1.3. Физические основы формоизменения металлов

Процессы деформации поликристаллов под действием внешних сил нельзя глубоко изучить без анализа явлений, происходящих в атомном строении металла.

Напомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов (и других частиц, открытых в последнее время), связанных силами сцепления.

Деформирование металла влияет на существующие в металле силы сцепления. При любой форме деформации металл подвергается растяжению и сжатию. При растяжении происходит увеличение межатомных расстояний, при сжатии — их сокращение.

При растяжении силы притяжения быстро убывают, и пластическое течение возможно только в том случае, когда в металле существуют свободные электроны, которые могут появиться между атомами и служить связующим звеном в атомной цепочке.

В зависимости от величины импульса, воздействующего на металл, возможны необратимые изменения как каждого межатомного расстояния, так и очаговые, где необратимые изменения межатомного расстояния локализуются в зонах с дефектами в строении металла.

Из-за неоднородности строения металл энергетически неоднороден и при деформации чаще всего наблюдается очаговая форма изменения внутреннего строения металла.

Энергия металла представляет сумму кинетической и потенциальной энергии всех атомов, входящих в него.

Мерой кинетической энергии является температура тела, которая представляет собой среднюю колебательную энергию атома относительно некоторого положения равновесия в кристаллической решетке.

Потенциальной энергией называют работу, которая необходима, чтобы вырвать атом из кристаллической решетки и унести его в бесконечность. С этой точки зрения наиболее прочные межатомные связи обладают максимальной потенциальной энергией.

Если воздействовать на металл наружными силами, то деформироваться он будет неравномерно — в первую очередь участки с пониженной потенциальной энергией.

Ранее, отмечалось, что процесс формоизменения металлов зависит от скорости деформирования, внутреннего строения и температуры, при которой происходит деформирование.

Рассмотрим влияние этих факторов.

1.3.1. Влияние скорости деформирования металла на процесс формоизменения.

В ряде литературных источников под скоростью деформирования металла подразумевают время воздействия элементов штампа на заготовку в процессе формоизменения.

Характер смещения атомов, а следовательно, и внутренняя структура металла при деформациях зависят от величины импульса, воздействующего на каждый атом.

Известно, что импульс определяется соотношением:

I=mv=Pt, (1)

где m—масса; v — скорость; Ρ — прилагаемое усилие; t —время.

Процессы деформации можно рассматривать по-разному: в зависимости от скорости течения металла, от прилагаемого усилия и времени воздействия его на металл.

При малых скоростях деформации происходит перемещение атомов на расстояния, кратные или не кратные межатомным, без значительного перекрытия электронных оболочек.

Сдвиг и изгиб пространственной атомной решетки соответствуют средним скоростям образования блоков и происходят путем дробления зерен с избыточной потенциальной энергией на отдельные части. При деформациях блоки поворачиваются, и характеристики зерен в направлении деформации выравниваются.

При деформациях сдвига происходит скольжение одних частей монокристалла или кристаллита относительно других по плоскостям скольжения. На плоскостях скольжения атомы обладают максимальной потенциальной энергией, в смежных с ними атомных рядах потенциальная энергия ниже, поэтому по, этим плоскостям скольжения и происходят перемещения.

В процессе пластической деформации возникает искажение пространственной атомной решетки и превращение плоскостей скольжения в периодические поверхности.

При больших скоростях деформирования (ударное импульсное деформирование) наблюдается двойникование. При этом процессе происходит одновременно скольжение по системам атомных плоскостей, параллельным «плоскости двойникования», на расстояния, пропорциональные расстоянию этих плоскостей от плоскости двойникования. В результате происходит поворот деформированной части кристалла в положение, зеркальное по отношению к недеформированному.

При импульсных скоростях деформирования происходят перестроения электронных оболочек атомов, причем достигается новое метастабильное состояние с характерными для него значениями сил отталкивания и притяжения. В результате металл приобретает повышенную прочность и пластичность. Микроструктура металла детали отражает все выше перечисленные явления.

1.3.2. Влияние внутреннего строения металла на процесс формоизменения.

Все технические металлы являются сплавами и содержат в тех или иных количествах растворимые и нерастворимые примеси. Для сплавов характерны твердые растворы, которые по типу кристаллической решетки можно разделить на растворы замещения и растворы внедрения.

Кристаллическая решетка твердого раствора замещения представляет собой решетку основного металла, в которой часть атомов замещена атомами легирующего компонента.

В кристаллической решетке твердого раствора внедрения атомы одного металла размещены в межатомных пространствах решетки другого металла.

Сплавы представляют собой однофазные твердые растворы или смесь различных фаз, причем устойчивой из них при данной температуре будет фаза с минимальной свободной энергией вещества. Остальные неустойчивые и с течением времени должны подвергнуться распаду и перейти в устойчивую форму.

Для строго определенных температуры и внешнего давления существует строго определенный предел растворимости одного компонента в другом. Поэтому при приложении внешних усилий в процессе формоизменения заготовки возможны фазовые превращения.

Помимо этой чисто физической неоднородности строения атомной решетки, могут быть и механические ее повреждения: отсутствие атомов в узлах решетки, присутствие атомов в междуузлиях и т. д. Эти первичные несовершенства строения пространственной атомной решетки называют дислокациями.

В металлах существуют нерастворимые примеси, которые располагаются по границам кристаллов. Взаимодействие атомов межкристаллического вещества иное, чем взаимодействие атомов внутри кристаллов, вследствие чего свойства металлов по границам зерен иные, чем внутри зерен. Наконец, в строении металла могут быть и макронарушения: пустоты, рыхлости и трещины.

Механизм явлений сдвига, блокообразования, двойникова-ния и изгиба пространственной атомной решетки можно объяснить движением дислокаций с последующей их разрядкой на внешних границах кристаллов.

1.3.3. Влияние температуры деформируемого металла на процесс формоизменения.

При деформировании заготовки внешними усилиями прихо-дится преодолевать действие межатомных сил, т. е. в этом случае энергия, передаваемая к заготовке от наружных рабочих элементов штампа, будет затрачиваться на преодоление потенциальной энергии атомов. Чтобы понизить потенциальную энергию атомов, необходимо увеличить ее кинетическую часть, т. е, повысить температуру.

При горячей штамповке заготовку нагревают выше температуры рекристаллизации. При повышении температуры кинетическая энергия атомов после некоторого значения начинает преобладать над потенциальной. Атомы преодолевают силы взаимодействия и легко диффундируют. При этом происходит более равномерное распределение компонентов по объему ме« талла, вследствие чего возможно растворение карбидов.

Наоборот, при понижении температуры межатомные связи усиливаются, и прочность сплава увеличивается. Усиление связей сопровождается сжатием кристаллографической решетки, при этом легирующие элементы выпадают либо в чистом виде, либо в виде химических соединений, в зависимости от типа диаграммы состояния между компонентами, входящими в сплав.

Общая особенность влияния температуры на металл заключается в следующем: при сравнительно низких температурах деформация происходит в основном за счет явлений, протекающих внутри кристаллитов при температурах, близких к температуре плавления, скольжение по границам кристаллитов играет значительную роль в общем процессе протекания пластической деформации.