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

при высоких степенях деформации, а до/дг оказывается достаточно большим, чтобы выполнялись условия (8) и (10).

Таким образом, металлы в сверхпластичном состоянии деформи­ руются при растяжении равномерно без образования шейки и по­ следующего разрушения, если значение коэффициента чувствитель­ ности т стремится к единице, что видно из временной зависимости уменьшения поперечного сечения:

Для условия т = 1 из этого выражения следует, что уменьшение поперечного сечения не зависит от абсолютного значения послед­ него, т. е. все сечения уменьшаются равномерно и образования шейки не происходит, если ее не было в исходных образцах.

М ИКРО СКО ПИЧЕСКИ Е П РО Ц ЕССЫ , СВ Я ЗА Н Н Ы Е СО СВЕРХП Л АСТИ Ч Н О СТЬЮ МЕТАЛЛОВ

Вопрос о механизме явления сверхпластнчности до настоящего времени не выяснен и остается дискуссионным. Связь явлений сверхпластичности с высокой температурой, по мнению ряда иссле­ дователей [39, 66 и др. ], свидетельствует в пользу диффузионной подвижности атомов, которая определяется моделью случайного броуновского движения. Однако диффузионный механизм, как, кстати, и другие модели, не в состоянии объяснить все аспекты про­ явления сверхпластичности и, в частности, снижение сопротивления деформации. В случаях, когда имеет место спонтанное течение мате­ риала и под действием небольших напряжений т приобретает экстре­ мальное значение, предлагается [67] использование модели ползу­ чести, усиленной обилием точечных дефектов, но эта модель дает лишь качественную картину явления.

Внастоящее время в работах разных авторов применяют различ­ ные теории к разным видам проявления сверхпластичности, разным методам деформации и даже разным сплавам. Так, например, при деформации мелкозернистых конгломератов трудно установить, ка­ кому из трех механизмов течения отдать предпочтение: миграции вакансий в поле напряжения, скольжению по границам зерен или динамическому возврату.

Вслучае стабильных микроструктур для возникновения сверх­ пластичности необходимо, чтобы, во-первых, величина зерен на­ ходилась в микронной области и не превышала 4 мк (у обычных металлов размер зерна чаще бывает более 12 мк), во-вторых, чтрбы зерна были равноосными, и наконец, скорость роста 'зерен при тем­ пературе деформации должна быть настолько малой, чтобы успе­

82

более 5—6 мк. Однако наличия мелкого зерна еще недостаточно; требуется еще и прочная связь между зернами, чтобы обеспечить скольжение по их границам. Следует отметить необходимость отсут­ ствия по границам зерен хрупких составляющих, причем эвтекти­ ческий или эвтектоидный состав материала не является обязатель­ ным, если мелкое зерно может быть тем или иным методом связано и стабилизировано.

Замечено, что даже после больших степеней деформации в сверх­ пластичном состоянии микроструктура практически не отличается от исходной. Поэтому предполагают, что механизм явления пред­ ставляет собой скольжение по границам зерен, относительная доля которого может составлять более 60% всей деформации. При этом границы зерен рассматриваются как квазивязкий слой, обладающий свойствами вязкой жидкости. Хотя вопрос об определяющем мелко­ зернистую сверхпластнчность механизме остается пока дискуссион­ ным [39, 58], большинство исследователей склонно считать, чтоответственным за это является механизм ползучести с диффузией

по границам зерен. Скорость процесса (е) определяется по формуле

®ZA/(T

где В' — некоторая константа; V — атомный объем;

L — размер зерна;

W — ширина границ зерна; К — постоянная Больцмана;

Dr — коэффициент межзернистой диффузии.

Свыше некоторой критической скорости деформации (зависящей от химического состава металла и размера его зерен) поведение металла будет определяться уравнением второй стадии ползучести, скорость которой регулируется передвижением дислокаций по за­

где Сг, С2, С3— константы, а правая часть есть выражение микро­ скопического описания второй стадии ползучести.

