Технология конструкционных материалов

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

При внутрикристаллитной деформации пластическая деформа­ ция в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет сколь­ жения одних тонких атомных слоев кристаллита относительно дру­ гих (рис. 15.2, а), причем их относительное смещение составляет примерно 10...23 нм. Смещения совершаются по кристаллографиче­ ским плоскостям (а — а), наиболее плотно упакованным атомами и называемым плоскостями скольжения.

Рис. 15.2. Схема механизма пластической деформации: а — скольжением; 6 — двойникованием

Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь по тем плоскостям, которые наклонены по отношению к направлению дейст­ вия усилия сжатия Рна 45° (рис. 15.3, а), так как по этим направлениям действуют максимальные касательные напряжения ттах. На этом ри­ сунке показан образец, в котором деформация за счет скольжения бу­ дет происходить прежде всего в зернах 1—4, плоскости скольжения которых расположены под углом 45° к действию приложенной на­ грузки Р. В результате такой пластической деформации зерна вытяги­ ваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму (рис. 15.3, в). Такая структура называется строчеч­ ной, или полосчатой. При специальной обработке поверхности де­ формируемого металла полосы скольжения можно наблюдать визу­ ально 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 ударных нагрузок и характер­ но для металлов с ромбической и тетрагональной решеткой. Процесс двойникования (см. рис. 15.2, б) состоит в смещении группы атомов относительно плоскости а — а, называемой плоскостью двойникования, в результате которого часть кристаллита занимает положение, зеркаль­ но отражающее положение его недеформированной части.

Рис. 15.3. Поликристаллическое строение металла (а), межкристаллитная деформация (б) и вытянутая форма деформированных кристаллитов (в)

В процессе деформирования зерна поликристалла поворачивают­ ся и перемещаются относительно друг друга — происходит межкри­ сталлитная деформация (рис. 15.3, б). При этом все большее число зе­ рен ориентируется таким образом, что в них интенсивно развивается пластическая деформация за счет скольжения и происходит пласти­ ческая деформация всего объема тела.

Установлено, что на практике для одновременного сдвига одной части кристаллита относительно другой требуются напряжения, в сот­ ни раз меньшие теоретически рассчитанных. Это связано с тем, что в реальных металлах имеются дефекты кристаллической структуры. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последовательно, путем перемещения этих дефектов, для чего требуются значительно меньшие сдвиговые напря­ жения. Несовершенства в строении реальных кристаллитов, например отсутствие атомов или их избыток в решетке, называют дислокациями (см. раздел I). При пластической деформации в металле возникают до­ полнительные дислокации, происходит их пересечение и накопление на границах зерен, в результате чего образуются осколки кристаллитов.

292 Раздел IV. Обработка металлов давлением

Это затрудняет дальнейшую деформацию, вызывает повышение проч­ ности и твердости металла, снижение пластичности и изменение фи- зико-химических свойств. Совокупность изменений свойств металла в результате пластической деформации называется наклепом, или уп­ рочнением. Наклеп наблюдается в основном в процессе холодной пла­ стической деформации металлов и сплавов.

При больших ориентированных в определенном направлении де­ формациях металл приобретает строчечную структуру, так как кристал­ литы вытягиваются в направлении деформаций и образуется текстура. Это вызывает анизотропию (неравенство) механических свойств в раз­ личных направлениях. Одновременно металл приобретает волокни­ стое строение, в нем образуются тонкие полосы, представляющие со­ бой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неме­ таллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей.

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

В каждом металле при вполне определенной максимальной пла­ стической деформации возникают микротрещины и микропоры, которые развиваются, растут и приводят к его разрушению. Эта де­ формация характеризует пластичность металла и определяется пу­ тем проведения испытаний в различных условиях деформации.

При нагреве пластичность металла увеличивается, а сопротивле­ ние деформированию уменьшается. Это объясняется тем, что в про­ цессе пластической деформации наряду с упрочнением (наклепом) наблюдается разупрочнение, т. е. восстановление пластичности. В за­ висимости от соотношения скоростей этих двух процессов различают холодную, неполную горячую и горячую деформацию (рис. 15.4).

Холодная деформация сопровождается упрочнением металла в пол­ ном объеме, так как процессы разупрочнения (рекристаллизация, воз­ врат) не успевают протекать.

При неполной горячей деформации происходят частичное восста­ новление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Они наблюдаются при темпера­ туре Т = (0,25...0,3)7’пл , где Тт —температура плавления металла. При неполной горячей пластической деформации металл упрочняется в меньшей степени, чем при холодной, и приобретает строчечную и волокнистую структуру.

Тдеф*' 0,47ш ,= Tvрекр

в

Деформации, %

Наклеп

Рис. 15.4. Деформация металлов:

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

Горячая деформация характеризуется таким соотношением скоро­ стей деформирования и рекристаллизации, т. е. зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структу­ рой, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объ­ еме металла. Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру и упрочнение деформированного металла. Для чистых ме­ таллов она протекает при температуре 7’рек > 0,47ПЛ.

При горячей деформации волокнистое строение металла сохра­ няется, так как вытянутые деформацией неметаллические включе­ ния при рекристаллизации не изменяются. Механические свойства у горячедеформированного металла вдоль волокон выше, чем попе­ рек, поэтому обработку давлением следует вести таким образом, чтобы волокна микроструктуры располагались в направлениях наи­ больших нормальных напряжений, возникающих в изделии во вре­ мя его работы.

