книги из ГПНТБ / Крупин А.В. Прокатка металлов в вакууме учеб. пособие

теплообмена охлаждающее действие валков перекрывается вы­ делением тепла вследствие работы деформации и трения.

Рассматривая условия охлаждения металла после выхода из зева валков, можно отметить, что теплообмен металла с окру­ жающей средой обусловливает максимальное значение скоро­ сти охлаждения металла на воздухе (рис. 61). При остывании металла в вакууме 13,3 Н/м2 (ІО-1 мм рт. ст.) скорость охла­ ждения минимальна, так как практически отсутствует конвек­ тивный теплообмен и проявляется действие теплоизоляционного слоя окнсноп пленки. Малые скорости охлаждения металла в условиях процесса прокатки в вакууме создают благоприятные

условия для термообработки де­ формируемого материала сразу после пластической деформации.

Поверхностный эффект изме­ нения температуры значительно

влияет на условия трения, касательные и нормальные напря­ жения в очаге деформации. Резкое снижение температуры по­ верхностных слоев металла при прокатке в вакууме необхо­ димо учитывать при анализе результатов исследований сило­ вых и скоростных показателей, расчетах усилий. Несомненно,, что сопротивление деформации в приконтактных слоях металла имеет повышенное значение. Различие в температурных усло­ виях влечет за собой и различие в свойствах и структуре по^ сечению. Очевидно, что анизотропия свойств и структуры уве­ личивается при прочих равных условиях с уменьшением тол­ щины окисной пленки по контактной поверхности.

Зависимость температурных условий процесса деформации от физико-химического состояния контактной поверхности необ­ ходимо учитывать при термодинамических расчетах безокислительных условий на разных стадиях процесса прокатки (нагрев,, деформация, охлаждение), при оценке контактного трения и ка­ сательных напряжений, расчетах энергосиловых показателей

12,3-

прокатки, разработке технологических режимов и конструиро­ вании специального оборудования.

С. И. Булат предложил расчетный метод, с помощью кото­ рого можно определить изменение температурного поля дефор­ мируемого металла в процессе прокатки о наличием окисных пленок (воздух, низкий вакуум). '

По этому методу задача теплообмена между металлом и валком решается с допущениями, что на плоскостях соприкос­ новения металла и инструмента существует идеальный контакт, а тепло пластической деформации и трения выделяется равно­ мерно во времени. Уравнение, предложенное С. И. Булатом, имеет вид

боты трения.

Выражение в первых фигурных скобках определяет влияние тепла деформации. Выражение во вторых фигурных скобках от­ ражает влияние тепла трения. Выражение в третьих фигурных скобках отражает влияние про­ цесса теплообмена между горячим металлом и холодными валками в очаге деформации и опреде­ ляется по формуле Г. П. Иван­ цова, учитывающей слой окислов.

Рис. 62. Изменение температуры контактной поверхности металла в очаге деформаций по С. И. Бу­ лату:

124

Результаты совместного решения уравнения температурного поля деформируемого металла по методу С. II. Булата и фор­ мулам Г. П. Иванцова представлены па рис. 62. Анализ тем­ пературных зависимостей показывает, что влияние тепла де­ формации и трения в общем тепловом балансе металла имеет минимальное значение.

Для прокатки в глубоком вакууме при отсутствии окисных пленок на поверхности металла расчетный метод С. И. Булата не дает удовлетворительных результатов.

4. Изменение сопротивления линейной деформации в вакууме

Сопротивление линейной (простой) деформации Оф, или со­ противление чистому сдвигу, зависит от природных свойств ма­ териала, температуры, скорости деформации и наклепа.

Если за характеристику природных свойств принять предел текучести, то при простом сжатии или растяжении фактическое сопротивление линейной деформации, по А. И. Целикову, мо­ жет быть выражено уравнением

где /гт, пп, пѵ— коэффициенты, учитывающие влияние на сопро­ тивление ' линейной деформации температуры, упрочнения (наклепа) и скорости деформации; ат — предел текучести, измеренный при испытании

в статических условиях.

Высокая интенсивность взаимодействия металлов с газами в условиях высокотемпературной деформации, установленная многочисленными исследованиями, свидетельствует о влиянии на сопротивление линейной деформации еще одного важного фактора — газовой среды. Повышенный интерес к изучению за­ кономерностей влияния среды на механические характеристики различных материалов связан с существенным влиянием фи­ зико-химических процессов на межфазных границах и на по­ верхности обрабатываемых металлов на процессы деформиро­ вания и разрушения твердых тел.

Это следует учитывать при обработке металлов давлением и разработке технологических процессов получения материалов с заданными структурными и механическими свойствами.

Литературные данные по изменению предела прочности, те­ кучести и пластичности металла при испытаниях в разных сре­ дах указывают на существенное влияние состояния поверхности металла (окисление, газонасыщение), изменяющееся под воз­ действием среды обработки, на механические свойства этих ме­ таллов.

