразования, обеспечивающих максимальное приближение заготовок по форме, размерам и чистоте Поверхности к готовым деталям, а следовательно, снижение объема механической обработки.

В настоящее время около половины металла, потребляемого машиностроением, идет в отходы в виде стружкиКроме того, механическая обработка деталей еди­ ничного и мелкосерийного производства, составляющего основу судостроения, чрезвычайно трудоемка. Поэтому не случайно вопросам прогрессивного формооб­ разования уделяется большое внимание.

Среднегодовое производство поковок и штамповок только на судостроительных предприятиях составляет около 102 тыс. т, не считая полуфабрикатов, поставляемых предприятиями других отраслей промышленности.

Применение прогрессивных методов получения заготовок обеспечивает эконо­ мию металлов и снижение трудоемкости обработки. Так, изготовление шестигран­ ных труб для штуцерно-торцевых соединений методом прессования взамен приме­ нявшейся ранее механической обработки из сортового проката обеспечило экономию до 200 руб. на 1 т деталей при 50%-ной экономии металла. Использование горяче­ катаных фасонных стальных профилей в корпусных судовых конструкциях взамен ранее изготовлявшихся сварных из полосовой стали дает экономию от 80 до 1800 руб. на 1 т конструкций. Внедрение только 13 типоразмеров этих профилей в течение 1968— 1971 гг. позволило получить в целом по судостроительной промышленности экономический эффект в размере 2,4 млн. руб.

Эффективно для судостроения также применение цельнопрессованных панелей из алюминиевых сплавов, особенно при создании принципиально новых конструк­ ций судов (на подводных крыльях, на воздушной подушке и др.).

Традиционные методы изготовления корпусных конструкций из листов и про­ филей, основанные на соединении их клепкой или сваркой, не удовлетворяют новым требованиям по прочностным и массовым характеристикам. Кроме того, панельный метод, например, позволяет значительно повысить производительность труда бла­ годаря уменьшению протяженности сварных или клепаных соединений в два-три раза, уменьшить массу корпуса судна на 10—20% путем более рационального рас­ пределения материала между обшивкой и набором, повысить надежность и улуч­ шить внешний вид корпуса. Можно было бы привести еще ряд примеров высокой экономической эффективности использования заготовок, получаемых методами пла­ стической деформации.

Рост применения точных и прогрессивных заготовок и полуфабрикатов в судо­ строении требует коренного совершенствования собственного заготовительного про­ изводства (в первую очередь производства, связанного с обработкой металлов давле­ нием), а также увеличения объема выпуска и повышения качества полуфабрикатов, поставляемых судостроению специализированными заводами других отраслей про­ мышленности.

ГЛАВА

I

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В теории и практике обработки металлов давлением [13, 19, 53] под термином «пластичность» понимают способность вещества к необ­ ратимому изменению формы и размеров под действием приложенных сил, сопровождаемому структурными изменениями, но без таких нарушений сплошности, порядок размеров которых превосходит величину длин световых волн.

Пластичность является общей характеристикой состояния метал­ лического вещества, так как определяется рядом факторов (темпе­ ратурой, давлением и др.) и конкретно выражается понятием «де­ формируемость».

Под термином «деформируемость» следует понимать способность данного вещества к необратимому изменению размеров и формы под действием внешних сил, сопровождаемому структурными изме­ нениями без нарушений сплошности, превосходящих порядок вели­ чин длин световых волн, применительно к конкретно заданным условиям деформации. Эти конкретно заданные условия в сумме есть не что иное, как реальный процесс обработки (продольная или поперечная прокатка — горячая, холодная, теплая, прессование, ковка, гидроэкструзия, волочение и т. д.). Как правило, конкретно названный процесс характеризуется теми же факторами, что и пласти­ ческое состояние материала вообще: температурой, скоростью, гидро­ статическим давлением, определяемым схемой объемного напряжен­ ного состояния, и др. При этом каждый из вышеназванных факторов для конкретного процесса определен не только качественно, но и количественно. Так, например, температурный интервал горячей прокатки ограничен температурами максимальной пластичности, свойственными рассматриваемой марке материала; скорость деформа­ ции конкретного процесса находится в точно регламентированном интервале (диапазон значений скорости деформации связан со сте­ пенями обжатия и особенностями того шш иного стана); схема объемного напряженного состояния обрабатываемого тела и отдель­ ных его частей также известна.

