Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Е.А. Ефремова, А.С. Пасхалов, И.А. Церна
ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2023
2
УДК 621.7.01
Е92
Рецензент
кандидат технических наук, доцент В.Н. Кротов
(Ростовский государственный университет путей сообщения)
Ефремова, Елена Александровна.
Е92 Теория обработки металлов давлением : учебное пособие /
Е.А. Ефремова, А.С. Пасхалов, И.А. Церна ; Донской государственный технический университет. – Ростов-на-Дону : ДГТУ,
2023. – 91 с.
ISBN 978-5-7890-2111-8
Рассматриваются физические основы пластического формоизменения
в теории обработки металлов давлением, представлены современные
концепции наук о пластическом формоизменении твердых тел. Раскрыты
физические предпосылки теоретического обоснования пластического
формоизменения.
Предназначено для обучающихся направлений подготовки 15.03.01
Машиностроение, 15.03.05 Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств и
15.04.02 Технологические машины
и оборудование (по профилю «Технологии и машины обработки давлением»,
«Технологии и машины обработки цветных металлов»).
УДК 621.7.01
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Научный редактор
доктор технических наук, профессор А.В. Вовченко
ISBN 978-5-7890-2111-8
© Ефремова Е.А., Пасхалов А.С.,
Церна И.А., 2023
© Донской государственный
технический университет, 2023
3
Введение
При изучении процессов, возникающих в твердых телах при их
пластической обработке, можно выделить два направления – механикоматематическое и физико-химическое.
Механико-математическое направление можно отнести к разделу
науки «Механика сплошных сред».
Физикохимия процесса, одним из разделов физики твердого тела,
рассматривает связь пластической деформации с химическим составом
и фазовым (физическим) состоянием металла при пластическом формоизменении материалов.
Физика твердого тела:
– изучает экспериментально и теоретически механизм пластического формоизменения металла на уровне его кристаллического строения;
– устанавливает влияние различных факторов, таких, как температура обработки материала, степень и скорость протекания процесса деформирования, вид и схема напряжено-деформированного состояния,
схема деформации заготовки, термомеханические параметры процесса,
на процесс пластического формоизменения;
– устанавливает условия, при которых металл переходит из упругого состояния в пластическое.
Моделирование процессов пластического формоизменения позволяет провести анализ того, как устроен исследуемый объект, каковы
основные его свойства, законы развития процесса, и определить оптимальные способы управления процессом при заданных целях и критериях его исполнения.
При действии внешних сил материал конструкции может находиться в различных механических состояниях. При невысоких уровнях
напряжений материал пребывает в упругом состоянии. При значительных напряжениях в материале обнаруживаются заметные остаточные
деформации, он переходит в пластическое состояние. Затем, при дальнейшем увеличении внешних сил, происходит образование местных
трещин, и наступает его разрушение.
4
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКИ
ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ
1.1. Физические основы пластического формоизменения
Любая модель физического тела может быть представлена в виде
большого количества движущихся и взаимодействующих между собой
частиц – атомов и молекул. Эти частицы обладают некоторым количеством потенциальной энергии, определяемой силами их взаимодействия, и кинетической энергии, которая передается от частицы к частице в момент столкновения.
При упорядоченном взаимном расположении физическое тело в
твердом состоянии состоит из плотноупакованных частиц (атомов).
Расстояния между частицами соизмеримы с их размерами. При этом
атомы совершают небольшие колебательные движения относительно
положения равновесия. Это возможно, когда потенциальная энергия
атома больше его кинетической энергии.
В зависимости от степени упорядоченности взаимного расположения атомов различают аморфные твердые и кристаллические тела.
Кристаллическое строение твердого тела характеризуется идентичностью взаимного расположения атомов на расстояниях, значительно превышающих межатомные, так называемый дальний порядок.
Он характеризуется трехмерной повторяемостью одного и того же элемента строения на значительное расстояние.
Аморфное строение твердого тела характеризуется отсутствием
упорядоченного взаимного расположения атомов с дальним порядком.
При приложении к твердому телу внешних сил происходит обратимое или необратимое изменение формы и размеров, т. е. деформация.
Любая деформация (упругая и пластическая) может осуществляться в
твердых телах путем относительного смещения атомов.
При упругой деформации величина смещения атомов из положения равновесия значительно меньше расстояния между соседними атомами. Она сопровождается обратимым изменением объема вследствие
изменения межатомных расстояний.
В нагруженном твердом теле с ростом величины упругой деформации потенциальная энергия частиц твердого тела возрастает. При достижении определенного предела потенциальной энергии атомы полу-
5
чают возможность смещаться на расстояние большее, чем межатомные
расстояния. В этом случае после снятия внешних сил атомы не возвращаются в свои исходные положения равновесия, а занимают новые положения устойчивого равновесия. В результате этого происходит изменение формы, т. е. пластическая деформация.
Сумма смещения атомов в новые положения равновесия создает
пластическую деформацию, или остаточное изменение формы
и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.
Так как при снятии нагрузки атомы возвращаются в положение
устойчивого равновесия и стремятся установить исходные межатомные
расстояния, то пластическая деформация не может привести к заметному изменению объема деформируемого тела в результате пластической
деформации. Поэтому основным законом пластической деформации является условие постоянства объема (оно же условие несжимаемости
материала), которое записывается следующим образом:
ε
1
+ ε2 + ε3 = 0,
где ε1, ε2, ε3 – главные деформации.