125

Исследованиями установлено, что тонкая окисная пленка на поверхности металла повышает критическое напряжение сдвига. Например, напряжение сдвига монокристалла цинка при нали­ чии пленки повышается с 324(33) до 636 (-65) МН/м2 (кгс/мм2), на монокристалле алюминия с 745(76) до 1710(174) МН/м2 (кгс/мм2). При достижении критического значения толщины пленки скалывающее напряжение ' понижается. По данным Д. Такамура, поверхностная пленка подавляет развитие полос сброса и полос вторичного скольжения.

По данным ряда исследователей, окисная пленка на алюми­ нии вызывает упрочнение поверхностного слоя монокристалла на глубине до 10-3 см. Это объясняют скоплением дислокации перед окпсноп пленкой, вызывающим скольжение по дополни­ тельным системам плоскостей, и взаимодействием дислокаций этих систем с дислокациями первичной системы, что приводит к образованию дислокационных сплетений' н затрудняет дефор­ мационные процессы.

Тонкие пленки значительно влияют на прочность металла после пластической деформации. Показано, что после дефор­ мации на 20% прочность монокристалла серебра повышается в десять раз по сравнению с прочностью монокристалла без пленки. Это повышение прочности объясняют способностью пленки «залечивать» образующиеся субмпкротрещины.

Зарождение трещин, по современным представлениям, обу­ словлено высокой концентрацией, вызываемой скоплением дис­ локаций у препятствий (дефектов). С применением метода фотоупругостн на оптически активных материалах автор совме­ стно с И. М. Павловым изучал влияние макродефектов в мате­ риале (трещины, пустоты и др.) как концентраторов напря­ жений.

Было установлено, что покрытия (как и рассматриваемые пленки) на материале снижают концентрацию напряжений, вы­ зываемую трещинами, включениями и другими дефектами.

Изменение парциальных давлений активных газов при вы­ сокотемпературной деформации в вакууме, как отмечалось выше, влияет на интенсивность проникновения газовых приме­ сей по границам зерен (особенно в металлах с малой раство­ римостью примесей внедрения), образование на границе зерен окислов, нитридов, карбидов и др.; диффузию газов в поверх­ ностные слои; охрупчивание вследствие хемосорбции поверхно­ стного слоя II образование трещин как острых надрезов-кон­ центраторов напряжений. Изменение содержания примесей и взаимодействие их с дислокациями обусловливает различие механических свойств металлов после нагрева в вакууме, по сравнению с нагревом на воздухе.

Изучение влияния инертной среды и вакуума различной глу­

126

показало, что предел прочности листового ниобия при темпе­

рт. ст.) 216 МН/м2 (22 кгс/мм2).

При испытаниях молибдена в аргоне обнаружено незначи­ тельное изменение предела прочности. Это объясняется тем, что молибден в отличие от ниобия имеет малый предел раство­ римости газов.

Однако при испытаниях в высоком вакууме на круглых об­ разцах с увеличением длительности выдержки перед нагруже­ нием уменьшался предел прочности и возрастала пластичность. Так, увеличение времени выдержки с 3 до 20 мин при темпе­

тельного удлинения с 26 до 48%. Анализ характера разруше­ ния молибденовых образцов показал, что образцы, выдержан­ ные в течение 5 мин при 1450° С, после деформирования имели в зоне шейки мелкие трещины; излом был волокнистым. После выдержки 20 мин при той же температуре по поверхности об­ разца в зоне максимальной деформации распространялись до­ вольно крупные трещины.

Снижение предела прочности и незначительный рост пла­ стичности литого вольфрама с увеличением времени выдержки при испытаниях в высоком вакууме объясняют развитием ре­ кристаллизации вследствие дегазации металла.

Уменьшение предела прочности при деформации в высоком вакууме по сравнению с деформацией на воздухе установлено также на меди и алюминии.

О существенном влиянии рабочей среды на механические свойства сплавов свидетельствуют результаты кратковременных испытаний на растяжение сплава Nb—ЗЗТа—0,75Zr при темпе­ ратуре 1093° С. Так, предел прочности указанного сплава на воздухе составил 204 МН/м2 (20,8 кгс/мм2), в то время как в аргоне предел прочности равен 308 МН/м2 (31,4 кгс/мм2); при этом возросло и относительное удлинение с 6= 2% на воздухе до 6= 8% при испытании в аргоне.

Характер взаимодействия металлов с газами воздушной среды различен. Например, молибден и вольфрам практически не взаимодействуют с водородом, в то время как кислород и азот даже при содержании 0,005—0,007% образуют хрупкие фазы внедрения по границам зерен металлов с о. ц. к. решет­ кой, и тем самым значительно изменяют механические свойства.

Изменение концентрации кислорода в ниобии от 0,001 до 0,02% при температуре 500°С приводит к увеличению предела прочности ниобия от 171 МН/м2 (17,5 кгс/мм2) до 294 МН/м2 (30 кгс/мм2) (рис. 63).

