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

фактора. За исключением ряда аномальных случаев, увеличение скорости деформации до определенных пределов отрицательно ска­ зывается на пластическом поведении обрабатываемого металла, при этом степень влияния скорости различна в разных диапазонах ее абсолютных значений, о чем будет сказано далее.

Отрицательное влияние скорости деформации при горячей обра­ ботке значительно сильнее, чем при холодной, где скорость разупроч­ нения ничтожно мала и процессы рекристаллизации исключены [47 ]. Чем выше скорость деформации, тем меньше времени затрачивается на процессы разупрочнения при горячей обработке и соответственно тем менее благоприятны условия пластического формоизменения.

К аномальным случаям влияния скорости деформации относятся подавление фазовых превращений, а также снижение коэффициента трения и возникновение теплового эффекта деформации, включая случаи импульсных скоростей приложения нагрузок. О влиянии того или иного аномального явления на деформируемость будет сказано при рассмотрении того из процессов (горячей, холодной обработки), где оно максимально.

П РО Ц ЕСС ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Влияние скорости деформации на показатели пластичности при деформации с полным упрочнением может быть иллюстрировано графиками, представленными на рис. 4 (общетеоретическая кривая) и рис. 5 (экспериментальные зависимости).

Ветвь кривой ав соответствует деформации с полным упрочне­ нием. От точки б до точки в ход кривой характеризует участок дефор­ мирования с неполным разупрочнением вследствие протекания про­ цессов возврата (отдых первого рода), обусловленных тепловым эффектом деформации металла с высокими скоростями. Дальнейшее повышение скорости за счет теплового эффекта изменяет характер процесса, переводя его в процесс с полным разупрочнением (горячая деформация).

В диапазоне температур до 0,2 Тпл скорость разупрочнения неизмеримо меньше скорости деформации при обработке давлением и влиянием разупрочнения можно пренебречь.

Обычная скорость испытаний на растяжение находится в диа­ пазоне 10“ 5 — 10“ 2 с-1, и в этом диапазоне, называемом статическим, влияние скорости практически отсутствует. По материалам иссле­ дований влияния скорости на показатели пластичности при растя­ жении можно заключить, что при переходе от статического растя­ жения, где пластичность практически не менялась, к динамическому наблюдается существенное уменьшение относительного удлинения б (относительное сужение ф изменялось в меньшей степени). При дальнейшем повышении скорости в диапазоне 102 — 104c“ 1 обе харак­ теристики пластичности монотонно возрастают, превосходя стати­ ческие показатели б на 25 и 40% соответственно для стали 45 и армкожелеза.

20

ции не оказывает существенного влияния на механические свойства обрабатываемого материала. В. И. Кузьмин на основании анализа экспериментальных данных В. Люэга, А. Помпа, Г. Форда иП. С. Исто­ мина (для скоростей холодной прокатки до 30 м/с) и результатов собственных исследований (для скоростей более 30 м/с) приходит к выводу об отсутствии практически заметного влияния скорости на удельное давление и вытяжку металла при холодной прокатке. Отсутствие влияния скорости деформации в диапазоне от ІО-4 до 0,2 с-1 на величину предельной вытяжки отмечено Б. А. Щегловым; аналогичного мнения придерживается автор работы [16].

С ростом скорости деформации пластичность снижается вслед­ ствие упрочнения, однако возрастает влияние инерционных сил и температуры деформации. При низких же скоростях тепло, выделяю­ щееся при деформации, успевает рассеяться. Иными словами, мы приходим к ранее высказанному положению о том, что соотношение скоростей разупрочнения и упрочнения определяет влияние скорости деформации на пластичность даже при условии деформации предва­ рительно не нагретого металла-

Следовательно, если при статических скоростях и скоростях деформации, различающихся незначительно, влиянием скоростного фактора на пластичность можно пренебречь, то когда речь идет о ско­ ростях деформации порядка (300—1200) с-1, являющихся вполне реальными для современного прокатного оборудования [47 ], пре­ небрегать ими нельзя. В настоящее время всю листовую и сортовую продукцию в стране получают в производственных условиях в диа­ пазоне скоростей деформации от 10_1 до ІО2 с-1, а наибольшая скорость деформации при прокатке достигает ІО3 с-1 [62]. В этом случае возникает качественно новое явление — тепловой эффект, влияние которого особенно значительно при низкотемпературной деформации.

