Материаловедение и технология конструкционных материалов

модель 4. В зазор между моделью и опорным слоем заливают суспензию 5. После ее затвердевания модель удаляют из формы, которую прокаливают при температуре 800...900 °С.

Суспензия состоит из гидролизованного раствора этилсиликата (40...50 % этилсиликата, 15...50 % спирта, 4...8 % под­ кисленной воды) и огнеупорного наполнителя (силлиманит, глинозем, мулит, циркон, кварц, полевой шпат, оксид магния). Ее тщательно перемешивают в быстровращающихся мешалках

ипосле добавления катализатора (соляной кислоты, смеси ок­ сида магния и аминов, диэтилметиламина, раствора ацетата ам­ мония и др.), ускоряющего процесс гелеобразования, заливают в зазор между моделью и опорным слоем.

Применять керамические формы целесообразно для получе­ ния сложных точных отливок из труднообрабатываемых сталей

исплавов. Наибольшее распространение этот метод получил приизготовлении литой литейной оснастки и производстве штампов, а также в ювелирной промышленности. Масса отливок может быть различной — от десятков граммов до тонн.

Раздел

IV

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

16.Основы теории обработки металлов давлением

17.Виды обработки металлов давлением

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

т.

Деформация

Обработкой металлов давлением (ОМД) называют группу технологических процессов, в результате которых под влиянием приложенных внешних сил происходит изменение формы заго­ товок без нарушения их сплошности.

Основной задачей всех видов обработки давлением является придание металлу желаемой формы посредством процесса пла­ стической деформации. В результате изменяются не только форма и размеры заготовки, но и структура и свойства исходного ме­ талла.

В промышленности применяют шесть основных видов обра­ ботки давлением: прокатку, прессование, волочение, ковку, объемную и листовую штамповку. Схемы этих видов приведены на рис. 16.1.

При обработке металлов давлением в заготовке под действием внешних сил возникают напряжения. Если они невелики, про­ исходит упругая деформация, при которой атомы металла сме­ щаются от положений устойчивого равновесия на очень малые расстояния, не превышающие межатомные. После снятия на­ грузки атомы вследствие межатомного взаимодействия возвра­ щаются в исходные положения устойчивого равновесия. Форма тела полностью восстанавливается и никаких остаточных изме­ нений в металле не происходит.

С увеличением внешней нагрузки напряжения в заготовке растут, что ведет к смещению атомов от положений устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие меж­ атомные. После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия, поэтому форма тела не восстанавлива­ ется. Такое необратимое изменение формы тела называется пла­ стической деформацией. Способность металла подвергаться пла­ стической деформации называется пластичностью. Количест-

Рис. 16.1. Виды обработки металлов давлением:

а — прокатка (1 — заготовка; 2 -г валок; 3 — изделие); б — прессование (1 — пуансон; 2 — контейнер; 3 — заготовка; 4 — матрица; 5 — изделие); в — волочение (1 — заготовка; 2 — волока; 3 — изделие); г — ковка (1, 3 — верхний и нижний бойки; 2 — заготовка); д — объемная штамповка (1 — заготовка; 2 , 3 — верхняя и нижняя половины штампа); е — листовая

штамповка (1 — заготовка; 2 — пуансон; 3 — матрица)

венно пластичность характеризуется значением максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность не является постоянной харак­ теристикой металла, так как в значительной степени зависит от условий деформирования.

Общая пластическая деформация поликристаллического тела складывается из деформаций двух видов — внутрикристаллитной и межкристаллитной.

При внутрикристаллитной^деформации пластическая де­ формация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних тонких атомных слоев кристаллита относи­ тельно других (рис. 16.2, а), причем их относительное смещение составляет примерно 10...23 нм. Смещения совершаются по кри­ сталлографическим плоскостям (а — а), наиболее плотно упако­ ванным атомами и называемым плоскостями скольжения.

или полосчатой. При специальной обработке поверхности де­ формируемого металла полосы скольжения можно наблюдать визуально в виде мелких рисок.

При деформировании металла его пластическая деформация может развиваться не только за счет скольжения, но и за счет двойникования. Это происходит при действии на металл удар­ ных нагрузок и характерно для металлов с ромбической и тетра­ гональной решеткой. Процесс двойникования (см. рис. 16.2, б) состоит в смещении группы атомов относительно плоскости а-а, называемой плоскостью двойникования, в результате которого часть кристаллита занимает положение, зеркально отражаю­ щее положение его недеформированной части.