Обычно при высоких температурах и низких скоростях дефор­ мации (на порядок нижеч обычных) относительное скольжение от­ дельных зерен фактически может составить определенную долю деформации. При этом скорость деформации пропорциональна вну­ тренним напряжениям; чем меньше зерно, тем значительнее может быть доля скольжения по границам зерен в общей деформации и тем пластичнее металл. Высокая доля скольжения по границам зерен в;общей деформации должна способствовать тому, что зерна в основ­ ном сохраняют форму, вместо, того чтобы удлиниться пропорцио­ нально удлинению образца, как это происходит при деформации путем перемещения дислокаций. Если исходить из принципа сплош­ ности деформируемого материала, то нужно отметить, что само по себе скольжение по границам не может привести к большим пласти­

ческим деформациям, имеющим место у сверхпластичных металлов, поскольку тогда на углах и краях соседних зерен возникли бы высокие концентрации напряжений, приводящие к внутренним разрывам и увеличению пористости.

При температурах и скоростях деформации, соответствующих сверхпластичному состоянию, происходит не только ползучесть с диффузией по границам зерен, но и другой термически активируе­ мый процесс: ползучесть с диффузией в решетке, которая описы­ вается уравнением Набарро-Герринга [27, 58]:

Если скорость деформации превосходит некоторые критические значения (зависящие от металла и размера зерна), то процесс де­ формирования будет определяться нормальным ходом ползучести, регулируемой переползанием скоплений микродефектов, и подчи­ няться закону

где С4, С6, С6— константы.

Если в процессе деформирования происходит понижение значе­ ния коэффициента объемной диффузии Dv, то ответственным за это является механизм диффузии по границам зерен. Отсюда следует, что межзеренная ползучесть будет превалировать над ползучестью с диффузией в решетке только в том случае, если

т. е. скорость ползучести при диффузии по границам зерен будет больше, чем в случае объемной диффузии.

Диффузионные механизмы, описанные уравнениями (20) и (22), позволяют частично объяснить поведение сверхпластичного металла, типичные характеристики которого приведены на рис. 19, 20 и 22. В самом деле, поскольку скорость деформации пропорциональна напряжению течения, то следовало ожидать, что кривые при низ­

через точку перегиба и снова становятся пологими. Таким образом, сверхпластичные материалы ведут себя как вязкие жидкости только в определенном интервале скоростей деформации. В более широком интервале изменения скоростей деформации сверхпластичное пове­ дение материалов подчиняется механизму, вызванному совместным действием процессов диффузионного скольжения по границам зерен и диффузионной объемной пластичности:

84

при достаточно высокой температуре, которая тем ниже, чем выше

приложенное напряжение, наклон кривых ln 'e = / (1/7") резко увеличивается (рис. 27). Одновременно с этим уменьшение L

также способствует увеличению наклона кривой ln е = f (1/Г), а увеличение L приводит к снижению m и увеличению а при &=

= const (рис. 28). При скоростях, которые выше скоростей, соответ­

ствующих перелому на кривых ln e .= f (1IT), показатель m < 0,33. Применительно к сверхпластичности превращения, по А. А. Прес­ някову [3.9], механизм деформации имеет тоже диффузионный характер, причем суть последнего сводится к взаимодействию про­ цессов стабилизации и деформации. Механизм сверхпластичности превращения еще менее исследован, чем предыдущий, и работы

в'области его изучения продолжаются и расширяются.

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ВСОСТОЯНИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Впрактике обработки давлением наибольшее количество металла перерабатывают, используя схему сжимающих напряжений (прокатка, ковка, прессование). Лишь сравнительно немногие процессы (ли­ стовая штамповка, волочение, чеканка) используют растяжение. Поэтому, с точки зрения практического применения эффекта сверх­ пластичности, большие удлинения представляют для группы «сжи­

мающих» процессов меньший интерес, чем низкие сопротивления деформированию, тогда как для группы «растягивающих» процессов большие удлинения имеют первостепенное значение.