В случае деформации при температурах ниже 0,3 Тпл увеличение скорости деформирования, как правило, повышает пластичность металла за счет теплового эффекта. Последнее обстоятельство широко используется' в практике:, прокатка по методу Стекля (скорость деформирования —500 м/мин); прокатка на станах холодной про­ катки труб без применения эмульсии, что исключает растрескивание концов труб; скоростная штамповка и другие процессы. С. И. Губкин рекомендует в ряде своих работ выполнять деформацию без нагрева при таких скоростных параметрах, которые обеспечивали бы про­ текание процессов частичного разупрочнения за счет теплового эффекта обработки. Сущность теплового эффекта сводится к следую­ щим явлениям [13].

Энергия, воспринятая деформирующимся телом, переходит в по­ тенциальную и тепловую.

Отношение энергии, превратившейся в тепло А тк общему коли­ честву энергии, потраченной на деформацию А, называется выходом тепла г[вых. Следовательно, тепловой эффект деформации

^Івых^-

22

Выход тепла при пластическом сжатии (t = 20° С) для алюминия, железа и меди равен соответственно 93, 88 и 92%, а для сплавов указанных металлов іівь1х= 0,75-^0,85. Тепло, остающееся в дефор­ мируемом теле, определяет величину теплового эффекта деформации:

где /д — средиестатическая температура, развившаяся в теле в ре­ зультате деформации;

і0— температура до деформации.

Температура обрабатываемого металла повышается также в ре­ зультате течения и развития контактного трения. Если деформация происходит в короткий срок и тепло не успевает рассеяться, темпе­ ратурный эффект для пластичности обрабатываемого металла играет значительную роль. В данном случае наибольшее значение имеет, скорость деформации при обработке в области низких температур, ибо тепловой эффект снижается с повышением температуры деформи­ руемого металла, которая уменьшает сопротивление деформации металла и, как следствие, — выход тепла.

Необходимо отметить, что положительное влияние теплового эффекта наблюдается при холодной деформации, за исключением тех случаев, когда повышение температуры металла вызывает его охрупчивание вследствие выделения дополнительных низкопластич­ ных фаз или оплавления низкоплавких эвтектик.

Следует считать вполне возможным такое повышение температуры деформируемого металла за счет теплового эффекта, при котором начнется течение рекристаллизационных процессов разупрочнения, и дальнейшее повышение скорости не вызовет дополнительных явле­ ний перегрева или пережога по следующим причинам. Во-первых, при достижении температур горячей обработки за счет высокоско­ ростного деформирования снизится сопротивлениедеформации, идаль­ нейший рост скорости не будет компенсировать затухания действия теплового эффекта. Во-вторых, повышение температуры вызывает рост теплопроводности металла и соответственно отвод тепла из очага деформации. Оба эти фактора значительно ослабляют влияние дальнейшего повышения скорости деформации до момента качествен­ ного скачка в область импульсных скоростей, начинающегося с вели­ чин порядка 5 -104 см/с.

П РО Ц ЕСС ГО РЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ t

Влияние скорости деформации на пластическое поведение мате­ риала при горячей обработке можно выразить через соотношение скоростей деформации и рекристаллизации. Очевидно, что в диапа­ зоне скоростей деформации статических испытаний влияние скорости на пластичность обрабатываемого металла практически отсутствует. Так, в работе [1] исследована большая группа сталей при темпера­ турах горячей деформации и скоростях от0,003до 2,5 с-1. Исследова­

23

ния показали, что в указанном диапазоне скорость не влияет на отно­ сительное сужение. 'В работе [61 ] отмечено, что при изменении скорости деформации от 6,6 до 47,4 с 1 при горячей прокатке на клин образцов из сплава ХН80 также не обнаружено влияния скорости

показатели пластичности. Однако скорость Деформации при молото­ вой ковке и непрерывной прокатке достигает 200—300 с" 1 (скорость деформирования около 10 м/с).