127

Установлена линейная зависимость между пределом теку­ чести и процентным содержанием азота п кислорода в ва­ надии.

Повышая в определенных условиях предел прочности, при­ меси внедрения существенно снижают пластические свойства металлов.

рамяном, Л. И. Ивановым и др., авторы объясняют изменением эффективной плотности поверхностного адсорбированного слоя и соответственно изменением диффузионного потока примесей в глубь металла. Исследование влияния вакуума различной глу­

128

бины на относительное удлинение при деформировании стали

свойств металлов с увеличением глубины вакуума объясняют действием многих факторов, в том числе особенностями пове­ дения дислокаций в поверхностном слое металлов.

Действительно, под воздействием среды обработки в по­ верхностные слои металла проникают активные газы, в резуль­ тате чего образуются примеси внедрения. Примеси внедрения, располагаясь на участках вблизи дислокаций, препятствуют пе­ ремещению дислокаций. Создается поле напряжений, вызываю­ щее дополнительное увеличение потенциального барьера, после преодоления которого дислокации выходят на поверхность. Это приводит к увеличению напряжений, необходимых для пласти­ ческой деформации.

Толстая окисная пленка создает в поверхностном слое кон­ центрацию напряжений, которая способствует образованию и дальнейшему распространению трещин, что вызывает разру­ шение деформируемого металла при значительно меньшей сте­ пени деформации, чем в случае его чистой поверхности.

Проявление в данном случае эффекта адсорбционного пони­ жения прочности, или эффекта Ребиндера, состоит в значитель­ ном уменьшении поверхностной энергии стенок зародышевой II растущей трещины под воздействием адсорбционно-активной среды.

Поэтому сопротивление линейной деформации металла по­ сле нагрева под обработку давлением в высоком вакууме, ко­ гда образование окисленных и газонасыщенных слоев затруд­ нено, может уменьшаться.

Таким образом, исследованиями подтверждено, что среда обработки, наряду с температурой, скоростью и степенью де­ формации, является важным фактором, существенно влияющим на сопротивление линейной деформации.

Истинное сопротивление линейной деформации может быть определено только в высоком вакууме. Применительно к дру­ гим условиям обработки необходимо вводить коэффициент пс, учитывающий влияние среды обработки, т. е.

Коэффициент ігс, так лее как и другие коэффициенты пт, «н, пѵ определяется экспериментально, при испытаниях на растя­ жение или сжатие в вакууме различной глубины и в инертных средах разной степени чистоты при изменении температуры, скорости и степени деформации.

«Взаимодействие материалов высокотемпературного назначения со средой».

«Физико-химическая механика материалов», 1971, т. 7, № 2, с. 115—118 с пл. Прочность тугоплавких металлов. М., «Металлургия», 1970. 365 с. с пл.

Г Л А В А VII

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПРОКАТКИ В ВАКУУМЕ

НА КОНТАКТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА1

1. Внешнее трение

Трение, возникающее при обработке металлов давлением на поверхности контакта обрабатываемого металла и деформи­ рующего инструмента, существенно влияет на показатели про­ цесса, качество продукта, износ инструмента.

Коэффициент трения при пластическом деформировании обусловлен многими факторами: химическим составом обраба­ тываемого металла, температурой и скоростью деформации, ха­ рактером приложения нагрузки, удельным давлением и др.

Значительное влияние на внешнее трение оказывает состоя­ ние поверхности деформируемого металла и инструмента, зави­ сящее от среды нагрева и деформации, механической обра­ ботки, химического состава металла, наличия и свойств смазки, окисных пленок и их физико-химических и механических свойств.

Изменение коэффициента трения в зависимости от среды, по данным Хаузнера и Волковица, показано на рис. 66. Макси­ мальный коэффициент трения наблюдается в вакууме.

130

Шоу и Леви в опытах по трению различных пар металлов в вакууме получили значительное увеличение коэффициентов внешнего сухого трения скольжения:

К аналогичным результатам пришли Боуден и Хьюз (табл. 23), которые сравнивали коэффициенты трения различ­ ных металлов в вакууме 1,33- ІО-4 Н/м2 (ІО-6 мм рт. ст.), в ат­ мосфере воздуха и в кислороде.

В высоком вакууме на поверхности металлов отсутствуют окисные, адсорбционные и другого типа пленки, поэтому тре­

трении чистых металлов в вакууме и приводящие к их молекулярному взаимодействию, заменяются

в несколько сот раз менее прочными ван-дер-ваальсовыми силами.

По данным Кемпбелла, оксидная и сульфидная пленки на поверхности металлов снижают коэффициент трения в 2—3 раза по сравнению с коэффициентом трения чистых металлов. Так, с увеличением толщины пленки значительно уменьшились коэф­ фициенты трения для меди (рис. 67).

Однако уменьшение коэффициента трения при увеличении толщины окисной пленки продолжается до определенного ее