книги из ГПНТБ / Производство труб на установках с пилигримовыми станами

В_

Рис. 12. Условная (а) п истинная (б) диаграммы растяжения

раллельных линии действия внешних сил, нормальные и касательные напряжения равны нулю.

Деформация может быть измерена различными спо­ собами. Чаще ©сего ее выражают относительным измене­ нием размеров или площади поперечного сечения образ­ ца или заготовки. Например, коэффициент продольной деформации при изменении длины образца от Іо до 1\:

При растяжении образцов, которое производят на специальных разрывных машинах, зависимость между напряжением и деформацией при линейной схеме напря­ женного состояния определяется диаграммой растяже­ ния (рис. 12). На диаграмме по вертикальной оси отло­ жены главные напряжения, по горизонтальной — соот­ ветствующие им относительные деформации.

На участке диаграммы от 0 до точки А напряжения пропорциональны деформациям. Эта область соответст­ вует упругой деформации. Коэффициент пропорциональ­ ности Е, характеризующий сопротивление материала в упругой области, называется модулем упругости I рода (или модулем Юнга). Закон связи деформаций ей на­ пряжений о называется законом Гука:

На диаграмме сгу .называется пределом упругости: это напряжение, вызывающее остаточные деформации порядка 0,001—-0,03%. Если напряжения достигнут зна­ чений Оу, то после шятия нагрузки длина образца будет на 0,001—0,03% больше первоначальной.

металлов приведены в таібл. 1.

На участке от точки А до точки В происходит пласти­ ческая деформация образца, которая при достижении значений ат (предел текучести) продолжается практиче­ ски без увеличения нагрузки, т. е. образец удлиняется при постоянном значении внешних сил. При .пластиче­ ском удлинении не учитывается уменьшение площади се­ чения образца и диаграмма на рис. 12, а называется ус­ ловной. Диаграмма на рис. 12, 6, в которой напряжения определяются с учетом уменьшения площади сечения, на­ зывается истинной. Деформация относительного умень­ шения площади сечения определяется соотношением

( П )

где Fx — площадь поперечного сечения образца при рас­ тяжении.

Если считать .площадь образца ів имеете разрыва FX=F 1, то сужение

является показателем пластичности металла, а отрезок ООі на диаграмме растяжения (см. рис. 12,а) может быть принят за мару пластичности.

Практически для .оценки пластичности материала пользуются специальными технологическими испыта­ ниями.

Рис. 13. Напряжения при плоском (а) и объемном (б) напряженном состоя нин

Кроме рассмотренной линейной схемы, известны пло­ ская о объемная схемы напряженного состояния. В теории упругости показано, что при любом напряженном состоя­ нии всегда можно найти три взаимно перпендикулярные площадки, в которых касательные напряжения равны нулю.

Ранее мы определили, что такие площадки называют­ ся главными, направления перпендикуляров к этим пло­ щадкам— главными направлениями или главными ося­ ми деформации, а напряжения и деформации в направ­ лении главных осей — главными напряжениями и дефор­ мациями.

При наличии одного главного напряжения действует линейная схема напряженного состояния, при наличии двух главных напряжений—плоская схема и при нали­

В случае плоской схемы (рис. 13,а) напряжения в лю­ бой площадке связаны с главным соотношениями:

оа = а! cos2«Н-Оа sin2а2; та = Pl ° -sin 2 a.lt (14)

где си и ct2— углы, определяющие положение выбранной площадки относительно главных напряже­ ний.

В случае объемной схемы (рис. 13,6) напряжения в пло­ щадке, положение которой от­ носительно главных напряже­ ний определено углами см, сіг и аз, описываются соотноше­ ниями:

ста = оу cos2оу + а2cos2а2ф-

Рнс. 14. Диаграмма растя- -j- Q3 COS" ССg* жения идеального упруго­

пластического тела

тц = о? cos2су ф- о| cos2 су ~|- of cos2а3—(Oj cos2оуф-

Один из основных вопросов теории (пластической де- формации—изучение условий начала пластического те­ чения, так называемого предельного состояния металла. Условие, при котором возможен (переход тела в .пласти­ ческое состояние, называется условием пластичности.

Вернемся « диаграмме растяжения при линейной схе- ■ ме напряженного состояния (см. рис. 12,а). Если пренеб­ речь переходным участкам AB, то диаграмму для иде­ ального упруго-пластического материала (можно пред­ ставить так, как это показано на рис. 14. В этом случае условие пластичности запишется в .виде

=о-т,

т.е. пластическая деформация тела начнется тогда, ког­ да главное напряжение оу достигнет .предела текучести

От.