С другой стороны, деформируемость материала имеет вполне конкретное значение и выражается той максимальной степенью

5

деформации, которую способен выдержать материал данного -хими­ ческого состава при заданных условиях до начала нарушения сплош­ ности (возникновения трещин, видимых невооруженным глазом). Эту степень деформации можно назвать «предельной пластичностью» [53] и в свете сказанного применительно к конкретному процессу — «предельной деформируемостью». При достижении материалом пре­ дельной пластичности, соответствующей данным условиям деформи­ рования, наступает его полное или частичное разрушение. Так, предельная деформируемость материала при прокатке определяется одним из коэффициентов главной деформации (вытяжки, абсолют­

ного или относительного обжатия: ц = . b — АН или b — ~g~> соответствующим началу появления первой трещины); при растя­

полосы и d — диаметр заготовки 1.

В практике обработки металлов давлением используется понятие «допустимая степень деформации», или точнее «допустимая деформи­ руемость». Величина допустимой деформируемости выражается через максимальную степень деформации, которую способен претерпеть данный материал при принятых условиях процесса пластической обработки без нарушений сйлошности, видимых невооруженным глазом. Указанная характеристика допустимой степени деформа­ ции и является количественным выражением понятия «технологи­ ческая деформируемость». Связь между допустимой степенью дефор­ мации (технологической деформируемостью) и предельной степенью деформации (предельной деформируемостью) определяется, по мне­ нию автора, зависимостью Ьдоп = К3Ьлр, где К3— коэффициент запаса [54].

Не используя применяемых в литературе терминов «технологи­ ческая пластичность», «прокатываемость», «прошиваемость» и др., как не вносящих ничего нового, можно констатировать следующее:

1. Пластичность представляет собой качественное понятие, про­ являющееся в характеристиках деформируемости металлического вещества, количественно выражаемых через предельную степень деформации материала, претерпеваемой им До начала разрушения в конкретных условиях протекания определенного процесса обра­ ботки давлением (в общем случае— пластического деформирования).

2. Пластичность и деформируемость являются не свойством вещества, а его состоянием, которое определяется двумя группами условных факторов: 1) природными свойствами материала и пред­ шествующей технологией его изготовления; 2) условиями протека­ ния процесса пластического формоизменения.

1 Выбору критериев и определению «предельной деформируемости» посвящен ряд работ автора [30, 53, 57],

6

К факторам первой группы относятся химический состав и газосодержание, макро- и микроструктура, фазовое состояние, плот­ ность, наличие либо отсутствие дислокаций и вакансий и др. Во вто­ рую группу входят температура и скорость, схема напряженного

Иными словами, пластичность любого кристаллического материала

М — макро- и микроструктура; F — фазовый состав;

Т — температура;

V — скорость деформации; 5 — окружающая среда;

р— гидростатическое давление, определяемое схемой напря­ женного состояния;

W — масштабный фактор (форма и размеры обрабатываемого тела);

К — концентратор напряжений;

D — специфические условия протекания процесса деформации: дробность (число проходов), коэффициент трения (наличие смазки, чистота обработки инструмента, характер поверх­ ности тела) и др.

Рассмотрим более подробно каждый из приведенных факторов.

§2

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Влияние на пластичность материала его химического состава — общеизвестный факт, причем это влияние настолько многообразно, что в данной книге можно указать лишь общие качественные законо­ мерности, и то весьма условно. Количественно учесть все много­ образие этого влияния при сегодняшнем уровне знаний можно лишь применительно к отдельным характеристикам деформируемости материала конкретного химического состава в широком диапазоне условий проведения его деформации от простых испытаний на разрыв до производственного процесса пластической обработки (холодная или горячая прокатка, прессование, волочение, ковка и т. д.) для данного сортамента полуфабрикатов (листов, труб, поковок, лент, прутков, профилей и др.). Поэтому неслучаен огромный поток публи­ каций, посвященных технологии обработки давлением каждой новой марки стали, сплава, чистых металлов, а также исследованию их технологической деформируемости и механических свойств [24, 34,61]. Вместе с тем несмотря на большое количество эксперименталь­ ного материала, теоретически этот вопрос изучен мало [131. В распо-

' 7

ряжении исследователей нет расчетных формул, которые позволяли бы определять пластичность материала в зависимости от его хими­ ческого состава и от концентрации каждого из составляющих сплав элементов.

В настоящее время установлено, что наибольшей пластичностью обладают чистые металлы и их твердые растворы, наименьшей — химические соединения [28]. Что касается хладноломкости, то она свойственна металлам и сплавам, имеющим гексагональную и куби­ ческую объемно-центрированную решетку, хотя и не без некоторых исключений [63].

Многочисленные исследования, проведенные советскими и зару­ бежными учеными, свидетельствуют о вредном влиянии примесей, образующих в решетке атомы внедрения. Вследствие своей ничтож­ ной растворимости примеси внедрения (окислы, карбиды, нитриды и др.) присутствуют в твердом металле в виде пограничных мало­ пластичных фаз и резко снижают пластичность при средних и низких температурах. Примеси внедрения, находящиеся в твердом растворе, также снижают пластичность, что особенно ярко проявляется в туго­ плавких металлах. Большое значение имела разработка экспери­ ментального «ряда охрупчивания» для тугоплавких металлов. Для металлов разных групп ряды охрупчивания различны.

