книги из ГПНТБ / Клименко П.Л. Производство сортового проката [учеб. пособие для рабочих]

щадки называются главными и напряж ения на них глав ­ ными (рИС. 3 ) . ПрИНЯТО, ЧТО О і> С Т 2 > 0 з.

Различают деформации упругую и пластическую Деформацию называют упруг ой , если после прекра­ щения действия вызвавших ее сил тело вновь приобре-

п л а с т и ч е с к о й .

Тело, испытывающее пластическую деформацию, после снятия нагрузки не принимает первоначальной формы и не восстанавливает размеров, но не утрачи­ вает полностью своих упругих свойств. Остаточной (пластической) деформации всегда предшествует упру­

происходит разрушение тела.

Известно, что при растяжении остаточные деформа­ ции получаются при достижении предела текучести материала. Иными словами, пластическая деформация при растяжении наступает тогда, когда напряжение достигает предела текучести материала в данном состоя­ нии (т. е. при определенной температуре, скорости де­ формации и т. д.).

Каждый вид пластической деформации характери­

10

Металлы и их сплавы, подвергаемые пластической деформации, в твердом состоянии имеют кристалличес­ кое строение и упорядоченное расположение атомов в объеме. Условно строение кристаллов можно предста­ вить в виде элементарной ячейки. К числу наиболее распространенных поликристаллических ячеек относятся кубическая объемноцентрированная, кубическая гране­ центрированная и гексагональная (рис. 6). Совокуп-

рова.ниая кубическая; в — геюсаігональнап

12

ность элементарных ячеек образует в пространстве кри­ сталлическую решетку.

Плотность расположения атомов в различных плос­ костях и направлениях в кристаллической решетке не­ одинакова, поэтому в разных плоскостях один и тот же кристалл может иметь различные свойства. Такая раз­ ница в свойствах металла называется анизотропией свойств.

Металлическое вещество состоит из кристаллов неправильной формы, которые называются зернами, или кристаллитами. Неправильная форма зерен при геометрически правильной форме кристаллических ре­ шеток обусловлена тем, что процесс затвердевания жид­ кого металла идет одновременно в большом количестве центров кристаллизации. Столкновение растущих крис­ таллов препятствует их росту и образованию правиль­ ной формы.

Вметалле кристаллиты ориентированы различно. Хотя 'каждый отдельный кристаллит является анизо­ тропным, но вследствие хаотического расположения кристаллитов, составляющих кусок металла, последний получает по всем направлениям приблизительно одина­ ковые свойства.

Внастоящее время установлено, что пространствен­ ная решетка кристаллита не является идеальной по своему строению. В ряде участков она имеет искажения

в результате, например, смещения группы атомов с мест устойчивого равновесия. Ѳти несовершенства крис-

Рюс. 7. Механизм .пластической деформации: а — околыжение; б — двойншкавание

13

таллических решеток называются дислокациями. Нали­ чие дислокаций оказывает большое влияние на проч­ ность металла, значительно снижая его сопротивление сдвигу.

Скольжение начинается тогда, когда значение сдвигаю­ щего усилия достигает вполне оп­ ределенной величины, которая называется критическим скалы­ вающим напряжением при .сдви­ ге и обозначается т8. Эта величи­ на зависит от температуры, скорости деформации и других условий.

Для осуществления пластиче­ ской деформации к телу прикла­ дывается внешняя сила, обычно направленная нормально к по­ верхности деформируемого тела. Нормальная сила в поликристал* лическоім теле вызывает каса­ тельные напряжения, под воз­

действием которых происходят сдвиги по плоскостям скольжения (рис. 8). Чтобы выяснить направление этих сдвигов, определим направления, по которым возникают

Напряжение в направлении действия силы Р в сече­ нии AB будет равно:

14

где сті = P/Fi —нормальное напряжение в сечении, пер­ пендикулярном направлению действия силы Р.

Касательные напряжения в сечении AB находим, разлагая напряжение о на два — нормальное оа и каса­ тельное та ; тогда получим:

та = а sin а = öy sin а cos а;

Из этого уравнения следует, что касательное напря­ жение будет максимальным при <х=45°. В этом случае оно равно

Следовательно, при пластической деформации, когда превышается предел упругости металла, сдвиги начнут­ ся в первую очередь в тех зернах, которые ориентиро­ ваны так, что плоскости скольжения их совпадают с плоскостями максимальных напряжений, т. е. под углом 45° к направлению действующей силы.

Области плоскостей, по которым происходят сдвиги, вследствие искажения кристаллической решетки стано­ вятся более прочными, чем участки, где сдвиги не прои­ зошли. Поэтому при повышении нагрузки новые сдвиги пойдут в направлениях, параллельных первым сдвигам, или в других кристаллографически благоприятных пло­ скостях скольжения.

Сдвиги возникают в тех участках кристаллической решетки, где атомы смещены из положений устойчивого равновесия (явление дислокации), так как потребное сдвигающее напряжение в плоскостях, имеющих дисло­ кации, значительно меньше необходимых напряжений в плоскостях, где дислокации отсутствуют.

