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

для обработки металлов давлением и т. д. Такое широкое развитие работ свидетельствует о преимуществах и перспективах применения процессов обработки в вакууме и атмосфере инертных газов.

Обработку в вакууме и нейтральной атмосфере применяют при изготовлении изделий и полуфабрикатов из высокореактивных ме­ таллов (молибдена, вольфрама, ниобия, титана и др.), что позволяет избежать приемов, необходимых при обычных способах обработки давлением с нагревом на воздухе. Так, ненужными становятся меры защиты от окисления и газонасыщения, включая последующее хи­ мическое или механическое удаление большого объема поверхностных слоев металла.

В связи с созданием лабораторных и промышленных установок для обработки металлов и сплавов в вакууме и инертных средах появилось большое число оригинальных отечественных и зарубежных публикаций, посвященных сравнительному исследованию влияния окружающей среды при прокатке на воздухе, в вакууме и нейтраль­ ной атмосфере на деформируемость, структуру и свойства обраба­ тываемого металла. Известно, например, что при взаимодействии химически активных металлов с атмосферой воздуха при высоких температурах в поверхностных слоях происходит образование окис­ лов и твердых растворов внедрения атомов азота, кислорода и других газов, а также диффузия газов в металл, что приводит к значитель­ ному снижению его пластичности. Указанное явление практически исключается при нагреве и обработке металла в вакууме и нейтраль­ ных средах.

Кроме того, в процессе пластической обработки при нагреве происходит выделение газов из металла. По данным работы [2], прокатка молибдена в вакууме значительно снижает содержание во­ дорода, кислорода и азота; обработка ниобия в высоком вакууме в большинстве случаев уменьшает содержание в ниобии активных га­ зов. Помимо изменения содержания активных газов в металле, в за­ висимости от среды, используемой при прокатке, может изменяться также содержание, некоторых элементов: углерода, серы, фосфора и др. Для стали Х28, например, при прокатке в вакууме отмечается отсутствие обезуглероженного слоя и значительное снижение со­

Перечисленные выше явления приводят к улучшению пласти­ ческих свойств и повышению деформируемости металлов в ва кууме по сравнению с обработкой их в открытой атмосфере, причем прока­ танный в вакууме металл сохраняет повышенную деформируемость

ипри последующей холодной пластической деформации. Прокатка

внейтральной атмосфере по степени положительного влияния на деформируемость занимает промежуточное положение между про­ каткой в вакууме 1 • ІО'5 мм рт. ст. и прокаткой на воздухе.

Механические свойства, как известно, зависят и от структуры металла. При сравнительном исследовании процесса прокатки в ва­ кууме, инертном газе и на воздухе установлено, что структура ме­ талла заметно меняется в зависимости от среды нагрева и способа

30

пластической обработки. Прокатка в инертном газе и вакууме спо­ собствует образованию равномерной по всему сечению структуры. Например, при прокатке ниобия и ванадия в высоком вакууме про­ исходит перераспределение примесей внедрения, измельчение и рас­ творение второй фазы; образуется более совершенная текстура. Эти обстоятельства способствуют существенному повышению пла­

ции в вакууме и нейтральных средах, следует отнести повышение коэффициента трения, что, как правило, увеличивает неравномер­ ность деформации и снижает деформируемость материала.

Таким образом, даже краткий обзор позволяет прийти к выводу о многоплановости влияния окружающей среды на пластичность при деформации и о необходимости учета этого влияния в каждом кон­ кретном случае.

§8

ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И МЕХАНИЧЕСКАЯ СХЕМА ДЕФОРМАЦИИ

Влияние на пластическое поведение материала механической схемы деформации и в первую очередь схемы напряженного состоя­ ния, определяющего в конечном счете величину гидростатического давления, широко освещено в литературе [13, 28].

