3. Пластическая деформация металла

Пластичность—это способность металлического те­ла под влиянием внещних усилий остаточно изме­нять свою форму (при неизменном объеме) без раз­рушения. Чем выше степень деформации тела до появления первых признаков разрушения, тем выше' его пластичность независимо от ве­

личины приложенных внешних усилий. Пластическая деформация осу­ществляется, главным образом, за счет сдвига кристаллов тела под действием касательных напряжений по определенным кристаллографи­ческим направлениям и плоскостям с наиболее плотно упакованными атомами (например, в направлении диагоналей куба).

Разрушение — отрыв (разрыв) тела в результате достижения кри­тического значения нормального напряжения; оно может происходить без предшествующей пластической деформации, если сопротивление отрыву меньше сопротивления сдвигу (хрупкие металлы) или после значительной деформации. В некоторых случаях разрушение может происходить также в результате действия касательных напряжений после пластической деформации.

Пластичность зависит не только от свойств вещества (определяе­мых его химическим составом, структурой, температурой, степенью и скоростью деформации), но и от механической схемы деформации. Ме­ханическая схема деформации имеет важное значение при обработке металла давлением, так как она позволяет повысить или понизить ука­занную выше природную пластичность.

При схеме напряженного состояния всестороннего сжатия вероят­ность разрушения металла путем отрыва мала, поэтому при этой схе­ме можно достигнуть наибольшей пластичности. Наоборот, при схеме всестороннего растяжения вероятность отрыва велика, поэтому плас­тичность наименьшая.

На пластичность оказывает влияние не только схема напряженного состояния, но и абсолютная величина главных напряжений, характе­ризуемая средним (так называемым гидростатическим) давлением о_Ср=р= (а₁ + 02~!-Оз)/3. Чем больше сг_Ср, тем выше пластичность, так как при больших значениях а_ср металл уплотняется (ликвидируются по­ры), облегчается внутрикристаллитная и затрудняется межкристал- литная деформация, повышается сопротивление деформации. Когда 0з<0ср< (01 + 0.0/2 схема деформации имеет одну деформацию удли­нения (по оси максимального напряжения <Г\) и две деформации сжа­тия (по двум другим осям). Такая схема всестороннего сжатия с де­формацией по одной из осей обеспечивает наивысшую пластичность (прессование — выдавливание металла через очко матрицы, см. табл. 1.1), но она требует приложения большого усилия к деформируемому телу.

При 0_Ср=02= (01 + <тз)/2 деформация е₂=0 (например, уширение при прокатке широкого листа) механическая схема всестороннего сжа­тия обладает достаточно хорошей пластичностью.

Таблица 1.1. Механические схемы деформации основных технических процессов обработки металлов давлением

Схема деформа­ции

Необходимое

усилие

Схема напряжен­ного состояния

Пластичность

Процесс

Очень хоро­шая

Хорошая

/

Высокое

Прессование

Прокатка лис­тов

/

Удовлетвори'

тельная

Среднее

Осадка

/

Пониженная

Низкое

Волочение

0

Рис. 1.15. Зависимость предела текучести <?_т различных металлов от относительного обжа­тия в при холодной прокатке:

1 — сталь 1X18I-19T, Л₀=1.5 мм; 2 — никель; 3 — нейзильбер; 4 — латунь Л62; 5 — мельхи­ор; 6 — сталь 10, /!«=2 мм; 7 — медь, Ао— = 10 мм; 9 — алюминий

О 20 40 60 80 Степень ' дефорпации; %

Рис. 1.14. Зависимость механических свойств стали от степени деформации

О 200 500 700 10001,° с

б_Й, МПа

Рис. 1.16. Изменение свойств стали (предела прочности а_в и удлинения 6) при отжиге

При разноименных схемах снижается усилие, необходимое для пла- стической деформации, при этом уменьшается пластичность.

Таким образом, пластичность — не только природное свойство ме- талла, но и его состояние, и она зависит также от механической схемы деформации (табл. 1.1). Поэтому при обработке давлением малоплас- тичных металлов не следует применять схемы напряженного состояния с растягивающими напряжениями.