Вслучае объемного напряженного состояния условие пластичности может быть записано в виде:

Следует учитывать, что под напряжением текучести необходимо понимать не условное, а истинное напряже­ ние, характеризующееся'переходом от прямой линии к криволинейному участку на диаграмме (см. рис. 12,6). Это истинное напряжение называют сопротивленіием де­ формации и обозначают os.

где ß — коэффициент, учитывающий влияние среднего по величине сланного .напряжения Стг-

Коэффициент ß меняется в пределах от ß= l (при ао=

= СГіИЛИ СГ2 = (Тз) до ß = 1,15 при о2—

Сопротивление деформации является наиболее пол­ ной пластической характеристикой металла и зависит от целого ряда факторов (природа материала, температур­ но-скоростные условия деформирования, схема напря­ женного состояния и т. д.).

3.ПРОЦЕССЫ УПРОЧНЕНИЯ

ИРАЗУПРОЧНЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ

Течение металла, начавшееся при достижении

увеличивать напряжение сдвига. Следовательно, при де­ формировании металл упрочняется.

Изменение структуры и свойств металла и прежде всего ©по упрочнение, вызванное пластической деформа­ цией, называют наклепом.

Упрочнение вызывается тем, что продвижение дисло­ каций по кристаллу в процессе деформирования затруд­ няется вследствие скопления (заклинивания) их у пре­ пятствия и вследствие образования устойчивых группи­ ровок дислокаций. Препятствием ік перемещению дисло­ каций могут служить границы зерен, а также другие ди­ слокации.

Влияние одних дислокаций на перемещение других связано с наличием .вокруг дислокаций поля упругих на­ пряжений. Дислокации одного знака отталкиваются, а дислокации противоположных знаков, лежащие в одной и той же плоскости скольжения,—притягиваются и вза­ имно уничтожаются. Если, однако, дислокации противо­ положных знаков лежат в соседних плоскостях скольже­ ния, то они затрудняют взаимное ^перемещение.

Встретившись с препятствиями, подвижные дислока­ ции становятся неподвижными, и тем самым упрочняют

хрупко разрушается, так как его деформационная спо­ собность исчерпывается. Таким образом, существует предел упрочняемости металла.

Необходимо подчеркнуть, что в результате наклепа в металле .нарушается энергетическое равновесие — внут­ ренняя энергия растет за счет .'искажения кристалличе­ ской решетки.

Пластическая деформация металла существенно из­ меняет его свойства. іС увеличением степени деформации растет твердость материала НВ, предел текучести аТ и предел прочности сгв, падают относительное удлинение ô и относительное сужение ф, т. е. ухудшается способность к дальнейшей деформации (рис. І5).

При нагреве холоднодеформированной стали проис­ ходят структурные изменения, приводящие к .восстанов­ лению исходных свойств металла. .Эта изменения вызва­ ны там, что число дефектов (дислокаций) в іпродеформированных зернах в десятки раз выше, чем в недеформироваиной структуре. Повышение температуры приводит, к движению дислокаций и уменьшению внутренней энер­

мня: отдых (возврат), первичная рекристаллизация или

рекристаллизация обработки, собирательная рекристал­ лизация или рост зерен, а также вторичная рекристал­ лизация.

П од о т д ы х о м ( в о з в р а т о м ) понимают частич­ ное восстановление свойств наклепанного металла 'при нагреве до относительно невысоких температур (ниже температуры рекристаллизации), происходящее без су­ щественных изменений микроструктуры. Отдых приводит к частичному 'Снятию упругих искажений в решетке пу­ тем диффузионного перемещения атомов на небольшие расстояния, равные межатомным, и диффузии вакансий.

Под л ер в ич н о й р ек р ис т а л л и з а ц и е й пони­ мают процесс образования в деформированной (матрице центров (зародышей) новых неискаженных зерен с нор­ мальной решеткой и их последующего роста путем фрон­ тального перемещения границ искаженных кристаллитов. Новые зерна имеют нормальную округлую форму, т. е. они равноосны.