В процессе деформирования зерна поликристалла поворачи­ ваются и перемещаются относительно друг друга — происходит

межкристаллитная деформация (рис. 16.3, б). При этом все большее число зерен ориентируется таким образом, что в них интенсивно развивается пластическая деформация за счет сколь­ жения и происходит пластическая деформация всего объема тела.

Установлено, что на практике для одновременного сдвига од­ ной части кристаллита относительно другой требуются напряже­ ния, в сотни раз меньшие теоретически рассчитанных. Это свя­ зано с тем, что в реальных Металлах имеются дефекты кристал­ лической структуры. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последова­ тельно, путем перемещения этих дефектов, для чего требуются значительно меньшие сдвиговые напряжения. Несовершенства в строении реальных кристаллитов, например отсутствие атомов или их избыток в реШетке, называют дислокациями (см. раздел I). При пластической деформации в металле возникают дополни­ тельные дислокации, происходит их пересечение и накопление на границах зерен, в результате чего образуются осколки кри­ сталлитов. Это затрудняет дальнейшую деформацию, вызывает повышение прочности и твердости металла, снижение пластич­ ности и изменение физико-химических свойств. Совокупность изменений свойств металла в результате пластической деформа­ ции называется наклепом, или упрочнением. Наклеп наблюда­ ется в основном в процессе холодной пластической деформации металлов и сплавов.

При больших ориентированных в определенном направлении деформациях металл приобретает строчечную структуру, так как

378 Раздел IV. Обработка металлов давлением

кристаллиты вытягиваются в направлении деформаций и образу­ ется текстура. Это вызывает анизотропию (неравенство) механи­ ческих свойств в различных направлениях. Одновременно металл приобретает волокнистое строение, в нем образуются тонкие по­ лосы, представляющие собой вытянутые в направлении наиболь­ шего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей.

Волокнистое строение металла можно заметить невооружен­ ным глазом, тогда как строчечную структуру можно обнаружить только под микроскопом.

В каждом металле при вполне определенной максимальной пластической деформации возникают микротрещины и микропоры, которые развиваются, растут и приводят к его разрушению. Эта деформация характеризует пластичность металла и опреде­ ляется путем проведения испытаний в различных условиях де­ формации.

При нагреве пластичность металла увеличивается, а сопро­ тивление деформированию уменьшается. Это объясняется тем, что в процессе пластической деформации наряду с упрочнением (наклепом) наблюдается разупрочнение, т.е. восстановление пла­ стичности. В зависимости от соотношения скоростей этих двух процессов различают холодную, неполную горячую и горячую деформацию (рис. 16.4).

Холодная деформация сопровождается упрочнением метал­ ла в полном объеме, так как процессы разупрочнения (рекри­ сталлизация, возврат) не успевают протекать.

При неполной горячей деформации происходят частичное восстановление искаженной кристаллической структуры й умень­ шение остаточных напряжений в металле. Они наблюдаются при температуре Т = (0,25...0,3)ТПЛ, где Тпл — температура плавления металла. При неполной горячей пластической деформации ме­ талл упрочняется в меньшей степени, чем при холодной, и при­ обретает строчечную и волокнистую структуру.

Горячая деформация характеризуется таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, т.е. зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристалличе­ ской структурой, при котором рекристаллизация успевает про­ изойти во всем объеме металла. Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру и упрочнение деформиро-

в

НВ

Деформации, %

Наклеп

Рис. 16.4. Деформация металлов:

а — горячая; б — холодная; в — зависимость свойств металла от степени деформации

ванного металла. Для чистых металлов она протекает при температуре Трекр >0,4ТПЛ.

При горячей деформации волокнистое строение металла со­ храняется, так как вытянутые деформацией неметаллические включения при рекристаллизации не изменяются. Механические свойства у горячедеформированного металла вдоль волокон выше, Чем поперек, поэтому обработку давлением следует вести таким образом, чтобы волокна микроструктуры располагались в направ­ лениях наибольших нормальных напряжений, возникающих в изделии во время его работы.