Деформация металла в холодном состоянии

.Из практики известно, что по мере увеличения степени холодной де- формации металл утрачивает свои природные пластические свойства и становится жестким и хрупким, т. е. трудно деформируемым.

На рис. 1.14 приведены кривые, характеризующие это изменение при осадке образцов из стали с содержанием 0,1% С. Как видно из рис. 1.14 при деформации свыше 80 % металл почти полностью теряет пластические свойства (удлинение становится почти равным нулю).

б_в, МПа б_т, МПа

1000

800

600

400

200

Такие диаграммы, которые показывают изменение механических свойств металла в зависимости от степени холодной деформации, назы­ваются диаграммами наклепа (упрочнения). Эти диаграммы имеют очень большое значение, так как они показывают состояние свойств металла после определенной степени деформации и возможность даль­нейшей его пластической деформации.

На рис. 1.15 приведены кривые зависимости сопротивления линей­ной деформации о_т от степени деформации для различных металлов и сплавов.

Как показывают исследования, при холодной пластической дефор­мации структура металла изменяется: происходит размельчение зерен металла и определенная их ориентация в направлении наибольшей де­формации.

Для восстановления пластических свойств металла с целью даль­нейшей его деформации необходимо снять наклеп и возвратить метал-

/200

7/0О

/О 20 30 40 SO С,, %

Рис. 1.17. Пространственная диаграмма рекри­сталлизации стали

/ООО А'

ш ^ i

ООО $

(V

лу его прежние механические свойства. Для этой цели холодная плас­тическая деформация всегда сопровождается промежуточными нагре­вами (отжигами) деформированного наклепанного металла.

В процессе нагрева наклепанного металла в нем будут происходить следующие процессы: возврат / и рекристаллизация II (рис. 1.16).

Возврат происходит при нагреве наклепанного металла до низких температур (для стали до 400—500°С). При таком нагреве структу­ра металла не изменяется, но внутренние напряжения в металле сни­маются и пластические свойства его несколько повышаются (уменьша­ются предел прочности, предел текучести и твердость, увеличивается удлинение.)

Рекристаллизация происходит при нагреве деформированного ме­талла до более высоких температур, при которых происходит полное перерождение структуры металла (рост зерна) и возврат его механи­ческих свойств.

Процесс рекристаллизации является неотъемлемой технологической операцией при всякой холодной деформации металла (прокатке, воло­чении и т. д.), ,и он имеет большое практическое значение. Благода­ря рекристаллизации происходит полное восста­новление механических свойств металла и перерож­дение его структуры, чем обеспечивается возможность дальней­шей его холодной деформации.

При изучении влияния процесса рекристаллизации на изменение механических свойств деформированного металла необходимо иметь в

виду одно очень важное обстоя­тельство— величину зерна после рекристаллизации. Оказывается, что величина зерна зависит от многих факторов: степени дефор­мации, температуры, продолжи­тельности нагрева, размера ис­ходных зерен и т. д. Для каждого металла есть своя, определенная (так называемая критическая) степень холодной деформации, после которой рекристаллизацион- ный отжиг вызывает нежелатель­ный рост зерна. Эта степень де­формации называется критиче­ским наклепом. Например, холодную прокатку листовой стали с содержанием около

0,1 %С надо заканчивать или при очень малом обжатии (нагартовка около 2—4%) или при больших обжатиях — по-' рядка 30—60 %. Средние обжатия в пределах 7—12 % соответствуют критическому наклепу, при котором в процессе последующей рекрис­таллизации образуется очень крупнозернистая структура металла. При такой структуре листовая сталь с содержанием 0,1 % С не годится для глубокой штамповки.

На рис. 1.17 приведена так называемая пространственная диаграм­ма рекристаллизации стали.

Из этой диаграммы наглядно видно наличие критических степеней деформации (до 10%), вызывающих большой рост зерна. Величина этих критических степеней деформации различна для разных темпера­тур рекристаллизации.

При температуре нагрева, несколько большей, чем температура фа­зового превращения, можно получить мелкое зерно независимо от сте­пени наклепа; при температурах, значительно превышающих верхнюю критическую точку Лс₃(>1100^оС), зерно получается крупным для всех степеней предшествующей деформации. Практическое значение таких диаграмм очень большое, так как они позволяют правильно выбрать

нужный технологический процесс холодной деформации и отжига на­клепанного металла с тем, чтобы получить более мелкозернистую структуру металла и необходимые механические свойства.