Предельная скорость горячей прокатки может достигать 700 м/с (42-Ю6 мм/мин), скорость широкополосных станов холодной про­ катки, по данным ряда фирм США, достигает 40 м/с (24-10'1мм/мин). С такими величинами уже нельзя не считаться. При современных скоростных процессах горячей обработки упрочнение снимается лишь частично, так как скорость рекристаллизации становится соизмеримой со скоростью деформации. В этом диапазоне скоростей имеет место снижение пластичности деформируемого металла с ростом скорости деформации. Аномальным случаем в данном диапазоне скоростей может считаться рост пластичности с увеличением скорости деформации вследствие подавления процесса фазового превращения. В работе [13] приводится в качестве примера сплав Бр. АЖ9-4, в котором при статическом нагружении в температурной зоне 350— 450° С имеется провал пластичности за счет фазовых превращений, не успевающих произойти при динамическом нагружении, когда охрупчивания не наблюдается.

Влияние теплового эффекта при горячей деформации не так за­ метно, как в процессе холодного формообразования. Однако и при высоких температурах тепловой эффект может играть значительлую роль с точки зрения управления пластическим поведением деформи­ руемого материала. Так, путем повышения скорости деформации можно вследствие дополнительного разогрева устранить захолаживание металла, вызываемое контактом с обрабатывающим инструмен­ том, повысить таким образом скорость рекристаллизации и обеспе­ чить разупрочнение, а также перевести, в пластическое состояние хрупкие интерметаллиды. В других случаях повышение скорости деформации, - сопровождаемое развитием теплового эффекта, может снизить пластичность вследствие выделения хрупких фаз, оплавле­ ния по границам зерен легкоплавких эвтектик и даже границ зерен и образования жидких фаз за счет растворения глобулей побочной фазы, в основном с образованием низкотемпературных эвтектик.

Влияние скорости на пластическое поведение материала при горячей деформации показано на рис. 4.

Следует несколько подробнее остановиться на процессах деформи­ рования, происходящих со сверхвысокіши скоростями. В этой связи заслуживает внимания отмеченный в раёоте [49] факт уменьшения неравномерности деформации при осадке цилиндров и параллеле­ пипедов в случае увеличения скорости деформации до 100 с-1 . Последнее обстоятельство свидетельствует о положительном влмя-

24

нии высоких скоростей деформации на пластичность обрабатываемого металла. В диапазоне скоростей деформирования 124— 197 м/с получено снижение температурного порога рекристаллизации для стали ЭИ572 при одновременном уменьшении средней величины зерна в деформированном металле по сравнению с деформированием при низких скоростях.

Новые исследования показывают, что высокоскоростные про­ цессы деформирования, например взрывные, могут использоваться для ударного прессования металлов, плохо деформируемых при малых скоростях. Из полученных результатов очевидно, что высоко­ скоростные методы имеют преимущества при обработке таких метал­ лов, которые при обычных скоростях обработки оказались относи­ тельно хрупкими.

В настоящее время методы деформации с высокими скоростями вышли из стадии лабораторных проработок и находят применение

впромышленности. Одним из эффективных способов является высоко­ скоростное объемное деформирование, основная особенность кото­ рого ■— увеличение скорости деформирования с 10 (при обычном методе) до 100 м/с (скорость деформации до 2000 с~ *). Такая скорость развивает процессы локализации деформации, усиливает явление теплового эффекта, одновременно значительно уменьшая контактное трение, и тем самым способствует повышению деформируемости материалов, включая высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы.

Особенно заметно положительное влияние скорости при штамповке заготовок сложной конфигурации. Степени деформации достигают

вэтих процессах 95% и более при горячей деформации и 80% при де­ формации без нагрева при скоростях истечения металла более 200 м/с.

