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

жений, предшествующее макроразрушению накопление микропо­ вреждений и т. д.), целесообразно говорить не о хрупком состоянии материала вообще, а о его склонности к хрупкости, причем материал следует считать тем более склонным к хрупкости, чем при более легких условиях, вызванных действием внешних факторов, он переходит в хрупкое состояние, теряя свойства пластичности [63]. Факторы, определяющие переход материала в хрупкое состояние, можно подразделить, как это сделано в работе [63], на две группы:

—внешние (понижение температуры, увеличение скорости и др.);

—внутренние (химический состав, структура, масштаб и т. д.). С точки зрения процессов обработки металлов давлением их

склонность к хрупкости не имеет такого существенного значения (ввиду ограничений зоны температур деформации областью ком­ натных температур, сравнительно низких значений скоростей де­ формирования и т. д.), как для изучения явлений в области кон­ структивной прочности материалов в эксплуатационных условиях. Технологу по холодной пластической деформации для правильного выбора параметров процесса необходимо и достаточно знать, что чистые металлы с объемно-центрированной (железо, хром, молебден и др.) и гексагональной (титан, цинк, кадмий и др.) кристалличе­ ской решеткой обладают большей склонностью к охрупчиванию при понижении температуры и росте скорости деформации, чем металлы с более плотной упаковкой, например, имеющие гранецен­

вать параметры кристаллической решетки путем легирования хрупких металлов соответствующими элементами. При проекти­ ровании маршрута пластической деформации ненагретого металла необходимо также учитывать влияние структуры и размер зерна. Отметим, что несмотря на отдельные достижения в области изучения явления низкотемпературного охрупчивания общей стройной теории хладноломкости пока нет.

Чтобы правильно построить процесс деформации предварительно нагретого металла, надо избегать проведения деформации в области средних и высоких температур, которые соответствуют охрупчива­ нию обрабатываемого металла, т. е. провалам пластичности, детально

процессов упрочнения над процессами разупрочнения. Степень преобладания процессов упрочнения над процессами разупрочнения и определяет время пластического течения до наступления момента разрушения. Разрушение в этот момент происходит хрупко, т. е. трещины распространяются со скоростью звука, и материал теряет сплошность в условиях полного подавления процессов разупрочне­ ния. При интенсификации процессов разупрочнения (залечивания)

60

до момента наступления равновесия (равенство скоростей процессов возникновения нарушений и их залечивания) увеличивается время «жизни» деформируемого металла до наступления разрушения. Иными словами, увеличивается его пластичность. С момента дости­ жения равновесия и при дальнейшем сдвиге в сторону превалирова­ ния процессов разупрочнения над процессами упрочнения материал переходит в новое состояние — сверхпластичность. В этом состоянии материал может деформироваться сколько угодно без видимых признаков разрушения.

С точки зрения интенсификации процессов обработки металлов давлением, даже приближение к состоянию сверхпластического тече­ ния представляет собой первостепенную задачу, решению которой прямо или косвенно подчинены все' разрабатываемые мероприятия в теории и практике пластической обработки металлических мате­ риалов.

Таким образом, в кинетике процессов деформации и разрушения существуют граничные условия пластического состояния, ограничен­ ные переходом материала в хрупкое состояние (процессы разупроч­ нения полностью подавлены) и в состояние вязкого течения — сверх­ пластичность (процессы упрочнения практически отсутствуют).

В области сверхпластического поведения металлических мате­ риалов в настоящее время имеется огромное количество белых пя­ тен: нет ясного представления о механизмах, определяющих явле­ ние сверхпластичности в различных аспектах, и, естественно, общей теории возникновения и протекания процесса сверхпластичного те­ чения; нет достаточно систематизированного экспериментального материала и четких рекомендаций даже по узким вопросам выбора направ'лений и методов оптимизации факторов, определяющих пере­ ход материалов в состояние сверхпластичности, нет точного опреде­ ления самого явления.

Однако, как часто бывает, в практике уже имеются случаи широ­ кого промышленного использования явления сверхпластичности при обработке давлением. В настоящее время исследования направлены на создание сверхпластичных сплавов и на последующие поиски сферы их применения. Конечно, более рациональными являются работы по переводу широко применяемых материалов в состояние сверхпластичности при их пластической обработке путем оптими­ зации как внешних, так и внутренних основных факторов, опреде­ ляющих пластическое состояние металлличеекого вещества. Значение успешного решения этой задачи трудно переоценить.

Первым и необходимым условием подхода к решению данной задачи является установление единого или свойственного опреде­ ленной группе материалов критерия оценки пластического состоя­ ния и в первую очередь критерия склонности к сверхпластичности, который в дальнейшем для сокращения будем называть критерием СВП, как сделано в работе [58].

Учитывая, что склонность материалов к хрупкости и, наоборот, к неограниченной пластичности зависит от соотношения скоростей процессов развития и накопления дефектов (упрочнение) и их за-

61

лечивания (разупрочнение), следует искать критерий склонности к СВП в виде отношения неких деформационных характеристик, прямо или косвенно выражающих степень развития того или иного явления. Очевидно, что при преобладании процессов разупрочнения над процессами упрочнения будет наблюдаться состояние сверхпластнчности, а при малейшем сдвиге к равновесию или превалиро­ ванию процессов упрочнения •— состояние ограниченной пластич­ ности, переходящее в хрупкое состояние.

