книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

вале температур горячей деформации. Стали малоуглеродистые, а также легированные никелем и марганцем имеют большую способ­ ность к деформации, чем высоколегированные хромоникелевые, высокоуглеродистые инструментальные и быстрорежущие. Содержа­ ние углерода в количестве 1,7% практически составляет верхний предел деформируемости при горячей обработке давлением. Добавка в сталь оптимальных количеств редкоземельных элементов значи­ тельно повышает ее пластичность как при низких, так и при высоких температурах. Результаты широких исследований влияния отдель­ ных элементов и их количественного содержания на пластичность жаропрочных сталей и сплавов при низких и высоких темпе­

ратурах представлены в работах

Обобщение накопленного экспериментального материала, харак­ теризующего влияние легирующих элементов в различных сочета­ ниях и в разном количественном соотношении на пластичность ста­ лей и сплавов, позволит вывести расчетные формулы типа показатель деформируемости—концентрация легирующих элементов. В решении этой проблемы значительная роль принадлежит электронно-вычисли­ тельным машинам.

§ 3

МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА

Влияние структуры на пластичность при'обработке давлением имеет большое значение. Такие структурные факторы, как неблаго­ приятная ориентировка плоскостей сдвига, неравномерность свойств отдельных зерен, ускоряют появление микротрещин в деформируемом металле.

Макроструктура, видимая на протравленных шлифах невоору­ женным глазом, дает представление о кристаллическом строении

10

При прочих равных условиях проведения деформации для пласти­ ческой обработки, особенно холодной деформации, предпочтительно применять исходный металл с мелким зерном, так как любое укруп­ нение структуры вызывает большее или меньшее понижение пласти­ ческих свойств. Укрупнение зерна деформируемого металла приводит к более быстрому переходу от равномерной деформации к сосредо­ точенной и повышению чувствительности к надрезу. Чем меньше размер зерна, тем выше сопротивление металла хрупкому разруше­ нию, так как по длительности деформации до возникновения трещин материал с мелкозернистой структурой превосходит металлические материалы с крупнозернистой структурой. Считается, что чем круп­ нее зерно, тем ближе конгломерат к хрупкому разрушению. Измель­ чение зерна всегда влечет за собой увеличение прочности и благо­ приятно сказывается на пластическом поведении металла в процессе деформации.

С другой стороны, известно, что влияние границ зерен сказы­ вается на прочностных и пластических характеристиках материала, причем в большей степени на пластических (примеси по границам зерен снижают предельную пластичность).

Деформированный металл имеет ориентированную структуру. Как правило, пластические свойства, определенные на образцах, вырезанных вдоль волокон, выше, чем на образцах, вырезанных поперек волокон. Ввиду анизотропности свойств горячекатаного металла и разнородности структуры в продольном и поперечном направлениях сечения большая пластичность при последующей деформации будет иметь место при обработке в направлении ориенти­ рованных зерен (вдоль текстуры материала).

В заключение можно сказать, что чем однороднее структура по конфигурации и величине зерна, химическому составу, распределе­ нию включений, примесей и т. д., тем выше пластичность ма­ териала.

§4

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ

Максимальной пластичностью при деформации обладает металл однофазного строения. Специфической особенностью многообразных сложных систем является разнородность физико-механических свойств фаз, составляющих данную структурную систему. Это создает при деформации неравномерность распределения напряжений и большой рост дополнительных напряжений второго рода. Так, даже у поликристаллического тела, состоящего из однофазного твердого раствора двух компонентов, разнородность зерен будет больше, чем у чистого металла, не говоря уже о системах с двумя и более фазами. В общем случае появлейие второй фазы ускоряет возникновение микротрещин в деформируемом металле. Избыточные структурные фазы, как пра­ вило, в той или иной степени снижают пластичность деформируемого

12

металла. К избыточным фазам относятся феррит в аустенитной стали (a-фаза), карбидные и интерметаллические соединения, соединения типа a-фазы в высокохромистых сталях и др.

