2.8. Влияние скорости деформации на пластичность и сопротивление деформированию

Обычно определения механических свойств металлов произ­водят на испытательных машинах со скоростями деформирования, не превышающими 10 мм/с. Обработка давлением на прессах и ковочных машинах ведется при средней скорости движения рабочего органа машины в пределах примерно 0,1—0,5 м/с. При обработке на молоте воздействие на металл носит уже дина­мический характер; скорость бабы молота в момент удара состав­ляет 5—10 м/с, а весь процесс деформации за один удар длится лишь сотые доли секунды. Еще более высокие скорости деформи­рования возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (—20—30 м/с и выше), а также при штамповке взрывом, электро­гидравлическим разрядом, магнитоимпульсным и другими видами импульсного нагружения, ныне с успехом внедряющимися в про­мышленность. Поэтому весьма важно знать, можно ли при анализе и проектировании процессов обработки давлением пользоваться данными о механических свойствах металлов, полученными путем обычных испытаний. Иначе говоря, очень важно знать, как влияет скорость деформации на пластичность и напряжение текучести.

В первом приближении можно сказать, что при увеличении скорости деформации напряжение текучести возрастает, а пла­стичность падает.

С увеличением скорости деформации особенно резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скорости деформации большинство алюминиевых сплавов, низколегированная и углеродистая конструкционная стали [39]. Последние обладают при горячей обработке вполне достаточной пластичностью при любых практически применяемых скоростях деформирования [12].

Влияние скорости деформации при холодной обработке давле­нием значительно меньше, чем при горячей. Интенсивность роста этого влияния больше в диапазоне малых скоростей (мм/мин) и весьма мала в диапазоне больших скоростей.

Однако приведенные данные требуют уточнения. Надо учи­тывать прежде всего два существенных обстоятельства: наличие при горячем пластическом деформировании двух противоположных процессов: упрочняющего и разупрочняющего (возврат и рекри­сталлизация), а также тепловой эффект пластической деформации. О возврате и рекристаллизации говорилось ранее. Тепловой эффект выражается в том, что энергия, расходуемая на пласти­ческую деформацию, превращается в основном в теплоту. Коэф­фициент выхода теплоты, по данным С. И. Губкина, составляет для чистых металлов 0,85—0,90, для сплавов 0,75—0,85. Осталь­ная часть работы деформации идет на повышение внутренней энергии металла. Тепловой эффект при прочих равных условиях уменьшается с увеличением температуры деформации, так как с повышением температуры падает напряжение текучести и сни­жается энергия, необходимая для деформации. Поэтому при одной и той же степени деформации данного образца в холодном и горя­чем состоянии в последнем случае теплоты выделится меньше. Если скорость деформации малая, то теплота будет рассеиваться и процесс будет протекать почти изотермически. Наоборот, при больших скоростях деформации выделяющаяся теплота повысит температуру тела, иначе говоря, будет наблюдаться температур­ный эффект. На основании сказанного температурный эффект при горячей деформации меньше как вследствие выделения меньшего количества теплоты, так и потому, что количество выделившейся теплоты мало по сравнению с теплосодержанием нагретого ме­талла.

При холодной обработке давлением разупрочняющие процессы не происходят. Напряжение текучести растет со степенью дефор­мации в результате упрочнения, изменение скорости в некоторых пределах мало влияет на ход процесса. В отдельных же случаях холодной обработки давлением при высоких скоростях деформи­рования в результате температурного эффекта может возникнуть явление возврата; напряжение текучести станет меньше, а пластич­ность больше, чем это было при более низкой скорости.

При горячей деформации идет процесс рекристаллизации. Чем выше скорость деформации и чем меньше скорость рекристал­лизации, тем больше напряжение текучести и тем меньше пла­стичность.

Сталь при низких температурах нагрева и магниевые сплавы при нормальном температурном интервале ковки имеют очень малую скорость рекристаллизации, поэтому повышение скорости деформации может изменить характер обработки: из горячей она обратится в неполную горячую, что и вызовет резкое уменьшение пластичности при одновременном росте напряжения текучести.

Особый эффект может дать изменение скорости деформации, если обработка производится при температурах, близких к зонам хрупкости. Например, у технически чистого железа (армко-железа) зона хрупкости лежит в температурном интервале 825— 1100° С. Если производить ковку, например, при температуре, близкой к 825° С [39], с большой скоростью деформации, то вследствие температурного эффекта деформации металл окажется в зоне хрупкости. Тот же температурный эффект при температуре, близкой к 1100° С, может вывести металл из зоны хрупкости. Таким образом, в одних случаях повышение скорости деформации ведет к увеличению напряжения текучести и снижению пластич­ности, а в других в связи с температурным эффектом может при­вести к обратным результатам [12, 13].

Многие исследователи пытались аналитически выразить зави­симость напряжения текучести от скорости деформации при за­данной температуре и степени деформации. Наибольшего внимания заслуживают формулы, предложенные П. Людвиком

<*_s = o_s о + п In -4-

и А. Рейто

Здесь o_s и a_s0 — напряжения текучести соответственно при ско­ростях деформации 8 и е₀; п и т — константы, определяемые экспериментально.

С. И. Губкин [13] считает, что первой формулой целесооб­разно пользоваться в области температур деформации с полным и неполным упрочнением, а вторую применять для температур деформации с полным и неполным разупрочнением. Это в общем подтверждает и Л. Д. Соколов в своих исследованиях, посвящен­ных изучению влияния температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию [90].

.' При практических расчетах можно учитывать влияние скорости деформации при помощи так называемого скоростного коэф­фициента г|з_с, показывающего, во сколько раз увеличивается напряжение текучести при том или ином увеличении скорости деформации (табл. 2.1).

Поведение металла при весьма больших скоростях деформи­рования, соответствующих, например, процессам штамповки взры­вом, пока еще изучено недостаточно. Однако опыты показывают, что углеродистые и легированные конструкционные стали, а также пластичные сплавы цветных металлов при высоких ско­ростях деформирования допускают неограниченную степень де­формации. У сплавов же с низкой пластичностью значительного повышения пластичности не наблюдается. С другой стороны,

известно, что некоторые сплавы, труднодеформируемые в обычных условиях, успешно обрабатываются под действием взрыва.

Вместе с тем для многих металлов и сплавов обнаружены критические скорости деформации, при которых они теряют пла­стичность и становятся хрупкими.

Кроме того, при весьма значительных скоростях деформирова­ния уже сказывается влияние сил инерции. Нагрев же обрабаты­ваемого металла за счет тепловыделения бывает выражен на­столько резко, что могут возникнуть явления местного пережога, если нагревать металл до обычно принятых температур.

В последнее время начали применять обработку металлов давлением при одновременном воздействии ультразвуковыми ко­лебаниями на очаг деформации. Эксперименты показывают, что при облучении металла ультразвуком в процессе деформации заметно снижается напряжение текучести и тем самым умень­шаются необходимое деформирующее усилие и работа деформации. Однако в отдельных случаях наблюдается и некоторое уменьше­ние пластичности, выражающееся в снижении допустимой степени деформации [84].