5.3. Пластичность, деформируемость. Разрушение

Термин «пластичность» в разных разделах науки имеет несколько различный смысл. В дисциплинах «сопротивление материалов» и «детали машин» рассматривают малые пластические деформации обычно при комнатной температуре и при напряжениях меньших или близких пределу текучести. При этом не получают большого развития процессы скольжения, упрочнения и разупрочнения, характерные для пластической деформации – ОМД.

Пластичность – это свойство металла деформироваться остаточно (необратимо) без макроразрушения.

Чем выше степень деформации до появления первых признаков разрушения, тем выше его пластичность независимо от величины приложенных нагрузок. Каждому технологическому процессу ОМД свойственно свое напряженное состояние и свое развитие деформации в условиях переменного напряженного состояния.

Мерой пластичности является степень деформации, полученная (накопленная) к моменту разрушения (макроскопического нарушения сплошности).

Количественная мера пластичности – степень деформации сдвига в момент разрушения Λ_р. В случае простого нагружения (по А.А.Ильюшину) или монотонного деформирования (по Г.А.Смирнову-Аляеву) эффективная степень деформации сдвига Λ определяется как интенсивность главных истинных деформаций:

где ε₁ = ; ε₂ = ; ε₃ = - главные удлинения; Λ – степень деформации сдвига

Степень деформации – это вся накопленная частицей материала пластическая деформация в течение некоторого отрезка времени, которая рассчитывается вдоль траектории движения частицы по формуле (1). Степенью деформации сдвига называется величина, отличающаяся от ε_и постоянным множителем (2) или

В ОМД показатели пластической деформации: степень деформации ε_и и степень деформации сдвига Λ; на практике широко применяются условные характеристики величины пластической деформации, отличающиеся от ε_и и Λ: относительное обжатие, относительное удлинение, относительное сужение, вытяжка и т. п. Точные значения степени деформации ε_и и степени деформации сдвига Λ подсчитываются по формулам (1) и (2).

Для процесса деформации в момент разрушения Λ_р (для процесса холодной обработки давлением):

(1)

где Η ( τ ) – интенсивность скоростей деформации сдвига

, где ζ – скорость деформации определяется по формуле:

при i,j ≠ 0; V_i и V_j – скорости движения частицы.

или в логарифмических деформациях:

Основные факторы, влияющие на пластичность:

1.состав металла, его кристаллическое строение и структурное состояние, которое зависит от предварительной обработки / термической и деформационной;

2-температура деформации;

3- скорость деформации;

4- напряженное и деформированное состояние, степень неравномерности деформации, гидростатическое давление.

Зависимость пластичности от состава и структуры деформируемого металла.

Увеличение содержания углерода в стали снижает ее пластичность, а прочность увеличивается; снижение пластичности вызывают также неметаллические включения, а также сера, фосфор, кислород, водород, азот.

Один и тот же материал в зависимости от структуры / величины зерна / может иметь различную пластичность / табл./

Механические свойства стали 10 КП

Свойств	Крупное зерно	Мелкое зерно
sТ, МПа	218	324
sВ, МПа	334	412
y, %	45	70

Чем сложнее сплав по числу входящих в него компонентов, тем больше содержит он примесей и чем неоднороднее его микро- и макроструктура, тем меньше пластичность данного сплава.

Чем больше степень деформации до появления первых признаков разрушения, тем больше его пластичность независимо от величины приложенного усилия.

Сплав в литом состоянии обладает меньшей пластичностью, чем в деформированном состоянии

На практике наблюдается зависимость пластичности от размеров деформируемой заготовки: чем больше объем заготовки, тем больше неравномерность распределения концентраторов напряжений, т.е. тем неоднороднее его напряженное состояние. Получить более плотную и однородную структуру, как правило, легче при меньшем объеме слитка. Пластичность большого слитка, как правило, всегда меньше, чем пластичность малого слитка.

2.Влияние температуры на пластичность.

С ростом температуры увеличивается подвижность атомов в кристаллической решетке и создаются условия для реализации наиболее эффективных механизмов пластической деформации, разупрочнения, залечивания дефектов, в которых решающую роль играет явление диффузии. Наибольшая пластичность обычно соответствует температуре рекристаллизации; при температурах, близких к температурам плавления, пластичность снижается из-за перегрева и пережога.

3.Влияние скорости деформации.

С увеличением скорости деформации при горячей обработке металла пластичность падает; при холодной обработке металла скорость деформации влияет на пластичность в меньшей степени.

1. Влияние напряженного состояния.