К основным особенностям первичной рекристаллиза­ ции могут быть отнесены следующие:

1)зародыши новых зерен возникают в местах с наи­ большими искажениями решетки при наклепе;

2)новые зерна растут после определенного инкуба­ ционного периода, который тем меньше, чем выше тем­

пература нагрева и степень деформации;

3) характер структуры к концу рекристаллизации об­ работки определяется соотношением скорости образова­ ния зародышей и скорости их роста; обе величины зави­ сят ст большого числа факторов и прежде всего от степе­ ни деформации и температуры нагрева.

Стадия .первичной рекристаллизации продолжается до тех пор, шока .новые .неискаженные зерна не заполнят всего объема металла. Но и .до наступления этого момен­ та она может частично перекрываться собирательной ре­ кристаллизацией.

ве. Собирательная рекристаллизация состоит в равно­ мерном укрупнении рекристаллизованных зерен, обра­ зовавшихся при первичной рекристаллизации. При

этом одна часть новых зерен растет за счет другой их части. Собирательная рекристаллизация идет, как пра­ вило, путем фронтального перемещения границ зерен, а не путем слияния зерен. Одно и то же зерно на од­

кристаллнзаванных зерен, который наступает при очень большом увеличении продолжительности рекристаллизационного отжига или, чаще, при повторном нагреве до температуры выше температуры .первого .рекристаллизационного отжига.

Результатом этого процесса может быть общее рез­ кое увеличение зерна или четко выраженная неоднород­ ность структуры по величине зерна.

Скорость рекристаллизации и характер конечной структуры зависят от многих факторов: степени дефор­ мации, температуры и скорости нагрева, длительности' отжига, скорости деформации, наличия примесей в спла­ ве, толщины изделия ндр.

С увеличением степени деформации плотность дисло­ каций возрастает преимущественно в районах, прилежа­ щих к границам зерен. Если степень деформации невели­ ка и плотность дислокаций у .границ зерен сильно не уве­ личилась, то при нагреве внутри зерна происходит из­ мельчение блоков кристаллов. Этот процесс называется полигоиизацией. Размер зерна .при этом не изменяется.

При какой-то степени деформации, называемой кри­ тической, зерно растет очень быстро, при большей же сте­ пени деформации склонность металла к росту зерна уменьшается (рис. 16, а). Обусловлено это различиями в механизме роста зерен. При критической деформации ди­ слокационная структура границ зерен такова, что .воз­ можно слияние нескольких зерен в одно крупное. При степенях деформации больше критической этот меха­ низм роста зерна постепенно сменяется нормальным ме­ ханизмом первичной рекристаллизации, состоящей в воз­ никновении зародышей новых зерен и их росте. Для большинства металлов критическая степень деформации составляет около 5—10%-

Оценивая влияние температуры и длительности на­ грева на размер зерна после рекристаллизационного

Рнс. 16. Зависимость величины зерна после рекристаллиза­ ции от степени деформации (а) н температуры отжига (б)

Рис. 17. Изменение предела прочности стали с 0,08% С под действием температуры

отжига, следует отметить, что при длительной выдержке в области повышенных температур, а также с увеличением температуры размер зерна увеличивается (рис. 16,6).

Изменение механических свойств при нагреве можно проследить на примере изменения предела прочности стали в зависимости от температуры отжига (рис. 17). Функцию можно разбитъ на три части: возврат (1—2), рекристаллизация обработки (2—3) и собирательная ре­ кристаллизация (3—4). На рис. 17 для каждого участка

кривой схематически показано изменение миіирострукту ры стали.

Температура начала рекристаллизации (порог рекри­ сталлизации—температура точки 2 на рис. 17) связана с температурой плавления металла или сплава зависимо­ стью, предложенной А. А. Бочваром:

где Трекр —порот рекристаллизации, °К; а — коэффициент;

Тпл — температура плавления, °К.

Коэффициент а составляет 0,2—0,25 для металлов высокой чистоты (99,9% и чище), 0,35—0,4 — для тех­ нически чистых металлов.

Для некоторых технически чистых металлов темпе­ ратура начала рекристаллизации составляет:

Температура рекристаллизации зависит также от степени деформации. При большей степени деформации процесс рекристаллизации облегчается, а температура начала рекристаллизации снижается.

4. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ

При обработке давлением в металле могут протекать одновременно процессы упрочнения и разуп­ рочнения. Те и другие идут во времени и с определен­ ными скоростями, обусловленными условиями деформи­ рования (температура, скорость и степень деформации),

атакже природой металла.

Взависимости от того, какой из процессов преобла­ дает, условия деформирования различны. По классифи­ кации С. И. Губкина, различают горячую, неполную