85

Следует отметить, что вопрос промышленного применения в об­ работке металлов давлением такого перспективного для нее явления, как сверхпластичность, теснейшим образом сйязан с вопросом полу­ чения в исходном материале субмелкой кристаллической структуры. Поэтому не случайно значительное количество публикаций, в кото­ рых освещены эти вопросы [58 и др. ], рекомендуют применять деформацию с очень высокими степенями (90% и более), специаль­ ную термическую обработку, охлаждение после ^ интенсивной де­ формации в специальных средах, методы многократной прокатки слоистых (из разнородных материалов) пакетов, теплую прокатку, термомеханическую обработку и ряд других методов [6].

В будущем использование эффекта сверхпластичности окажется зависящим от успехов в разработке и освоении дешевых сплавов, в которых при определенных условиях возникает эффект сверх­ пластичного течения. Прогресс в этом направлении можно считать весьма обнадеживающим: он свидетельствует о том, что обработка давлением сверхпластичных металлов может стать приемлемым технологическим процессом. Малая скорость деформирования яв­ ляется недостатком, а необходимость мелкозернистой структуры в ряде случаев — преимуществом деформирования металла в 'сверх­ пластичном состоянии, ибо мелкозернистая структура позволяет получать в изделиях гладкую поверхность, идеальную для полировки или металлизации. Следует отметить, что с повышением температуры скорость деформирования можно повысить.

В некоторых случаях сверхпластичные сплавы можно обрабаты­ вать обычными способами. Однако более вероятно, что будут при­ менять новые технологические процессы, которые позволят в полной мере использовать новые свойства сверхпластичного состояния: низкое сопротивление деформации, частичную вязкость металла и способность деформироваться при растяжении без местных уто­ нений, вызываемых локализацией деформации. При разработке про­ цессов деформирования сверхпластичных сплавов следует учиты­ вать наличие значительного влияния на сверхпластичность масштаб­ ного фактора. Интерес, вызываемый явлением сверхпластичности, влечет за собой в первую очередь развитие прогрессивных способов производства и обработки металлов и использование особенностей явления сверхпластичности в конструкционном поведении мате­ риалов.

Прокатка. В процессах прокатки малые сопротивления дефор­ мации приводят к мальтм нагрузкам на инструмент и низким затра­ там энергии. Положительный эффект от снижения сопротивления деформации в некоторой степени компенсирует отрицательный эффект снижения скорости, необходимый для достижения сверх­ пластичного состояния. Для ряда сплавов суммарный эффект ока­ зывается . положительным, например, при прокатке сплава Ті— 6А1—4Ѵ в состоянии сверхпластичности (при 925° С), сопротивление деформации снижается в десять раз.

В работе [67] сообщается о получении резкого снижения давле­ ния металла на валки при прокатке хромоникелевых сплавов в усло-

86

виях сверхпластичности. Особый интерес представляет сверхпла­ стичное состояние для нового процесса прокатки «прокатка-волоче­ ние» [8], где способность металла к неограниченному удлинению может быть в большой степени реализована. В настоящее время, чтобы исключить нагрев инструмента, необходимый для достижения стабильной сверхпластичности, предложена по аналогии в бесфильерным волочением схема обжатия листового металла по тол­ щине без помощи валков. По этому методу один конец листа жестко закрепляется, а второй конец под действием растягивающего усилия протягивается через индуктор, движущийся навстречу второму концу листа. Скорость растяжения листа и скорость встречного перемещения индуктора зависят от химического состава металла, его размеров и формы индуктора.