Гидростатическое давление р определяется как среднее арифме­ тическое' суммы трех главных напряжений, взятое с обратным зна­ ком:

_ _ _ gl + СТ2 + СТ3

^3

Естественно, когда сумма трех главных напряжений положи­ тельна (трехмерное растяжение), гидростатическое давление отри­ цательно (р < 0), и, наоборот, при трехмерном сжатии гидростати­ ческое давление всегда положительно. Из теории и практики обра­ ботки металлов давлением известно, что если гидростатическое давле­ ние положительно и велико, то можно достичь весьма больших зна­ чений степеней деформации, не сопровождающихся разрушением.

Совместно с рядом других мер повышения деформируемости ма­ териалов при обработке давлением необходимо выбирать наиболее благоприятные -механические схемы формоизменения. Под термином «механическая схема» следует понимать сочетание схемы напряжен­ ного состояния и схемы деформации, причем определяющей является схема напряженного состояния. Наиболее благоприятными меха­ ническими схемами, затрудняющими возникновение и развитие микронарушений, образование местной локализации процесса формо­ изменения, дополнительных напряжений растяжения и др., являются схемы осадки и истечения (трехмерное сжатие с деформационными

. 31

При прочих равных условиях протекания процесса пластической деформации уменьшение числа растягивающих напряжений в схеме напряженного состояния и приближение ее к схеме трехмерного объемного неравномерного сжатия (увеличение гидростатического давления) обеспечивают повышение пластичности обрабатываемого материала.

Нами исследованы механические свойства холоднодеформирован­ ной стали У10 в диапазоне величин вытяжки от 1,16 до 2,65, полу­ ченных двумя методами обработки металла: волочением и ротацион-

Рис. 6. Зависимость относительного сужения ф стали марки У ІО от степени холодной [деформации.

ной ковкой. Во всем исследованном диапазоне степеней деформа­ ции металл, обработанный при большем гидростатическом давлении (ротационная ковка), имеет более высокие показатели пластичности, чем металл, обработанный по схеме волочения (рис. 6). Аналогичные выводы можно сделать из данных работы [46] о зависимости пластич­ ности алюминиевого сгілава от степени деформации и от схемы про­ изводства холоднокатаных труб (рис; 7). -

Итак, наиболее благоприятной схемой напряженного состояния при пластической обработке сдедует считать трехмерное неравно­ осное объемное сжатие и совершенно неприемлемой — трехмерное объемное растяжение, переводящее металл в хрупкое состояние (разрушение без заметных следов пластического течения).

Положительное влияние гидростатического давления на пластич­ ность обрабатываемого материала зависит от того, насколько удается задержать (или полностью устранить) развитие процессов межкри­ сталлитной деформации, обезвредить-влияние включений и жидких фаз, способствовать восстановлению внутризеренных и межзеренных связей и частично залечиванию микронарушений, а также снизить значения дополнительных растягивающих напряжений, неизбежно возникающих вследствие неоднородностей протекания всех реаль­ ных . деформационных процессов. •

32

Указанное обстоятельство можно проиллюстрировать методом сопоставления показателей пластичности металла, предложенных С. И. Губкиным. Показатель пластичности выражается формулой

___ I О I max •— g Cp

1_ 2|a|max ’

где аІШХ— максимальное по абсолютной величине главное напря­ жение.

8,1

15

10

Рис. 7. Зависимость пластич­ ности металла труб (сплав АМгб) от степени деформации и схемы процесса холодной

обработки давлением. g

I

Чем больше показатель а Х) тем пластичнее металл. Воспользо­ вавшись диаграммой пределов изменения показателя а и для раз­ личных схем главных напряжений можно записать: ,

для одноосного растяжения

1 а і = - Г ’

для трехмерного сжатия

Таким образом, при переходе от деформации по схеме одноосного напряженного растяжения к деформации по схеме трехмерного сжатия теоретически возможно увеличение пластичности обрабатываемого, металла в два с половиной раза.