Общеизвестно, что процессы разупрочнения, как и их антиподы, зависят от целого ряда показателей, из которых важнейшими и определяющими являются температура, скорость деформации и ги­ дростатическое давление— основные внешние факторы, определя­ ющие пластическое состояние деформируемого материала; химиче­ ский состав, фазовое состояние, структура и др. — основные вну­ тренние факторы.

Следовательно, искомый критерий склонности к сверхпластич­

того, так как преобладающее развитие процессов упрочнения при­ водит к разрушению, то величина, их определяющая, должна иметь ограниченное значение, в то время как величина, определяющая процесс разупрочнения, может быть сколь угодно большой.

И, наконец, критерий пластического состояния или критерий СВП, находясь в зависимости главным образом от температуры, скорости II гидростатического давления, в случае прочих равных условий протекания процесса деформации следует называть при определении в зависимости от одного параметра (при постоянстве других) критерием склонности к сверхпластичности, так как только выполнение условий склонности минимум по трем факторам (темпе­ ратуре, скорости, гидростатическому давлению) переводит его в кри­ терий СВП, а материал в состояние сверхпластичности.

За критерий склонности к сверхпластичности /Сс, по нашему мнению, следует принять отношение полного относительного суже­ ния и полного относительного удлинения при разрыве круглых образцов без надреза:

Предлагаемый критерий отвечает комплексу.ранее перечисленных требований.

Значения критерия Кс Для состояния сверхпластичности должны быть менее единицы по всем основным факторам (условие превали­ рования процессов разупрочнения над процессами упрочнения), и

к хрупкому. Следовательно, материал обладает склонностью к сверх­ пластичности в зависимости от любого из факторов при условии

Кс < 1. •

На рис. 16 изображены зависимости критерия склонности к СВП от температуры и скорости деформации для целого ряда металлов и сплавов, у которых, по данным работ [27, 39], обнаружено состоя­ ние сверхпластичности в указанных на графике интервалах темпе­ ратуры и скорости деформации (вне связи с данным критерием). Представленные графики показывают, что явление сверхпластич­ ного поведения соответствует условию іСс< 1 .

На рис. 17 показана зависимость величины Кс от температуры для ряда широко применяемых марок стали, из которой следует, что

Рис. 16. Зависимость критерия Кс от температуры (а) и от температуры и скорости (б).

а—1 — латунь Л52; 2—алюминиевая бронза (12% AI); 3— сплав MgCd; 4— латунь ЛС59-1 (с добавками Ni, Mn, Si, Се).

б —Сплав Ni + 49% Сг находится в температурном интервале сверхпластнчности.

большинство из них имеет склонность к сверхпластичности в строго определенном интервале температур. Однако для перевода этих материалов в сверхпластичное состояние требуется оптимизация минимум еще по одному фактору, а именно по скорости деформа­ ции. Логичным, по нашему мнению, может быть заключение о том, что переход к деформации в области температур, соответствующих склонности материала к сверхпластичности, при скоростях, отвеча­ ющих условию Кс < 1, по схеме с большим гидростатическим давле­ нием может способствовать сдвигу интервала скоростей деформации, соответствующих явлению сверхпластичности материала, в сторону более высоких значений скорости деформации.

Применение предлагаемого критерия склонности к сверхпластич­ ности к исследованию известных материалов обеспечивает быстрый и сравнительно простой метод определения температуры и скорости, соответствующих склонности к сверхпластичному состоянию. С дру­ гой стороны, применение критерия Кс позволяет сразу исключить материалы, которые в данном структурном состоянии не обладают склонностью к сверхпластичности по одному из факторов и, следо-

63

вательно, потенциальными возможностями перейти в это состояние при любом сочетании значений температуры, скорости и др.

Естественно, что предлагаемые рекомендации требуют дополни­ тельной проверки и не претендуют на безоговорочное выполнение. Проведение широкого круга экспериментальных исследований кри­ терия Кс и сверхпластичности известных материалов позволит дать

Рис. 17. Зависимость критерия Кс от температуры для ряда марок конструкционной стали.

1 — 60C2; 2 — ЗОХГСА; 3 — Н Н ЗБ ; 4 — Х28; 5 — 1X25102.

однозначный ответ на вопрос о возможности использования метода оценки склонности металла к сверхпластичности по данному кри­ терию.

Одним из подтверждений правомочности предлагаемого подхода к установлению единого критерия состояния является рекомендуе­ мый авторами работы [26 ] метод оценки состояния по фактору по­ вреждаемости К ■ В этой рекомендации заложена мысль о том, что при любой выбранной схеме нагружения интенсивность развития процессов разрушения оказывается функционально зависимой от характеристики повреждаемости материала (К) при одноосном растя­ жении, определяемой из выражения

где А5 — абсолютное.уменьшение сечения при растяжении, вклю­ чающее сужение и площадь накопленных повреждений;

в — относительная пластическая деформация; ' S0— исходное сечение.