При осаживании без предварительного нагрева образцов из стали марок 20, 45 и армко-железа обнаружено в диапазоне скоростей около 100—200 м/с значительное повышение деформационной спо­ собности материала, которое объясняется возникновением допол­ нительного механизма деформации (интенсивное двойникование), значительным дроблением зерен и ростом локализации деформации.

Дальнейшее повышение скоростей привело к использованию в обра­ ботке металлов давлением импульсных методов нагружения: взрыва, электрогидравлического эффекта, импульсного магнитного поля ит. д. Скорость распространения импульсного нагружения составляет тысячи метров в секунду. Так, диапазон скоростей распространения взрыва, применяемых в технике ВВ, составляет от 2000 до 9000 м/с,

а время разряда при электровзрывной обработке равно 10“ 7 с.

В технической литературе приведены результаты исследования деформируемости алюминиевых сплавов АМгЗМ и АМгбМ импульс­ ным магнитным полем при скоростях от 1,8-103 до 3,2-ІО3 с-1 , показавшие увеличение допустимой степени деформации в два — четыре раза по сравнению со статическим деформированием. Рентге­ нографические исследования свидетельствуют о том, что импульсное деформирование магнитным полем вносит в структуру указанных сплавов при равных со статичёским деформированием степенях формоизменения значительно меньшее количество искажений.

25

Пластическое поведение материала при импульсном нагружении изучено еще недостаточно. Отсутствует теоретическое обоснование механизма течения материала и определяющих его факторов. Однако установлено значительное увеличение пластичности ряда метал­ лических материалов при динамическом нагружении, что отчасти объясняется более равномерным распределением деформации и умень­ шением коэффициента трения с ростом скорости приложения на­ грузки. Так, для наклепанного металла получено трехкратное уве­ личение относительного удлинения при динамическом разрыве по сравнению со статическим. Следует отметить, что для ряда металли­ ческих материалов импульсное приложение нагрузки неблагоприятно сказывается на пластичности, для некоторых материалов повышение пластичности при импульсном нагружении небезгранично:существует значение критической скорости, при превышении которого пластич­ ность практически падает до нуля (хрупкое разрушение).

§7

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Окружающая среда при протекании процесса пластической дефор­ мации может оказывать непосредственное влияние на поведение материала, повышая или понижая его пластичность. Так, например, пластичность материала снижается под действием агрессивных жидко­ стей и газов: влажного морского воздуха, паров аммиака, водорода, кислот, щелочей, растворов и солей т. д.

Изучение закономерностей и природы физико-химических явлений, происходящих на межфазных границах, позволяет разработать эффек­ тивные методы управления свойствами различных тел и материалов в процессе их обработки и эксплуатации. Особо важно влияние среды, содержащей небольшие добавки поверхностно-активных веществ, на механические свойства твердых тел—так называемый эффект Ребин­ дера [32 ]. Использование поверхностно-активных веществ позволяет на время деформации существенно изменять механические свойства материала: повышать его пластичность или хрупкость, снижать или увеличивать сопротивление деформации. При последующем уда­ лении этих веществ исходные свойства материала восстанавливаются.

Эффект Ребиндера можно определить как облегчение деформации и разрушения вследствие понижения поверхностной энергии тела, обусловленного обратимым физико-химическим воздействием окру­ жающей среды. Адсорбционный эффект воздействия поверхностно­ активных веществ может проявиться в различной степени и в разных формах: 1) облегчении пластической деформации — пластифициро­ вании; 2) понижении прочности и пластичности; 3) облегчении тон­ кого измельчения (диспергирования), вплоть до самопроизвольного диспергирования твердого тела на частицы коллоидных размеров. Подробный разбор механизма каждого из этих явлений приведен в работе [32].

26

Пластифицирующее действие поверхностно-активных веществ ис­ пользуется при обработке металлов давлением.

Поверхностно-активные вещества, применяемые в качестве смазки инструмента и обрабатываемого металла, уменьшают коэффициент трения и работу деформации и улучшают качество готовых изделий. Я- Б. Фридман отмечает большое влияние поверхностно-активных веществ на поведение материала под нагрузкой. Облегчая возникно­ вение пластических сдвигов, поверхностно-активные вещества вместе

стем способствуют росту трещин и других дефектов.