Известно, что при переходе от линейного растяжения к объем­ ному пластичность может резко упасть, в некоторых случаях вплоть до изменения вязкого характера разрушения на хрупкий. В работе [13] для иллюстрации этого положения приводится пример сравни­ тельных испытаний на разрыв при комнатной температуре гладких и надрезанных образцов из сплава Бр.ОФ7-0,2. Для гладкого образца получен вязкий вид разрушения при относительном сужении 82,5%; образец с круговым надрезом разрушился с хрупким видом излома при относительном сужении площади шейки только 28%. В той же

работе для случая перехода от растяжения к осаживанию образцов из цинка ЦЗ, медного сплава Б2 и магния приводятся данные, сви­ детельствующие о резком повышении пластичности при осадке в области комнатных температур (устранение хрупкого излома). Большое количество аналогичных примеров можно найті-f в работе [14[.

Классическими в этом отношении являются опыты Кармана с мрамором и красным песчаником, продолженныеМ. В. Растегаевым, получившим величину осадки мрамора порядка 78% без разруше­ ния материала при условии обработки его под высоким гидростатиче­ ским давлением. Наивысшей прокатываемостью обладают материалы

втом случае, когда напряженное состояние при деформации наи­ более полно приближается к трехмерному неравномерному сжатию.

Наряду с хрупкими сплавами имеются такие материалы, которые плохо подвергаются прокатке, особенно в литом состоянии. Общее напряженное состояние по схеме нагружения позволяет деформиро­ вать и такой металл. Однако для устранения дефектов на кромках необходимо исключить неблагоприятное влияние дополнительных растягивающих напряжений, вызывающих нарушение сплошности металла в зоне своего действия. В технике разработан способ, умень­ шающий вредное влияние дополнительных напряжений: деформация

взамкнутом контуре («в рубашке»). Так, по данным работы [61] при прокатке в рубашке из тонколистовой углеродистой стали была получена деформация сплава ХН80 на 50%. Образцы, прокатан­ ные на ту же степень деформации без рубашек имели крупные рва­ нины на боковых кромках и плоскостях.

] Аналогичные результаты были получены при прокатке чугуна с обжатием 32%. Однако при использовании рубашек большой тол­ щины вследствие разной деформируемости пластичной оболочки и малопластичного сердечника последний под воздействием растяги­ вающих напряжений может разрушиться, и эффект рубашки ока­ жется отрицательным. Это было обнаружено при прокатке и ковке никелемолибденового сплава и стали ЭИ460. Пришлось разрабатывать метод, который бы создал специальные условия для получения только сжимающих напряжений во всех частях тела, деформируемого в обо­ лочке.

Положительное влияние ярко выраженного объемного сжатия (возникающего вследствие действия окружающих масс упругосжа­ того металла) на пластичность убедительно подтверждается испыта­ нием на твердость хрупких металлов, закаленной стали и чугунов. При этом испытании достигаются пластические деформации свыше 10% без видимых признаков нарушения сплошности испытываемого металла.

В реальных условиях обработки давлением неизбежно возни­ кают изменения схемы объемного напряженного состояния: в от­ дельных местах тела появляются дополнительные растягивающие напряжения, которые могут вызвать локальное развитие нарушений при общей наиболее благоприятной схеме объемного напряженного состояния. На местное воздействие дополнительных напряжений и искажение схемы объемного напряженного состояния, принятой

34

с некоторой величины, условно названной нами «давлением насыще­ ния» рн (см. рис. 8), это влияние ослабевает настолько, что дальней­ шее повышение давления становится нецелесообразным. Значение ра различно для разных металлов. Так, по данным работы [70], для сплавов меди с цинком и меди с германием при испытаниях на раз­ рыв рн Ä* 4 тыс. ат.

В работах по исследованию влияния высокого давления жидкости на пластичность при деформации показано особенно большое зна­ чение указанного фактора, в первую очередь для пластического по­

няется даже характер разрушения образца: исчезает отрыв, остается только срез [5]. Следует отметить, что главным в механизме воз­ действия высокого давления при разрыве является не предотвра­ щение возникновения трещин, а задержка их развития.