Объемная штамповка. В случае объемной штамповки вследствие низкого сопротивления деформации, невысоких усилий деформиро­ вания и большого удлинёния появляется возможность: а) получать высокоточное заполнение ручья в штампе, что особенно ценно при обработке тонкостенных изделий сложной формы; б) снижать износ штампов; в) применять менее мощное оборудование; г) уменьшать число переходов и себестоимость готового изделия не менее чем на 25%. Поскольку поведение обрабатываемого материала в состоянии сверхпластичности приближается к поведению расплава, то для штам­ повки можно использовать методы технологии литья под давлением.

Прессование. В таких процессах, как обычное (прямое или обрат­ ное) прессование или гидростатическое прессование, где прочность и жесткость оборудования накладывают ограничения, изделия, которые нельзя получить методом прессования из обычных материа­ лов, можно изготовить из металлов, находящихся в состоянии сверхпластнчности. В сверхпластичном состоянии можно прессовать обычно непрессуемые сплавы, а у прессуемых можно увеличить степень вытяжки (к). Известно, что некоторые сверхпластичные металлы прессовали с вытяжкой до X = 250.

Волочение. В этом процессе можно пользоваться новой техноло­ гией, основанной на высокой устойчивости сверхпластичных метал­ лов против образования шейки. Новый технологический процесс заключается в следующем: один конец заготовки жестко закрепляют в держателе, к другому концу заготовки прикладывают растягива­ ющее усилие- и заготовку протягивают через индуктор, который перемещается в направлении, противоположном направлению растя­ жения. При таком бесфильерном волочении отсутствует износ инстру­ мента, отпадает необходимость в смазке и промежуточных отжигах. Периодическое изменение отношения скорости протяжки к скорости перемещения катушки индуктора позволяет также изготавливать изделия с периодическим ступенчатым профилем. Метод бесфильерного удлинения прутков и конических деталей применяется при местном нагреве с удлинением до 400%; вытяжка титановой прово­ локи производится со скоростью 3 см/мин.

В настоящее время методом бесфильерного волочения получают изделия, которые невозможно получить обычным методом, напри-

87

мер, трубки малого диаметра из титановых сплавов (их применяют в электрохимическом машиностроении, самолете- и ракетостроении).

Вакуумная листовая штамповка. Использование сверхпластич­ ных металлов для формовки изделий из листа привлекает в настоя­ щее время наибольшее внимание. Это касается прежде всего сплава Престаль (78% Zn и 22% Al). Из него штампуют панели кузовов автомобилей и холодильников, сложная форма которых не позволяет штамповать их обычным способом.

Сплав Престаль при быстром охлаждении имеет мелкозернистую структуру. Слитки сплава прокатывают при температуре 275— 325° С. Последующую штамповку ведут при 270° С в вакууме. Удельные усилия штамповки низкие, порядка 1 кгс/см2. Так как рабочая температура обработки выше комнатной, то для процесса формования используют инструмент из тугоплавкого цемента. При изготовлении больших партий применяют оснастку из алюминия или литого чугуна. Время штамповки в зависимости от формы и величины детали колеблется в пределах от нескольких секунд до нескольких минут. В этом процессе весьма важное значение имеет вязкость материала, так как толщина стенок готового изделия будет тем равномернее, чем больше отношение приращения напря­

жения течения (d ln а) к приращению скорости деформации (d ln е), т. е. чем больше коэффициент чувствительности напряжения к ско­

Недостатки вакуумной листовой штамповки следующие: неболь­ шая производительность, увеличение которой связано с увеличе­ нием количества рабочих линий штамповки; стоимость процесса дороже обычного и сам процесс при 270° С более сложен, чем при комнатной температуре. Однако эти недостатки штамповки деталей из сплава Престаіль компенсируются преимуществами. Из указан­ ного сплава можно штамповать крупные и сложные детали, при этом снижается величина отходов и процент брака; уменьшается объем ручных работ, уменьшается количество деталей изделия, так как составные части изделия можно заменить цельными, и, следовательно, снижается стоимость сборки; отсутствуют проме­ жуточные отжиги; снижаются производственные затраты за счет удешевления штамповочного инструмента.