Факторы, влияющие на пластичность металла

Температура металла оказывает значительное влияние на его пластические свойства. Так, у углеродистой стали при увеличе­ нии температуры от 0 до 100 °С происходит увеличение пластиче­ ских свойств и уменьшение твердости и прочности. При повы­ шении температуры до 300 °С сопротивление деформированию несколько увеличивается, а пластичность уменьшается. Дальней­ шее повышение температуры приводит к резкому увеличению

пластичности металла, затем при 800 °С она незначительно па­ дает, а при дальнейшем увеличении температуры снова увеличи­ вается. Явления снижения пластичности при 300 °С называют

синеломкостью, а при 800 °С — красноломкостью. Синелом­ кость объясняют выпадением по плоскостям скольжения мель­ чайших карбидов, красноломкость — образованием в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью. Различные металлы и сплавы обрабатывают давлением во впол­ не определенном интервале температур Т = Тв - Тн, где Гв и Тн — соответственно верхний и нижний температурные пределы ОМД.

Степень и скорость деформации оказывают на металл одно­ временно упрочняющее и разупрочняющее действия. Так, с уве­ личением степени деформации, с одной стороны, увеличивается наклеп металла, а следовательно, ухудшается его пластичность, но, с другой стороны, увеличение степени деформации интенси­ фицирует процесс рекристаллизации, что ведет к разупрочнению металла и улучшению его пластичности. Что касается скорости деформации, то ее увеличение уменьшает время протекания процесса рекристаллизации, а значит, ухудшает пластичность металла. Однако с повышением скорости деформации увеличи­ вается количество выделившейся при деформировании теплоты, которая не успевает рассеяться в окружающую среду, нагревает металл и тем самым улучшает его пластические свойства.

В практике ОМД применяют следующие скорости деформи­ рования: на прессах и ковочных машинах — 0,1...0,5 м/с; на молотах — 5...10 м/с; на прокатных станах — 0,1...35 м/с.

Химический состав сплава заготовок под ОМД регламен­ тируется ГОСТом. К наиболее вредным примесям, снижающим пластичность металла, относятся азот, кислород, водород, сера и фосфор. Снижение штампуемости может вызвать завышенное содержание азота и кремния.

На пластичность металла оказывает влияние и его микро­ структурах размер зерна, равноосность и равномерность зерен, наличие и отсутствие в стали перлита, цементита и т.д. Для де­ формации наиболее благоприятна ферритная структура либо структура из феррита и зернистого перлита, которые обеспечи­ вают стали высокую пластичность. Металлы с очень мелким и крупным зерном обладают низкой пластичностью на опера­ ции вытяжки.

Значительное влияние на пластичность металлов и сплавов оказывает механическая схема деформации. Она представляет собой совокупность схем главных напряжений и главных дефор­ маций. Под действием внешних сил в деформируемой заготовке возникают внутренние силы, противодействующие внешним си­ лам и уравновешивающие их. Внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения заготовки, называется напряжением с. Напряжение — величина векторная и опреде­ ляет она не только значения внутренних сил, но и их направление.

Если выделить в деформируемой заготовке элемент в виде куба со стороной, равной единице, то на его грани в общем случае будут действовать напряжения а,, а 2, о3, которые и определяют напря­ женное состояние металла в выбранной точке заготовки. Следует иметь в виду, что напряжения могут быть сжимающими и растя­ гивающими, направленными внутрь и наружу.

Для определения нацряженного состояния точки достаточно знать напряжения, действующие на трех взаимно-перпендику­ лярных площадках, проходящих через рассматриваемую точку — главные напряжения. При этом возможны следующие вариан­ ты действия напряжений.

Если на материальную точку действует одно напряжение а, (см. рис. 16.5, а), то в этом случае напряженное состояние назы­ вают одноосным, или линейным; при одновременном действии двух напряжений аг и а2 (рис. 16.5, б) — двухосным, или пло­ ским, при действии трех напряжений а г, о2 и ст3 (рис. 16.5, в) — трехосным, или объемным.

Из теории пластичности следует, что при определенных усло­ виях в соответствии со схемами главных напряжений возникнут и главные деформации — деформации в направлении главных осей. Всего схем главных деформаций может быть три. Схема с одной положительной (растяжение) и двумя отрицательными (сжатие) деформациями соответствует процессу волочения (рис. 16.6, а); схема с двумя положительными деформациями и одной отрицательной — свободной осадки (рис. 16.6, б). Обе эти схемы объемные. Существует плоская схема главных деформа­ ций, когда одна деформация равна нулю, а остальные равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку — прокат­ ка Широких листов (рис. 16.6, в).

При одноосном (линейном) сжатии или растяжении состоя­ ние текучести (начало пластической деформации) наступает, ко-