15.2. Факторы, влияющие на пластичность металла

Температура металла оказывает значительное влияние на его пласти­ ческие свойства. Так, у углеродистой стали при увеличении темпера­ туры от 0 до 100 °С происходит увеличение пластических свойств и уменьшение твердости и прочности. При повышении температуры

до 300 °С сопротивление деформированию несколько увеличивается, а пластичность уменьшается. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому увеличению пластичности металла, затем при 800 °С она незначительно падает, а при дальнейшем увеличении тем­ пературы снова увеличивается. Явления снижения пластичности при 300 °С называют синеломкостью, а при 800 °С — красноломкостью.

Синеломкость объясняют выпадением по плоскостям скольжения мельчайших карбидов, красноломкость — образованием в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью. Различные металлы и сплавы обрабатывают давлением во вполне оп­ ределенном интервале температур Т = Т В- Т Н, где Тви Т н — соответ­ ственно верхний и нижний температурные пределы ОМД.

Степень и скорость деформации оказывают на металл одновремен­ но упрочняющее и разупрочняющее действия. Так, с увеличением степени деформации, с одной стороны, увеличивается наклеп метал­ ла, а следовательно, ухудшается его пластичность, но, с другой сторо­ ны, увеличение степени деформации интенсифицирует процесс рек­ ристаллизации, 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 де­ формации увеличивается количество выделившейся при деформиро­ вании теплоты, которая не успевает рассеяться в окружающую среду, нагревает металл и тем самым улучшает его пластические свойства.

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

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

На пластичность металла оказывает влияние и егомикроструктура: размер зерна, равноосность и равномерность зерен, наличие и отсутст­ вие в стали перлита, цементита и т. д. Для деформации наиболее благо­ приятна ферритная структура либо структура из феррита и зернистого перлита, которые обеспечивают стали высокую пластичность. Метал­ лы с очень мелким и крупным зерном обладают низкой пластичностью на операции вытяжки.

венной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущихдеталей, но и производительность труда, надежность работы оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

15.3.1. Явления, происходящие в металле при нагреве, и режимы нагрева

При нагреве на поверхности заготовок образуется слой оксидов, назы­ ваемый окалиной, толщина которого зависит от температуры и време­ ни нагрева, состава печной атмосферы, химического состава сплава и расположения заготовок в печи. Наиболее интенсивно сплавы окис­ ляются при температуре 900... 1200 °С.

Нагрев углеродистых сталей приводит также к выгоранию углеро­ да поверхностного слоя на глубину до 2 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое обезуглероживанием, ведет к снижению проч­ ности и твердости стали. Особенно вредно обезуглероживание для за­ готовок небольших размеров, имеющих малые припуски на механи­ ческую обработку и подвергаемых последующей закалке.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания при­ меняют нагрев в защитной атмосфере или вакууме, скоростной на­ грев, защитные засыпки и обмазки, наносимые на заготовки перед нагревом.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие слож­ ные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пластичность, во из­ бежание трещин требуют медленного нагрева. Заготовки из таких ста­ лей и сплавов загружают в печь при невысокой температуре, выдер­ живают при этой температуре для равномерного прогрева заготовки по всему объему и затем повышают температуру печи. Крупные слит­ ки из легированных сталей при нагреве подвергают нескольким вы­ держкам при различных температурах.

Выбор режима нагрева перед обработкой давлением заключается

вопределении рационального температурного интервала (темпера­ тур начала и конца обработки) и времени нагрева. Нижняя граница температурного интервала обработки давлением стальных заготовок превышает 727 °С, а верхняя должна быть на 100... 150 °С ниже темпе­ ратуры начала плавления. При нагреве до более высоких температур

вметалле появляются два вида дефектов — перегрев и пережог. При перегреве размеры зерен увеличиваются, пластичность уменьшается

и ухудшаются механические свойства. Этот вид брака можно для неко­ торых сталей устранить дополнительной обработкой давлением и нор­ мализацией.

Пережог — окисление металла по границам зерен при нагреве до температур, близких к температуре плавления. В результате связь ме­ жду зернами нарушается и металл при обработке давлением разруша­ ется. Пережог является неисправимым браком.

Температурный интервал обработки зависит от марки обрабатывае­ мого сплава. Для сталей температуру начала и конца обработки давле­ нием можно определить по диаграмме Fe-C (рис. 15.8). Из диаграммы видно, что низкоуглеродистые стали имеют широкий (до 500 °С) тем­ пературный интервал обработки.

Время нагрева определяют исходя из двух противоречивых требо­ ваний. С одной стороны, с целью уменьшения образования окалины и повышения производительности необходимо сократить время на­ грева, увеличив его скорость, с другой (во избежание образования трещин) — уменьшить скорость нагрева и увеличить его продолжи­ тельность. Последнее особенно важно для заготовок большого сече­ ния из высоколегированных сплавов. Для заготовок из углеродистых сталей сечением до 100 мм2 допускается высокая скорость нагрева и их можно загружать холодными в печь, имеющую температуру 1300 °С.

Рис. 15.8. Диаграмма состояния Fe—С:

1 — пережог; 2 — перегрев; 3 —область горячей обработки давлением