Вработах В. И. Лихтмана и С. Я- Вейлера показано, что «раз­ мягченный» пластифицированный слой металла сам начинает вы­ полнять функцию смазки, устраняя налипание на инструмент и воз­ никновение задиров. Специально подобранные смазочные компози­ ции значительно улучшают деформируемость и качество металла при прокатке листов из алюминиевых сплавов. Кроме чисто по­ верхностного пластифицирования, может наблюдаться ярко выра­ женное объемное пластифицирование, вызываемое проникновением в объем деформируемого металла «родственных» сред. Примером служит пластифицирующее действие оловянного покрытия в об­ ласти температур, применяемых при теплой обработке стали 1Х18Н9Т.

Внекоторых случаях отмечается начало деформационного те­ чения металлических материалов, находящихся в средах металли­ ческих расплавов, при нагрузках, которые обусловливают величину напряжений в нагруженном материале на порядок ниже предела

текучести. Последнее обстоятельство связывают с диффузией ато­ мов «родственного» расплавленного металла по границам зерен, что облегчает взаимное скольжение этих зерен под воздействием нагрузки.

Вторая характерная форма проявления эффекта Ребиндера, ко­ торую следует учитывать при обработке металлов давлением, — это облегчение разрушения твердых тел, находящихся в контакте с близ­ кой по молекулярной природе жидкой средой. Сюда относятся хо­ рошо известные случаи катастрофического охрупчивания твердых металлов под действием металлических расплавов (многократное снижение прочности и пластичности цинка и латуни при контакте с ртутью, меди — с висмутом и др.). Одним из наиболее характерных условий облегчения деформации и разрушения в результате обрати­ мого физико-химического влияния среды является совместное дей­ ствие механических напряжений и среды. Активная среда сама по себе не вызывает разрушений, она лишь усиливает действие механи­ ческих напряжений, уменьшая работу образования новых участков поверхности.

Следует отметить, что повышение температуры способствует процессам деформации и разрушения под действием активной среды. В температурной зависимости эффекта охрупчивания наблюдается существование «температурного порога», при превышении которого прекращается влияние роста температуры на облегчение деформа­ ции при воздействии поверхностно-активной среды.

27

Большое количество данных о расклинивающем действии смазок приводится в работе [59]; на снижение пластичности материалов под действием контактной жидкости указывается в работе [5]. При испы­ таниях на разрыв металлических образцов в жидкости высокого давления разрыв образцов наступает при контакте с жидкостью раньше, чем в случае, когда образец закрыт специальной оболочкой. В связи с большими давлениями, возникающими при холодной про­ катке, смазка может оказать значительное влияние на пластическое поведение обрабатываемого металла, т. е. вызвать расклинивающее действие, в результате которого возникнут дополнительные растяги­ вающие напряжения, произойдет пластифицирование поверхност­ ного слоя и др.

Керосин, применяемый в качестве смазки при прокатке сталитипа 18-8, более значительно снижает плотность металла, чем при прокатке без смазки, что свидетельствует о более интенсивном возникновении и развитии вакансий в его кристаллической решетке.

Последнее обстоятельство снижает деформируемость материала. В работе [59] указывается, что обработка металлов давлением с при­ менением в качестве смазки минеральных масел и жидкости малой вязкости (трансформаторное масло, керосин,- бензин и др.) практи­ чески невозможна без механических повреждений поверхности де­ формируемого материала. По данным работы [17], при использова­ нии эффективных смазок следует опасаться разрушения прокатывае­ мого металла под действием смазки, что зачастую ошибочно объяс­ няют пониженной пластичностью металла исходной заготовки. При холодной прокатке стальных и титановых полос со смазкой обнаружи­ вается поверхностная рябизна, вызывающая разрушение изделий при последующих испытаниях на изгиб. Эти дефекты вероятнее всего являются результатом расклинивающего действия смазки. Есте­ ственно, что применительно к каждому конкретному процессу пласти­ ческой обработки и виду смазки степень влияния смазки на пластич­ ность материала может колебаться в широких пределах: от пренебре­ жимо малого до значительного.