При переходе от линейной схемы напряженного состояния – растяжения к объемной пластичность существенно падает, а в некоторых даже случаях вместо вязкого разрушения может наступить хрупкое. При переходе от растяжения к сжатию пластичность повышается.

Анлийский физик П.Бриджмен / 1950-1955 г. / при давлении 2,35 ·10⁹ Па / 24 тыс. атм./получил деформацию e = Ln ( L₁ / L₀ ) в 8 раз больше, чем в обычных условиях.С.И.Губкин отмечал, что "чем меньшую роль в схеме главных напряжений играют растягивающие напряжения и чем большую роль играют сжимающие, тем большую способность к пластической деформации проявляет металл". Положительное влияние сжимающих напряжений на повышение ластичности объясняется следующими причинами:

• объемное сжатие затрудняет, а иногда и исключает межкристаллитную деформацию, которая при отсутствии залечивания дефектов ведет к накоплению межкристаллитных нарушений, приводящих к разрушению поликристалла;

• с увеличением сжимающих напряжений происходит уплотнение металла и залечивание микро- и макронарушений;

• объемное сжатие полностью или частично обезреживает отрицательное влияние на пластичность неметаллических включений и жидких фаз, присутствующих в малых количествах в деформируемом теле;

• объемное сжатие совсем или значительно снижает дополнительные растягивающие напряжения, возникающие в результате неоднородной деформации, которая почти неизбежна при осуществлении реального процесса ОМД.

В общем виде зависимость пластичности от напряженноого состояния при ОМД выражается так: L_Р = L_Р ( I₁; I₂; I₃ ), где I₁; I₂; I₃ - инварианты тензора напряжений, а для характеристики напряженного состояния достаточно взять два безразмерных параметра: коэффициент схемы напряженного состояния К_Ж = s/Т и m_s - коэффициент Лоде – Надаи, где

– среднее (гидростатическое) давление, а Т – интенсивность касательных напряжений: . Согласно энергетическому условию пластичности при ОМД: s_i = s_s и

Показатель формы девиатора напряжений, называемый коэффициентом Лоде – Надаи

Ниже приведены результаты расчета характеристик напряженного состояния - параметров s/Т и m при различных видах напряженного состояния:

Вид напряженного состояния	s1	s2	s3	s	Т	s / Т	m
Простое растяжение	ss	0	0	ss/3		0,58	-1
Простое сжатие	0	0	- ss	- ss/3		- 0,58	1
Чистый сдвиг / кручение /	ts	0	- ts	0	ts	0	0
Двухосное сжатие	0	-ss	- ss	-2ss/3	-	-1,16	-1
Трехосное сжатие	- ss	- ss	- 2ss	- 4ss/3	-	-2,32	1
Трехосное растяжение	4ss	4 ss	5ss	13ss/3	-	7,5	1

Характеристика напряженного состояния при различных процессах ОМД по данным работы [34] приведена ниже

Способ ОМД	s / Т	ms
Волочение проволоки	- 1,15…0,5*	- 1,0
Волочение труб на оправке	- 1…0,4*	- 1,0…0,0
Безоправочное волочение труб	- 0,58…0,40*	- 0,3…0,3
Гидропрессование круглых прутков	- 0,6…1,15*	- 1,0
Валковое редуцирование труб	- 1…- 0,58*	- 0,5…0,5
Прокатка труб на станах ХПТ	- 3,5…058***	- 0,6…0,5
Прокатка листа	- 5,0…- 1,0**	0
Прокатка сорта в калибрах	-3,0… 0,58***	- 0.8… 0,0

Примечание: ^*первые значения относятся ко входу в очаг, а вторые – к выходу из очага деформации; ^** первые значения относятся к нейтральному сечению, а вторые – ко входу или выходу из очага деформации; ^*** первые значения относятся к вершине калибра, а вторые – к выпуску калибра.

В ряде работ величина s/Т называется коэффициентом жесткости напряженного состояния К_ж = s/Т

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПЛАСТИЧНОСТИ

При разработке технологических режимов обработки металлов давлением важно иметь характеристики пластичности металла при различных температурах и скоростях деформации для назначения безопасных для целостности металла степеней де­формации.

Установить единый показатель пластичности невозможно, так как пластичность зависит от механической схемы деформации и не является константой металла.

В связи с этим для оценки пластичности применяют несколько показателей, каждый из которых называют показателем единичной пластичности.

В качестве показателей единичной пластичности обычно применяют следующие: сужение площади при разрыве; остаточное удлинение при разрыве; относительную деформацию при осадке образца до появления первой трещины; число скручиваний образца до разрушения; ударную вязкость.