Воздействие жидкости высокого давления используется в методе гидростатического прессования — гидроэкструзии. Этот процесс обеспечивает возможность пластической обработки многих хрупких материалов в обычном состоянии и при обычных методах обработки. Гидроэкструзия с каждым іЪдом .приобретает все большее значение как один из наиболее эффективных способов обработки металлов дав­ лением. Для гидроэкструзии в настоящее время используются давле­ ния жидкости от 10 до 50 тыс. ат. Экспериментально установлено, что совместное действие высокого давления и деформации по схеме прес­ сования приводит даже к залечиванию дефектов. Так, первые иссле­ дования пластичности подвергнутых гидроэкструзии металлов (алю­ миния, меди и др.) показали, что их механические свойства после деформации значительно выше, чем после волочения или прокатки с аналогичным обжатием.

Особый интерес представляет гидроэкструзия такого хрупкого металла, как молибден, который в процессе гидроэкструзии сохра-

36 .

няет свойства пластичности как наследственные и в результате по­ следующей деформации без применения сред высокого давления. При этом его пластичность в несколько раз превышает получаемую при обычном горячем прессовании.

Исследования процесса холодной гидростатической осадки при давлении жидкости 12 тыс. ат малопластичных сталей, дюралюми­ ния Д1, латуни ЛС59-1, бронзы Бр. АЖ9-4 и титанового сплава ВТ6 обнаружили значительное увеличение деформационной способности указанных материалов, которое привело к тому, что хрупкие сплавы при гидростатической обработке вели себя как высокопластичные.

Аналогичные выводы можно сделать на основании опытов по гид­ ростатическому прессованию легированной стали. Установлено, что высокое гидростатическое давление повышает пластичность металла не только в процессе деформации. Процесс гидроэкструзии при хо­ лодной обработке быстрорежущей стали Р18 обеспечивает значи­ тельное повышение ее деформационной способности, практически устраняя карбидную неоднородность структуры деформированного металла. Положительное влияние гидроэкструзии используют для создания схемы трехмерного сжатия, для равномерного распреде­ ления деформации и повышения гидростатического давления в целом.

Применение метода гидростатического прессования раскрывает широкие возможности для резкого повышения пластичности обраба­ тываемых материалов, особенно малопластичных, хрупких и труднодеформируемых. Это обусловлено практическим исключением тре­ ния и созданием идеальной схемы трехмерного сжатия, что подтвер­ ждается, например, получением вытяжки, равной 24 при гидроста­ тическом прессовании труб из иттрия.

При электронной микроскопии деформированного металла обнаружено, что в случае деформации с одновременным воздействием жидкости высокого давления величина деформированного зерна и средняя плотность дислокаций значительно уменьшены по сравне­ нию с материалом, деформированным с той же степенью в обычных условиях; дислокации выстраиваются в стенки подобно тому, как они ведут себя при полигонизации. При этом отмечено, что процессы переползания дислокаций значительно активизированы. Этот ком­ плекс явлений получил название эффекта барополигонизацйи [33].

Приведенные данные свидетельствуют о том, что для использо­ вания положительного влияния гидростатического давления на пла­ стическое поведение материала необходимо освоить новые методы обработки давлением и создать промышленное оборудование для этого высокоэффективного способа.

§9

МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР

Размер и форма деформируемого тела, объединенные в данном случае понятием «масштабный фактор», в значительной степени могут влиять на пластическое поведение материала.

37

При определении влияния размеров обрабатываемого тела на пластичность следует различать' структурный и поверхностный факторы.

Структурный фактор связан с наличием в любой единице объема металла большого количества различных повреждений структуры, которые можно рассматривать как концентраторы напряжений. Следовательно, чем больше объем металла, тем больше общее коли­ чество дефектов. С другой стороны, указанные дефекты распределя­ ются крайне неравномерно в деформируемом объеме. С этой точки зрения увеличение объема отрицательно сказывается на пластичности тела, так как чем больше его объем, тем больше неравномерность распределения концентраторов напряжений при одном и том же их среднем количестве в единице объема. Следовательно, чем больше объем тела, тем неоднороднее его напряженное состояние и меньше пластичность. Влияние структурного фактора тем значительнее, чем менее пластичен исходный материал, а также чем более неравно­ мерно протекает процесс пластической деформации [60].