Деформация металла в горячем состоянии

Горячей обработкой металла называется деформация его при темпера­турах, превышающих температуру рекристаллизации.

Деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации сопровождается наклепом (упрочнением), так как рекристаллизации зерен металла при этом не происходит, т. е. в этом случае имеет место собственно холодная деформация, хотя температура металла и выше обычной комнатной (или цеховой) температуры (иногда такую дефор­мацию называют теплой). Интересно отметить, что температура рекри­сталлизации чистых свинца, олова и цинка равна около 20°С, поэтому холодная деформация их при этой температуре, строго говоря, явля­ется горячей деформацией, так как при этом происходит полная рекри­сталлизация этих металлов и практически они не упрочняются (не имеют наклепа). Это свойство указанных металлов широко использу­ют в лабораторных условиях при проведении опытов по изучению раз­личных условий их деформации, так как результаты этих опытшз в некоторой степени могут быть сравнимы с горячей деформацией стали, проведение опытов с которой затруднительно ввиду необходимости нагрева ее до высоких температур (свыше 1000 °С).

Что же происходит с металлом при горячей деформации?

Выше указывалось, что всякое пластическое изменение формы тела сопровождается упрочнением (наклепом) материала. Однако если деформ ация металла происходит при высоких тем­пературах, то наряду с упрочнением металла про­исходит и его рекристаллизация, т. е. перерождение зе­рен металла и снятие всех внутренних напряжений.

Если продолжительность времени рекристаллизации металла доста­точна для снятия его упрочнения, то наклепа металла в процессе де­формации не будет. Величина зерна деформированного в горячем со­стоянии металла будет определяться при этом температурой окончания деформации и степенью деформации согласно диаграмме рекристалли­зации (см. рис. 1.17).

Так как при горячей деформации металлов пластические свойства их выше, а сопротивление деформации (давление со стороны рабочего инструмента, например валков) ниже, чем при холодной деформации, то отсюда следует, что горячая деформация экономически более выгодна, чем холодная, поэтому последнюю применя­ют только в том случае, если по различным техническим и технологи­ческим требованиям готовый катаный продукт нельзя получить в горя­чем состоянии (например, тонкую стальную ленту, проволоку и т. д.).

При выборе режима горячей прокатки необходимо учитывать тем­пературу нагрева металла перед прокаткой.

Если эта температура нормальная (выше температуры Ас₃ и ниже температуры перегрева), то металл будет обладать большой пластич­ностью и легко поддаваться деформации. При этом если температура окончания деформации будет:

а) высокой (выше Ас₃) и время охлаждения металла после прокат­ки достаточным, то металл получится крупнозернистым, так как рост зерен будет продолжаться и после окончания прокатки;

б) близкой к критической температуре Лс₃, то металл получит наи­более устойчивую мелкозернистую структуру;

в) ниже температуры Лс_ъ, но выше Ас\ и при этом степень дефор­мации (относительное обжатие) будет критической (8—15%), то воз­можен рост зерна;

г) ниже Ас_{ (например, для углеродистой стали ниже 680 °С), то ме­талл после деформации останется с наклепом, так как рекристаллиза­ция при этой температуре полностью произойти не может.

Если температура нагрева металла перед прокаткой очень высокая (например, для углеродистой литой стали выше 1350 °С), то вследствие большой величины зерен и возможного окисления зерен и межкрис- таллической прослойки между ними (ввиду увеличения сродства' ме­талла с кислородом при высокой температуре) пластичность металла будет пониженной; при последующей деформации могут появиться трещины от перегрева на поверхности металла, что может привести в дальнейшем к его браку. В этом случае необходимо деформацию пре­кратить, охладить металл и снова нагреть его до нормальной темпера­туры горячен деформации.