Окружающая среда, влияющая на пластическое поведение де­ формируемого материала, тесно связана с другими факторами, и в первую очередь с условиями развития процессов трения, хими­ ческим составом (наличием примесей), температурой, скоростью, гидростатическим давлением и т. д.

Некоторые факторы лишь условно можно отнести к факторам влияния окружающей среды — например, ультразвуковое поле, наложенное на пластически деформируемый материал. Использо­ вание ультразвука в процессах обработки металлов давлением вышло за рамки лабораторных исследований. Метод находит широкое при­ менение в промышленности [44]. Исследования влияния ультра­ звука на пластическое поведение материала, проведенные физикотехническим институтом АН БССР, позволили установить, что наряду со снижением сопротивления деформации ухудшаются харак­ теристики пластичности. Так, при растяжении меди в области тем­ ператур от 190 до 700° С с наложением ультразвукового поля

28

временное сопротивление уменьшилось на 40—50% при одновремен­ ном снижении относительного удлинения на 25—30%. Указанные изменения объясняются локализацией деформации и интенсивным разрыхлением металла [44].

С другой стороны, эффективность действия смазки при наложении ультразвуковых колебаний на деформируемый металл значительно возрастает,, что положительно сказывается на его деформируемости. Так, применение ультразвука при прокатке ряда металлов снижает на 90% коэффициент трения и значительно увеличивает вытяжку металла. Особенно эффективно влияние ультразвука при прокатке тонких полос. Следует учитывать и сопутствующий наложению ультразвука нагрев, а также интенсификацию релаксации напряже­ ний деформируемого металла. Эти обстоятельства обусловливают повышение (до 35%) деформируемости при холодном волочении стальных прутков и проволоки с.наложением ультразвуковых ко­ лебаний на деформируемый участок металла. С этой точки зрения понятно отмечаемое в ряде работ снижение неравномерности дефор­ мации при осадке~с воздействием ультразвука на очаг деформации и практическое отсутствие упрочнения при вибрационной вытяжке листовой стали с частотой вибрации 10—30 Гц. Значительное повы­ шение деформируемости получено также при волочении труб из ряда марок стали и сплавов с наложением ультразвукового поля. Была установлена возможность волочения при воздействии ультразвука даже таких хрупких металлов, как вольфрам.

В настоящее время изучается влияние наложения магнитного поля при термической обработке и горячей пластической деформации на механические характеристики металлов и сплавов. Количествен­ ных зависимостей пока еще мало, но принципиальные выводы о бе­ зусловном наличии влияния магнитного поля на пластичность уже можно сделать, причем это влияние бывает как положительным, так и отрицательным, в зависимости от целого ряда обстоятельств.

О влиянии нейтронного облучения на пластичность заметим лишь, что оно отрицательно сказывается на пластичности подавляю­ щего большинства металлов и сплавов.

Особое место в проблеме влияния окружающей среды на пласти­ ческое поведение деформируемого материала занимают вопросы пла­ стической обработки в вакууме и в контролируемой атмосфере инерт­ ных газов. В СССР в последние годы широко развернулись научноисследовательские работы по изучению процессов деформации в вакууме и контролируемой инертной атмосфере. На основе этих иссле­ дований разработана технология горячей прокатки ряда высоко­ реактивных металлов в вакууме, технология теплого волочения (при 1000° С) труб из тугоплавких металлов в инертных газах и др. В настоящее время создано и продолжает создаваться специальное оборудование для этих методов обработки, в том числе станы с диа­ метром валков до 600 мм для прокатки в вакууме и инертной атмо­ сфере, вакуумные прессы усилием до 3500 т, вакуумные прошивной и пилигримовый станы, специальные камеры типа «Атмосфера» с контролируемой нейтральной средой и комплексом оборудования

29