Поведение избыточных фаз при повышении температуры раз­ лично: некоторые переходят в твердый раствор и их влияние исче­ зает, другие возникают при нагреве, третьи существуют не изменяясь вплоть до температур перегрева. Так, для низкоуглеродистых ста­ лей характерно снижение пластичности в области 800° С, связанное

ходимо для правильного установления параметров процесса дефор­ мации и для получения требуемых свойств, структуры и фазо­ вого* состава деформированного металла.

Сказанное можно проиллюстрировать рядом примеров. Содержа­ щийся в структуре стали 1Х12Н2ВМФ (ЭИ961) 6-феррит значительно снижает ее технологическую деформируемость при горячей обра­ ботке (ковке и осадке), вызывая возникновение надрывов по границам прослоек 6-фазы. Исследования влияния ледебуритной фазы на пла­ стичность быстрорежущих сталей Р18М, Р15, Р12 и сплава ЭИ347 при высоких температурах" показали, что с увеличением содержания ледебуритной фазы пластичность материала при температурах горячей деформации падает.

По данным М. Жидэка, на пластическое поведение двухфазных аустенитных сталей в деформированном состоянии оказывает вли­ яние в первую очередь соотношение а- и у-фаз. В интервале темпе­ ратур от 900 до 1200° С суммарное снижение допустимой степени деформации достигает 80%, т. е. в количестве 20—30% на каждые 10% увеличения содержания a -фазы. Указанное явление характерно для подавляющего большинства хромоникелевых,-хромоникельтита- новых, хромоникелемолибденотитановых сталей. Минимум пластич­ ности относится к сталям, содержащим в структуре 30—40% фер­ ритной фазы.

13

Механизм отрицательного влияния дополнительной фазы на деформируемость металла связан с различным сопротивлением металла деформации и наклепываемостыо фаз, что обусловливает как при горячей, так и при холодной деформации возникновение дополнительных растягивающих напряжений, способных привести к нарушению сплошности металла. Так, например, в ферритных сталях избыточная фаза (карбиды хрома) при нагреве переходит

втвердый раствор, и ее непосредственное влияние на пластичность

вгорячем состоянии проявляется лишь в способствовании росту зерна деформируемого металла. Одновременно при температурах нагрева, соответствующих температурам растворения карбидов, выделяется избыточная аустенитная фаза, которая при охлаждении после деформации вызывает выделение частиц мартенситной фазы по границам зерен ферритной фазы. Это значительно снижает после­ дующую пластичность стали (уже в холодном состоянии). Исследо­ вания пластического течения при высокой температуре в данных усло­ виях двухфазных аустенитно-ферритных сталей X21H5T, Х22Г8Н2

иХ15НЗСЗ, содержащих 38—40% ферритной фазы, свидетельствуют о неравномерном распределении деформаций, связанном с различием механических свойства- и у-фаз и усугубляемом устойчивым упрочне­ нием аустенита при деформации (у феррита рекристаллизационное раз­ упрочнение происходит практически мгновенно). Вследствие этого при деформации возникают внутренние микроочаги, в которых более твер­

дая фаза воздействует на мягкую, увеличивая степень ее деформации. Следует учитывать также то обстоятельство, что фазовые превра­ щения возможны под действием напряженного состояния, даже при деформации с полным упрочнением. Например, -частичные превра­ щения аустенита наблюдаются при холодной деформации аустенит­ ной стали, и для устранения этих превращений необходимы специаль­

a -фазу перед холодной деформацией, можно устранить а-фазу, улучшив условия деформируемости.

Общим правилом необходимо считать выбор для деформации

По данным работы [36] нельзя считать абсолютно правильным мнение, что в условиях процессов высокотемпературной деформа­ ции пластичность металла всегда снижается при переходе от.одно­ фазных систем к многофазным. Изучение аномалий пластичности метастабильных многофазных сплавов показало, что фазовые превра­ щения в процессе деформации могут либо охрупчивать сплав, либо

ная рекристаллизация метастабильных сплавов деформаций, а мета­ стабильность— необходимое условие для этого [61].

Таким образом, основная причина возникновения сверхпластично- *сти — структурные превращения в металлах и сплавах в процессе деформации [39].