Легированные и высоколегированные материалы более чувстви­ тельны к действию масштабного фактора. Можно привести пример значительного ухудшения деформационной способности металлов и сплавов при увеличении веса отливаемых слитков, так как одновре­ менно возрастают сумма дефектов в структуре и неравномерность распределения этих дефектов, а также неравномерность протекания самих процессов деформации при обработке давлением.

Следует дополнительно учесть влияние металлургического фак­ тора [60], определяемого различием качества крупных и мелких слитков (ликвация, сегрегация, содержание газов), режимом горя­ чей пластической обработки (скорость деформации, скорость охлаж­ дения), и другие характеристики, различные для мелких и крупных слитков. Поэтому крупные изделия всегда имеют меньшее временное сопротивление и относительное сужение, а также большую склон­ ность к хрупкому разрушению, чем мелкие.

В работе [13] приводятся примеры резкого увеличения пластич­ ности при ударном осаживании в случае изменения масштаба; в ре­ зультате уменьшения диаметра бронзовых образцов с 20—25 до 1,5— 2 мм металл из хрупкого состояния переходит в пластичное, а в ре­ зультате уменьшения диаметра цинковых образцов в два раза пре­ дельное обжатие с 35—40% повышается до 75*—*80%.

Влияние поверхностного фактора на пластичность зависит от механического и физико-химического состояния поверхностного слоя, а также от различия этих состояний поверхностного и внутрен­ них слоев металла. Эти различия могут быть вызваны влиянием окру­ жающей среды, предшествующей механической обработкой, поверх­ ностным наклепом, контактным трением и поверхностным натяжением.

Поверхностный фактор количественно определяют как отноше­

38

с уменьшением объема тела. В работе [13] в качестве примера при­ ведены результаты испытаний методом статической осадки при вы­ соких температурах геометрически подобных образцов из сплава Б2, имевших одинаковую структуру. При переходе от больших образцов

Не все из определяющих поверхностный фактор характеристик имеют одинаковое значение; преобладающее влияние той или иной характеристики зависит от конкретных условий. Например, поверх­ ностное натяжение при более или ме­ нее значительных размерах деформи­ руемого тела не является существенным, в то же время при изготовлении тон­ чайшей фольги или проволоки с диамет­ ром порядка нескольких микрон им нельзя пренебрегать.

При испытаниях на разрыв геомет­ рически подобных образцов различных абсолютных размеров масштабный фак­ тор проявляется в снижении механиче­ ских характеристик образцов боль­ ших размеров. Установлено, например, уменьшение показателя относительного сужения на 10% при увеличении раз­ мера испытываемого образца в десять раз [63].

Для материалов, склонных к хрупкому разрешению, масштаб­ ный фактор при испытаниях на разрыв сильнее сказывается на ха­ рактеристиках прочности (ав, <7S). Для вязких материалов с увеличе­ нием размеров образцов эти характеристики меняются мало, зато заметно изменяются пластические характеристики, особенно отно­ сительное сужение (ф). Это отмечается также в работе [60] на основа­ нии анализа большого количества экспериментальных данных.

В общем случае влияние масштабного фактора (объема) на пла­ стичность можно показать в виде схематической кривой (рис. 9).

Влияние объема на пластичность сказывается до определенного значения (критический объем Ѵк) и далее прекращается.

Под влиянием формы деформируемого тела на пластичность ме­ талла понимают влияние конфигурации исходной заготовки и ко­ нечного полуфабриката, которое в итоге определяет неравномер­ ность протекания процесса формоизменения. Естественно, что чем более выражена неравномерность деформации, тем ниже пластич­ ность обрабатываемого металла, так как тем больше степень и уровень дополнительных растягивающих напряжений, возникающих в де­ формируемом объеме.

Следует отметить, что при пластической обработке высокопластич­ ных металлов и сплавов исходная форма поперечного сечения де­

39