Для подсчета усилий, требующихся для горячей деформации метал­лов и их сплавов, необходимо знатъ прочность этих материалов ( пре­дел текучести) при тех температурах, при которых производился го­рячая деформация. Чтобы определить прочность металлов'при раз­личных температурах, в лабораториях проводят специальные опыты по растяжению (или сжатию) металлических образцов при этих тем­пературах. Образцы при этом помещают в небольшие электрические печи, смонтированные непосредственно на испытательных машинах (рис. 1.18). По полученным данным для каждой марки стали строят графики, на которых по оси ординат откладывают предел прочности (текучести), а по оси абсцисс— температуру. На рис. 1.19 представле­ны такие графики для углеродистых и легированных сталей и цветных металлов. Графики показывают, что при температурах выше 1000 °С для углеродистой стали всех марок величина предела текучести почти одинакова независимо от содержания в этой стали углерода, марганца и кремния. Предел текучести легированных сталей при высоких темпе­ратурах выше, чем углеродистых. Величина предела текучести метал­лов зависит также от скорости деформации (чем выше скорость де­формации, тем выше предел текучести (рис. 1.20).

Определение предела текучести ст_т и фактического (действительно­го) сопротивления металла деформации а_д при линейном растяжении и сжатии образцов осуществляется на специальной машине, называе­мой пластометром. На нластометре можно проводить испытание об­разцов при различных значениях температуры, степени и скорости де­формации.

Расчетное значение сопротивления деформации рекомендуется оп­ределять по эмпирической формуле В. И. Зюзина и А. В. Третьякова

сГд = fccfo', k — k_u kg, ,

где Go — базисное значение сопротивления деформации, принятое для некоторых средних параметров: температуры 1000 °С, скорости дефор­мации и—АО 1/с и степени деформации е=0,1, при которых £ = 1; kt, k_u и k _е — так называемые термомеханические коэффициенты: темпера­турный, скоростной и степени деформации.

В справочной литературе А. В. Третьякова и В. И. Зюзина приве­дено большое количество таблиц и кривых для определения сг₀ и тер­момеханических коэффициентов; некоторые данные из них представ­лены в табл. 1.2.

Пример. Определить <т_д для стали 45 при t=1200°С, и=5 с~¹ и е=0,15. Пс* табл. 1.2 находим; о₀ = 83 МПа; 6_t = 0,58; 6_U=0,93 и fc_e = l,13, поэтому £=0,61, а_д=-

=51 МПа.

Таблица 1.2. Значения a₀, kt, k_u и k_B для некоторых марок стали

Марка стали	о0, МПа	kj при t, °С			ka при И, С 1			ke при е
		900	1100	1200	0,5	5	50	0Л5	0,25	0,40
45 12ХНЗА 1Х18Н9Т	83 100 122	1.27 1,33	0,75 0,76 0,76	0,58 0,52 0,59	0,65 0,65 0,81	0,93 0,9 0,94	1,29 1,25 1,17	1.13 1,17	1,26 1,28 1,3	1,32 1,34 1,36

На рис. 1.21 приведены экспериментальные кривые зависимости сг_д низкоуглеродистой стали (ОД7 % С) от обжатия; очевидно, что при увеличении скорости деформации сопротивление деформации резко увеличивается.

Рис. 1.19. Зависимость предела прочности (те­кучести) различных металлов и сплавов от температуры:

б_в, б_г, МПа

Рнс. 1.18. Схема устройства для испытания »а растяжение стальных образцов при высо­ких температурах:

/— Х12Н9Т; 2 —сталь 50; 3 — Ст5; 4 —СтЗ; 5 — латунь; 6 — дюралюминий

1 — нижннй захват; 2 — нижняя термопара;

3. — верхняя термопара-. 4 — стальной образец; 6 — двухсекционная индукционная печь; 6— верхний захват

О 10 20 30 40 с, %

800°С

6_Г, МПа

О 10 20 30 40 £, %

Рнс. 1.21. Зависимость сопротивления дефор­мации <Уд низкоуглеродистой стали (0,17 % С) от обжатия за проход г при различных скоро­стях деформации и и температурах: а — 1000 °С; б — 1100 °С; в — 1200 °С

Рис. 1.20. Зависимость предела текучести при различных температурах от скорости дефор­мации:

а — для низкоуглеродистой стали; 6 — для легированной стали при е=0,3 (/, 4 — ШХ15; 2, 5 — ЗОХГС; 3, 6— 1Х18Н9Т; /—3— 1000°С; 4-6 — 1200 °С>