14

Во время холодной деформации идет непрерывный рост показа­ телей прочности с одновременным снижением пластичности металла. Холодная деформация увеличивает электрическое сопротивление, уменьшает теплопроводность и коррозионную стойкость, изменяет магнитные свойства н т. д. Совокупность указанных изменений назы­ вается наклепом. Следовательно, явление наклепа порождается деформацией и поворотом зерен, их дроблением на блоки, взаимо­ действием и торможением дислокаций и других дефектов решетки,

которые в конечной стадии приво­ дят к образованию микротрещин, резко снижающих пластичность. В процессе холодной деформации возникает ориентированная струк­ тура (текстура) и поликристалл становится анизотропным.

Нагрев наклепанного металла вызывает повышение энергии теп­ ловых колебаний атомов, резуль­ татом чего является снятие иска­ жений и повышение пластичности металла после ряда последователь­ ных процессов: возврата, полигонизации и рекристаллизации [89]. При отдыхе (возврате) упрочне­ ние снимается на 20—30% без видимых следов изменений струк­ туры. Температурный порог воз­ врата составляет (0,2—0,3) ТПЛ°К,

арекристаллизации (0,4—0,55) Т„л° К для чистых металлов. Полигонизация занимает промежуточное положение между воз- ~

вратом ирекристаллизацией. Это самый низкотемпературный процесс, который уже заметно изменяет структуру наклепанного металла. При полигоиизацни происходят перераспределение и частичная аннигиляция дислокаций. Вслед за полигонизацией начинается процесс повышения структурного совершенства и уменьшения свободной энергии в пределах' данной фазы, совершающийся путем возникновения и движения (или только движения) границ блоков' с большими углами разориентировки, — рекристаллизация [9].

Рекристаллизация связана с зарождением и ростом новых зерен, что приводит к полному снятию искажений и возвращению металла в ненаклепанное состояние. Таким образом, рекристаллизация вызы­ вает повышение пластичности. Следует различать две стадии рекри­ сталлизации: рекристаллизацию обработки, в процессе которой пластичность возрастает, и собирательную рекристаллизацию, пред­ ставляющую собой процесс дальнейшего роста первичных зерен, что не благоприятствует повышению пластичности и зачастую даже приводит к ее интенсивному снижению. Чем выше температура наг­ рева и чем продолжительнее нагрев., тем крупнее получается зерно в результате собирательной рекристаллизации. Особенно интенсивно

16

растет зерно при так называемой критической степени предшествую­ щей холодной деформации, равной 7— 15%, а для ряда металлов также в области больших степеней деформации — порядка 90—95%

Следует остановиться на получивших в настоящее время широкое распространение процессах теплой деформации (обработки металла,

а сопротивление деформации падает на 30—35%. В исследованиях А. Р. Орлова установлено, что при теплом выдавливании деталей из нержавеющих сталей Х18Н9Т и Х23Н18 при температурах 300—

обработкой, причем пластичность материала после теплового выдав­ ливания в два раза выше, чем после холодного. Внедрение процесса теплой прокатки позволило в 1,5—2 раза сократить время производ­ ственного цикла изготовления холоднокатаных труб, сохранив высо­ кое качество. Необходимо отметить, однако, что для ряда металлов в интервале температур теплой прокатки возможно как увеличение, так и снижение пластических характеристик; это отмечено в работе [19JУказанные обстоятельства необходимо учитывать для пра­ вильного построения маршрутов теплой деформации-

Процессы горячей деформации представляют собой одновремен­ ное протекание наклепа, отдыха, полигонизации и рекристаллиза­ ции, которая является преобладающим процессом разупрочнения. В этой связи деформируемость материала находится в зависимости от соотношения ряда факторов, в первую очередь от соотношения скоростей ■деформации и рекристаллизации.

Следовательно, в зависимости от того, какой из процессов пре­ валирует — упрочнение или разупрочнение, — в настоящее времй общепринято условно разделять деформацию на два вида: холодную, если скорость упрочнения (наклепа) выше скорости рекристалли­ зации, и горячую, если скорость упрочнения мала по сравнению со скоростью разупрочнения. Однако это различие носит слишком качественный характер. Ниже представлена общепринятая класси­ фикация процессов деформации в зависимости от температуры.