Пневмостатическая выдувка и гидростатическая формовка. Тех­ нология выдувки, используемая для формовки различных полых изделий из стекла и пластмассы и непригодная для формовки изде­ лий из обычных металлов, уже при небольшой модификации с успе­ хом применяется в полупромышленных условиях для обработки металлов в сверхпластичном состоянии. Таким методом из-за низ­ кого значения коэффициента т и пониженной стабильности дефор­ мации у сверхпластичных металлов их труднее формовать, чем термо­ пластические массы. Выдувка и гидроформовка сверхпластичных сплавов требуют стрргого контроля скорости деформации, которая

88

доллена соответствовать максимальному значению т. Однако это осложнение перекрывается широкими перспективами, связанными с развитием процесса получения полых металлических изделий различной конфигурации.

В настоящее время освоено изготовление труб методами гидро­ формовки с различной формой поверхности (свободная раздача ■труб, раздача труб в матрицах с разными профилями рабочих поверх­ ностей) и из листовых заготовок (свободная формовка в эллиптиче­ скую матрицу и глубокая вытяжка).

С применением метода пневмостатической формовки из сплава Пре­ сталь изготовлены различные коробчатые детали с волнообразным полусферическим и рельефным дном. Так, например, глубокая вытяжка листа под давлением воздуха позволила объединить две детали пишущей машинки в одну, дно которой вытянуто в литерную головку, где четко отштампованы все мельчайшие детали. Экспери­ менты по выдувке выпуклых форм из листа показали, что необычно высокие деформации осуществимы без местных утонений и металл ведет себя при этом как нагретая пластмассовая пленка.

Глубокая вытяжка. При изготовлении типичных для . глубокой вытяжки деталей из сверхпластичных сплавов можно получить значительный эффект вследствие высокой пластичности и низкого сопротивления сплава деформации. Недостаток глубокой вытяжки — низкая скорость деформирования; Так, например, при вытяжке тонкостенного стакана диаметром 25 мм время обработки составило около 60 с.

Необходимо отметить, что в настоящее время наряду с созданием сверхпластичных сплавов с целью использования их преимуществ в процессах обработки давлением начали создавать сверхпластич­ ные сплавы для изготовления конструкций, работающих в области низких и сверхнизких температур, а также высокотемпературных деталей, где не допускается охрупчивание во всем рабочем диапазоне.

Приведенный обзор состояния вопроса о сверхпластичности металлических материалов позволяет сделать вывод о том, что в на­ стоящее время определилась тенденция создания сверхпластичных материалов, с последующим решением вопроса о возможных обла­ стях его применения.

С этой точкой зрения трудно согласиться. Установление области существования состояния сверхпластичности для применяемых в на­ стоящее время металлов и сплавов (интервал температур, скоростей и т. д.), а также для создаваемых применительно к специфике исполь-' зования в той или иной конструкции открывает возможности прин­ ципиально нового подхода к технологии производства изделий и полуфабрикатов методами обработки давлением. С другой стороны, Возникает возможность использования явления сверхпластнчности для повышения эксплуатационной надежности конструкций, изго­ товленных из такого металла.

Высказанное положение можно пояснить на ряде примеров. Широко применяемые в настоящее время жаропрочные высоко­ легированные стали и сплавы на основе никеля, хрома и тугоплавких

89

металлов относятся к классу труднодеформируемых. При обработке давлением, особенно при деформировании с нагревом, указанные материалы обладают наряду с высоким сопротивлением деформа­ ции низкой пластичностью, часто граничащей с хрупким состоя­ нием. В настоящее время для обработки давлением таких сплавов требуется применение специальных дорогих и малопроизводитель­ ных способов: горячее прессование с противодавлением, деформация в пластичных оболочках, гидроэкструзия и т. д. Отыскание зна­ чений температуры и скорости, соответствующих сверхпластичному состоянию каждого такого материала, позволит получить неогра­ ниченные степени деформации при сравнительно низкой мощности обрабатывающего оборудования. Экономические и технические вы­ годы при этом трудно переоценить.