Пластическая деформация развивается путем обра­ зования все новых и новых сдвигов. Металл при этом упрочняется, так как число направлений для образова­ ния сдвигов все время уменьшается.

При двойниковании часть кристалла под действием деформирующего усилия поворачивается на угол, рав­ ный 100° (2 а), принимая зеркально отображенное поло­ жение относительно другой части (см. рис. 7,. б). Двойникованне при пластической деформации может или идти как самостоятельный процесс, или сопровождать

15

процесс скольжения. При этом двойникование возникает в тех зернах, где скольжение по каким-либо причинам задерживается. Процесс двойникования наблюдается при небольших пластических деформациях и чаще при больших скоростях деформирования, чем при малых.

Скольжение и двойникование являются процессами внутрикристаллитной деформации. Однако при пласти­ ческой деформации имеет место и межкристаллитная деформация, т. е. изменение взаимного расположения и ориентировки зерен. Эти изменения приводят к однотип­ ному расположению зерен в металле, которое называ­ ется текстурой.

При пластической деформации изменяются свойства деформируемого металла. С точки зрения влияния на свойства различают деформации четырех видов: 1) хо­ лодную; 2) горячую; 3) неполную горячую; 4) неполную холодную.

Холодная обработка давлением происходит при тем­

Возвратом, или отдыхом называют упорядочение крис­ таллической решетки, которое наблюдается при нагреве металла в интервале температур 0—400°С.

Деформация металла в холодном состоянии сопро-\ вождается его упрочнением — наклепом. В результате упрочнения повышаются пределы прочности и текучес­ ти, а также сопротивление металла деформированию. Одновременно с этим снижаются пластические свой­ ства. 'При холодной деформации изменяется структура: зерна, деформируясь, вытягиваются и при достаточно больших обжатиях структура становится волокнистой. Такое ориентированное по направлению главной дефор­ мации изменение структуры приводит к анизотропии свойств, которая тем больше, чем больше степень де­ формации.

Холодная деформация влияет на магнитные и другие свойства металла.

Структура деформированного металла с искажен­ ными кристаллическими решетками, размельченными зернами, обладающими вследствие большой поверх­ ности значительной внутренней энергией, крайне не­ устойчива. Достаточно небольшой температуры нагрева, чтобы в металле начались разупрочняющие процессы..

16

ний пластические свойства такого металла выше, чем холоднодеформированного.

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Закон постоянства объема

Иногда пластическая деформация сопровождается незначительным изменением объема металла. Так, при деформации литого металла его объем несколько умень­ шается в результате уничтожения в нем неплотностей (усадочной рыхлости, газовых пузырей и т. д.). При дальнейшей обработке давлением металл, уже уплот­ ненный ранее, сохраняет постоянную плотность. Холод­ ная обработка давлением, т. е. обработка в условиях отсутствия рекристаллизации, когда происходит наклеп металла, вызывает очень небольшое уменьшение плот­ ности. Однако при рекристаллизации плотность металла восстанавливается.

Поскольку, кроме случаев уплотнения литого ме­ талла, плотность изменяется очень мало, допускают, что объемметалла приобработке давлениемостается по­ стоянным I (рис. 10):

Уравнение постоянства объема широкоиспользуют

Рнс. 10. Размеры образца до (а) н после (б) де­ формации

в расчетах изменения формы тел при всех процессах обработки давлением.

Закон наименьшего сопротивления

При пластической деформации точка тела переме­ щается в том направлении, где она встречает наимень­ шее сопротивление. Течению металла по поверхности

18

соприкосновения с деформирующим инструментом пре­ пятствуют силы трения, которые для каждой переме­ щающейся точки тем больше, чем длиннее траектория ее пути. Поэтому каждая точка движется в направле­ нии, перпендикулярном к ближайшей грани (рис. 11), и

пенно приобретает форму круга. Например, из прямоугольника сначала получается эллипс, а при больших степенях деформации — круг.

Такая закономерность измене­ ния формы поперечных сечений тела при осадке была замечена давно, в связи с этим был выска­ зан принцип наименьшего пери­ метра: любая форма поперечного сечения призматического или ци­ линдрического тела при осадке его в пластическом состоянии с

наличием контактного трения стремится принять форму, имеющую при данной площади наименьший периметр, т. е. в пределе стремится к кругу.

Закон дополнительных напряжений

На практике деформация не бывает однородной, так как степень деформации разных частей тела всегда раз­ лична. В связи с неравномерностью деформации раз­ меры отдельных слоев и элементов пластически дефор­ мируемого тела изменяются по-разному, что в свою оче­ редь влияет на соседние слои и элементы. Вследствие этого в металле возникают внутренние напряжения, ко­ торые называются дополнительными.

Закон дополнительных напряжений формулируется так.

При неравномерной деформации в более обжимае­ мых частях тела, которые стремятся получить большую вытяжку, возникают сжимающие напряжения, а в ме­ нее обжимаемых частях тела, которые стремятся полу-

19