По мнению автора, приведенные качественные и количественные характеристики процессов холодной и горячей деформации весьма условны. Разрушение материалов при горячей обработке (наличие предельной степени деформации), даже в области температур макси­ мальной пластичности (0,7—0,9) Тпл, свидетельствует о превалиро­ вании процессов упрочнения; исключением служит явление сверх­ пластичности.

На основе сказанного можно дать следующее определение горя­ чей деформации — это деформирование в области температуры выше порога рекристаллизации в условиях, когда скорости процессов разупрочнения соизмеримы со скоростями упрочнения, но все же нес­ колько ниже их. Даже небольшое различие между скоростями разу­ прочнения в сторону превышения скорости упрочнения обусловли­ вает для каждого определенного материала при конкретно опреде­ ленном процессе существование предельной степени деформации, после которой материал разрушается. Отсутствие в структуре горяче­ катаного материала следов упрочнения связано с тем, что после деформации имеется достаточно времени для завершения рекристал­ лизации.

К сожалению, эти вопросы далеки от той степени разработанности, которая позволяла бы выявить качественные и количественные характеристики протекания процессов упрочнения и разупроч­ нения при различных методах горячего деформирования: от простого растяжения до прокатки в сложных фигурных калибрах. Поэтому не случайно наличие большого количества литературных источников по экспериментальному исследованию высокотемпературной пластич­ ности при разных схемах деформации (растяжение гладких образ­ цов [34], осадка, Прокатка на клин [61], кручение и др.).

Знание пластических характеристик материала в зависимости от температуры необходимо для установления обоснованного (с точки зрения оптимальной производительности процесса и требуемого качества готовых изделий) температурного интервала пластической

Подводя итог всему сказанному, можно с полным правом отме­ тить наличие практически неразрывной связи между температурой и скоростью деформации, что делает вполне правомочным существо­ вание объединенного параметра, называемого температурно-скорост­ ным фактором.

§6

СКОРОСТНОЙ ФАКТОР

При анализе влияния скоростного фактора деформации на пла­ стичность следует различать два понятия: скорость деформирования (скорость движения инструмента, выражаемая в мм/с, м/мин и т. д.) и скорость деформации (скорость перемещения частиц, представляЮ-

18

щая собой не что иное, как относительную деформацию в некотором заданном направлении в течение малого промежутка времени; ско­ рость деформации измеряется в с~ х).

Относительной скоростью деформации, или просто скоростью деформации, для краткости, называется первая производная отно­ сительной деформации по времени:

Средняя скорость в процессе простого растяжения выражается отношением

М

V

где ----- относительное удлинение; *0

t — время, в течение которого осуществляется процесс.

Для плоской -деформации при продольной прокатке средняя скорость определяется по общеизвестной формуле А. И. Целикова:

ha— относительное обжатие.

С учетом уширения М. Л. Зарощинский предлагает определять среднюю скорость деформации при продольной прокатке как

где А, — коэффициент вытяжки.

Влияние скорости деформации на пластичность необходимо рас­ сматривать раздельно применительно к процессам холодной и горя­ чей обработки давлением, так как механизмы влияния скорости для указанных процессов различны. Однако ряд общих положений относительно процесса пластической деформации можно высказать предварительно.

С ростом скорости деформации пластичность обрабатываемого металла должна снижаться, так как при больших скоростях обра­ ботки пластическая деформация не успевает распространиться по всему сечению. При нагружении выше предела текучести величина пластической деформации определяется соотношением скоростей деформирования и распространения пластической деформации (пере­ ход упругой деформации в пластическую), а также скоростей упроч­ нения и разупрочнения. В этом смысле быстрому процессу деформа­ ции соответствуют большее упрочнение и меньшая пластичность. Следует отметить, что материалы с а-решеткой с точки зрения изме­ нения пластичности более чувствительны к воздействию скоростного