В качестве второго примерз можно привести установленное в по­ следние годы явление самопроизвольного формоизменения металли­ ческих деталей под действием термокачек, а также при воздействии нейтронного облучения. Несомненно,'что устранение этого вредного явления вполне возможно при подходе к нему с точки зрения теории механизма сверхпластичного течения. При этом можно подобрать соответствующие параметры работы установки либо применить не склонные в данных условиях к явлению сверхпластнчности мате­ риалы. Представляет также интерес применение металлических материалов, имеющих склонность к сверхпластичности в области низких температур, для работы машин в условиях Крайнего Севера, для сосудов со сжиженными газами, в конструкциях химического машиностроения и т. д.

Даже небольшое количество приведенных примеров свидетель­ ствует об актуальности и правомочности постановки вопроса об установлении определяющих параметров и способности конкретного материала перейти в сверхпластичное состояние.

ПЛАСТИЧНОСТЬ И ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ

§ 15

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

При освоении новых металлов и сплавов основной остается про­ блема пластичности. Для ее решения необходимо дальнейшее изуче­ ние природы пластичности, усовершенствование методов определе­ ния критериев оценки пластичности, изыскание путей повышения пластичности труднодеформируемых материалов и создание справоч­ ных пособий по показателям пластичности и деформируемости,, опре-

90

деленным различными методами. Так как количественно пластич­ ность материала выражается через конкретный показатель деформи­ руемости или сочетание нескольких показателей, нельзя провести четкую грань между этими показателями, а также менаду методами определения пластичности и деформируемости. Очевидно, что введе­ ние понятия «универсальный показатель пластичности» является условным приемом, значительно облегчающим методику опреде­ ления показателей деформируемости применительно к любому кон­ кретному процессу обработки давлением. Подробный анализ совре­ менных методов определения пластичности проведен А. А. Пресня­ ковым [35].

В общем виде все известные методы определения пластичности

2)усредненные комплексные критерии пластичности (критерии

С.И. Губкина, Л. Д. Соколова, В. Л. Колмогорова [13, 19, 65

идр.[).

3)критерии пластичности, полученные на основании проведения

простейших лабораторных испытаний (испытания на кручение, разрыв, ударную работу, сжатие, динамический и статический изгиб

ит. д.);

4)методы испытаний, имитирующие процессы реальной обра­ ботки давлением, непосредственно производственные испытания (про­ катка на клин или прокатка клиновых образцов [61 ], осадка кре­

шеров или слитков [3], .прокатываемость трубных образцов в перио­ дическом калибре [55], испытания на прошиваемость [30]).

Математическая теория пластичности, рассматривающая пласти­ ческое состояние исходя из гипотезы равновесия элементов и усло­ вий пластичности и являющаяся основой теоретических методов, дает возможность лишь качественно оценить пластическое поведение материала. Это связано с большим количеством допущений и упро­ щений, неизбежных при выведении теоретических выражений, кото­ рые описывают взаимосвязь огромного количества переменных, определяющих течение сложного процесса деформации при пласти­ ческой обработке. В свете сказанного мы не будем касаться этих вопросов.

В'ранних работах С. И. Губкина предлагалось находить деформи­ руемость по максимумам, которые получены на диаграммах пластич­ ности, построенных по результатам определения пластичности раз­ ными методами. Однако на основании результатов широких иссле­ дований технических сплавов было установлено, что ход изменения всех кривых пластичности качественно идентичен и максимумы на диаграммах не вносят ничего нового в количественную и качествен­ ную оценку пластичности. В то же время применение метода оценки по максимумам на диаграммах пластичности значительно повышает сложность и трудоемкость исследований [40].

Позднее С. И. Губкиным был предложен расчетный метод опреде­ ления деформируемости:

D = бр + k (бр - 1),

91