64

В заключение можно сказать, что пластическое состояние мате­ риала может качественно определяться критерием состояния Ас; при /< с > 1 металл' приближается к хрупкому состоянию, при Кс < 1 материал переходит в состояние склонности к сверхпластич­ ности.

§ 14

СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

■В настоящее время известно много способов увеличения пластич­ ности металлов и сплавов при обработке давлением, к числу которых в первую очередь следует отнести повышение гидростатического давления, регулирование состава и структуры сплавов, оптимизацию условий деформации по температурно-скоростным факторам, а также правильный выбор окружающей среды и наложение ультразвуковых колебаний в процессе деформации.

Уменьшение сопротивления деформации достигается снижением вредных сил трения, деформированием при высоких температурах, введением промежуточных отжигов между операциями холодной обработки давлением и др. Однако область применения и эффектив­ ность известных способов деформации различных материалов часто бывают ограниченными. Поэтому в последнее время большое внима­ ние уделяют поискам новых, более рациональных путей повышения деформируемости и снижения сопротивления деформации, самым эффективным из которых является перевод материала в состояние сверхпластичности.

В 1920 г. Розенхайн наблюдал у тройного эвтектического сплава Zn—Cu—Al чрезвычайно высокую пластичность. Позднее (1924 г.) Совье-обнаружил у железа наличие интенсивного разупрочнения при испытаниях на кручение в интервале температур превращения; в 1928 г. о подобном явлении писал Дженкинс и в 1937 г. — Вассерманн.

• В 1945 г. А. А. Бочвар и 3. А. Свидерская обнаружили аномалию твердости на закаленных образцах эвтектической системы Zn—Al при температуре 0,7ГПЛ. Дальнейшее исследование механических свойств этого сплава при данной температуре показало весьма высокие характеристики пластичности (относительное удлинение составило приблизительно 450% при относительном сужении прибли­ зительно 100%) в сочетании с пониженными показателями прочности. Эта аномалия была названа А. А. Бочваром сверхпластичностью, и с тех пор данный термин стал общепринятым. Начиная с 1962 г. в США, Англии, ФРГ, Италии и других странах все чаще появляются публикации, посвященные сверхпластичности металлов.

Характеристики и состав сверхпластичных сплавов, приводимых в последних публикациях, представлены в табл. 1. Интерес к сверх­ пластичности вызван прежде всего тем,, что поведение металлов в сверхпластичном состоянии близко к поведению стекла при высо-

66

ких температурах или нагретого термопластика, что позволяет наряду с известными в обработке металлов давлением технологиче­ скими процессами применять технологию, используемую при фор­ мовке пластических масс. Сверхпластичность — это квазижидкое состояние, в котором металлическое вещество амортизировано [39]; поведение сверхпластичных металлов представляет собой' среднее между поведением вязких жидкостей и обычных пластичных металлов при горячей деформации, причем чем ближе состояние металла к вязкой жидкости, тем ярче эффект сверхпластичности.

Часто отмечается, что повышенная пластичность материала в состоянии сверхпластичности может быть реализована при ско­ ростях деформации, существенно меньших, чем используемые в прак-.

.тике обработки металлов давлением, а получаемые деформации, удлинения (б) в несколько тысяч процентов намного превышают не­ обходимые в условиях реальных процессов обработки давлением. В свете сказанного, всегда нужно иметь в виду, что пластичность склонных к сверхпластичности металлов и при повышенных скоро­ стях деформации, когда эффект сверхпластичности не проявляется, значительно больше, чем металлов в обычном (несверхпластичном) состоянии [67]. Поэтому создание сверхпластичного состояния можно с успехом использовать для повышения пластичности при интенсификации старых и освоении новых технологических процес­ сов, особенно при обработке труднодеформируемых металлов и сплавов.

УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ НАСТУПЛЕНИ Я СО СТОЯНИЯ СВЕРХП Л А СТИ Ч Н О СТИ

Термин «сверхпластичность» относится к явлениям, возника­ ющим в чистых металлах и сплавах в.процессе их деформирования. Материалы, состояние которых оценивается как сверхпластичное, способны деформироваться, например, при испытаниях на растяже­ ние без образования локальной деформации (шейки) с большим

удлинением (до е = -^- = 6 = 1000% и более j. При этом действу­

ющие напряженйя течения (ст?вп) намного ниже тех, которые соот­ ветствуют при прочих равных условиях деформации характеристи­ кам сопротивления деформации (rrs) металлов, находящихся в состоя­ нии обычной пластичности. Такое состояние металла черезвычайно чувствительно к скорости деформации, при этом, как правило, опти­ мальные величины скорости по крайней мере на порядок меньше тех, которые существуют в реальных процессах обработки давлением.

Основные особенности сверхпластичности заключаются в еле- \ дующем:

1; Деформационное упрочнение отсутствует.

2.Сопротивление деформации в десять раз и более ниже, чем при обычном состоянии.

3.Сопротивление деформации быстро нарастает с увеличением

скорости. j

N