Следует отметить, что хладноломкость, вызываемая в основном примесями внедрения, имеет наибольшее значение для процессов холодной деформации.

Примеси вообще оказывают значительное влияние на пласти­ ческие свойства металла. Сточки зрения влияния на пластичность, существует деление примесей на две группы: вредные примеси, снижающие пластичность, и полезные технологические добавки, способствующие повышению пластичности. Нерастворимые примеси, располагаясь в полосах скольжения, как бы заклинивают их, снижая пластичность кристалла. Даже десятитысячные' доли легко­ плавких примесей сильно влияют на технологические свойства металла при высоких температурах, в первую очередь снижая его пластичность. Удалив из металла или сплава вредные примеси, можно существенно повысить пластичность. Загрязнение металла или сплава вредными примесями может сделать его практически непригодным

кобработке давлением.

Вмонографии [13] приводится ряд характерных примеров вредно­ го влияния сурьмы, висмута, фосфора, мышьяка и свинца на пластич­ ность медных сплавов (латунь, бронза, мельхиор), а также влияние серы, фосфора, и вредных газов на пластичность никеля и железа. Так, технологическую деформируемость стали ЭИ602 резко снижают примеси цветных металлов. Известно, что вредное влияние серы, проявляющееся в возникновении красноломкости, уменьшает до­ бавка марганца в сталь. Пластичность хромоникелевого сплава ЭИ437Б можно значительно увеличить путем уменьшения содержа­ ния вредных примесей, в первую очередь свинца.

Вбольшинстве случаев освобождение от ненужных примесей приводит к резкому -повышению деформируемости. При разработке

8

теории деформирования малопластичных сплавов следует обращать особое внимание на вопросы рафинирования исходных материалов. К полезным примесям, с точки зрения повышения пластичности металлов и сплавов, относятся широко применяемые присадки редко­ земельных элементов (церий, лантан и др.), а также металлы, исполь­ зуемые в качестве раскислителей и различного рода модификаторов. Эти вопросы подробно освещены в технической литературе и не тре­ буют дополнительного обсуждения.

Несмотря на значительную роль примесей решающее влияние на природную пластичность оказывают легирующие элементы, кото­ рые в различных сочетаниях с основным элементом сплава могут менять его свойства в широких пределах. В современных широко применяемых сталях и сплавах содержатся такие основные легирую­ щие элементы, как хром, никель, молибден, вольфрам. Большинство указанных элементов относится к числу полухрупких и труднодеформируемых. Повышение чистоты легирующих добавок способ­ ствует увеличению деформируемости как самих металлов, так и спла­ вов, содержащих их. Например, химически чистые хром, вольфрам и молибден можно свободно подвергать ковке и прокатке.

Выбирая химический состав сплава, подлежащего деформирова­ нию, следует предусматривать не только получение заданных физико­ механических свойств, но и деформируемость, учитывая фазовое состояние материала в температурном интервале обработки. С этой точки зрения необходимо ориентироваться на однофазные системы. Более подробно влияние фазового состава на пластическое поведение металлов будет рассмотрено ниже.

В настоящее время установлено качественное влияние ряда элементов на деформируемость легированныхсталей. Повышению пластичности металла в холодном состоянии содействуют такие элементы, как никель, вольфрам и кобальт; ванадий и молибден способствуют измельчению зерна и тем самым повышают пластичность стали при комнатной температуре. В общем случае увеличение содержания углерода и легирующих элементов снижает пластич­ ность стали при холодной деформации. Содержание 1,6% углерода является верхним пределом холодной деформируемости стали при любом процессе обработки. Наличие в стали уже 0,5—1,5% кремния также снижает ее пластичность.

Влияние' содержания алюминия на пластичность железоалю­ миниевых сплавов можно проиллюстрировать данными работы [47], представленными на рис. 1.

При горячей деформации химический состав играет значитель­ ную роль. С увеличением соотношения Сг/Ѵ с 1,6 до 1,8% резко снижается пластичность нержавеющей стали (критическое обжатие) при прошивке: брак по пленам на внутренней поверхности труб увеличивается почти в два раза. При соотношении в указанных сталях содержания Ті/С = 5,3-f-6,5 количество брака по тем же де­ фектам при прочих равных условиях минимально.

Материалы, обладающие высокой деформируемостью в холрдном состоянии, как правило, отличаются высокой пластичностью и в интер-

9