В теле, находящемся под нагрузкой, атомы смещены из положения устойчивого равновесия на различные расстояния. Следовательно,
в условиях пластического деформирования общая деформация
(т. е. полная деформация) содержит как пластическую, так и упругую
составляющие. Упругая составляющая деформации исчезает после снятия деформирующих сил. Этот процесс называется законом наличия
упругой деформации при пластическом деформировании, который
можно записать так:
ε
Σ
= εp + εe ,
где εp – пластическая деформация; εe – упругая деформация.
1.2. Оценка величины формоизменения
Для оценки величины формоизменения используют понятие
деформации.
Деформация – смещение частей или материальных частиц тела,
при которых изменяются взаимные расстояния между ними, но не
нарушается непрерывность самого тела.
Деформации можно разделить на следующие виды: линейные,
угловые, поверхностные, объемные.
6
Линейные деформации характеризуют изменение линейного размера тела (удлинение рассматриваемого размера или, другими словами,
его растяжение; сужение рассматриваемого размера или, другими словами, сжатие). Обозначаются линейные деформации символом εi,
где индекс i обозначает ось координат, вдоль которой распространяется
рассматриваемая деформация.
Угловые деформации характеризуют полное изменение первоначального прямого угла между какими-либо координатными осями
(линейными элементами), проведенными в деформируемом теле. Обозначаются угловые деформации символом γij, где индексы i и j обозначают оси координат, совпадающие с рассматриваемым первоначальным
прямым углом.
Поверхностные деформации характеризуют изменение площади
какого-либо сечения или участка поверхности.
Объемные деформации характеризуют изменение объема.
Все виды деформации, по количественной оценке, делятся на
3 группы: абсолютные, относительные и логарифмические.
Абсолютная деформация выражает абсолютное изменение какоголибо параметра (линейного размера – ΔН, углового размера – Δγ, площади сечения – ΔF) или всего тела и является разницей между конечным и начальным значением.
Относительная деформация характеризует относительное изменение тех же величин. Другими словами, это ничто иное, как абсолютное изменение какого-либо параметра, отнесенное к первоначальному
значению этого параметра. Например, для относительной деформации
линейного размера можно записать такое уравнение:
ε = ΔН/Н0,
где ΔН – изменение линейного размера, Н0 – начальная величина
линейного размера.
Логарифмическая деформация представляет собой натуральный
логарифм отношения измененного в результате деформирования размера к первоначальному размеру элемента тела или всего тела до начала деформирования. Например, для логарифмической деформации линейного размера можно записать такое уравнение:
δ = ln(ΔН/Н0).
7
Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении действия внешних сил и твердое тело полностью восстанавливает свою исходную форму и размеры, то такую деформацию называют упругой. Если при прекращении действия внешних сил твердое
тело не полностью восстанавливает форму и размеры, то такую деформацию называют пластической, или остаточной.
2. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
2.1. Структурные составляющие металлов
Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение и характеризуются в целом закономерным и периодичным расположением атомов в пространстве, при котором каждый атом находится в идентичном
окружении соседних.
Рентгенограммы кристаллов показывают, что атомы в них расположены по прямым линиям и по плоскостям, и позволяют не только
выявить взаимное расположение атомов в пространстве, но и определить расстояния между ними.
Вследствие закономерного расположения атомов по плоскостям
и по прямым линиям строение кристалла можно представить в виде
трехмерной сетки из прямых линий, в точках пересечения (узлах) которых размещены атомы (точнее, узлы являются центрами, относительно которых происходят тепловые
колебания атомов, положения же узлов соответствуют положениям атомов при минимуме потенциальной
энергии). Такую сетку (рис. 2.1) можно считать состоящей из многогранников (параллелепипедов, призм и т. п.)
одинаковой величины с соприкасающимися гранями. Любой многогранник
этой сетки, например, параллелепипед
АБВГДЕЖЗ (если сетка состоит из па-
раллелепипедов), можно получить путем переноса его в любом из трех
Рис. 2.1. Схема простой
кубической решетки
8
направлений (а, b, с) на определенное расстояние, и он может быть
полностью совмещен с любым другим параллелепипедом данной сетки.
Наименьший многогранник, который можно построить путем непрерывных переносов его в основных кристаллографических направлениях, называют элементарной ячейкой кристаллической решетки.
Совокупность соприкасающихся гранями элементарных ячеек,
расположенных в трехмерном пространстве, называется простран-
ственной решеткой.
Длины отрезков (АБ, АД, АГ), определяющие минимальную величину смещения элементарной ячейки, необходимого для полного совмещения атомов данной ячейки с атомами соседней ячейки, называют
параметрами решетки, или периодами повторяемости.
Взаимное расположение атомов в ячейке полностью определяет
расположение атомов в данной пространственной решетке.
Различают простые пространственные решетки кристаллов, в которых атомы размещаются только в узлах решётки (только в вершинах
основной элементарной ячейки), и сложные пространственные решетки, у которых внутри основных элементарных ячеек в одних и тех же
местах также размещены атомы.
Для описания строения кристаллов или же пространственной решетки кристаллов обычно выбирают систему координат, осями которой
служат три прямые, проведенные из одной точки (узла решетки), совпадающие с основными узловыми прямыми кристаллов (например,
прямые, совпадающие по направлению с векторами , на рис. 2.1),
причем кристаллографическую систему осей выбирают в соответствии
с симметрией кристалла. В системе кристаллографических осей форма
элементарной ячейки пространственной решетки может быть описана с
помощью трех координатных углов α, β, γ между кристаллографическими осями и трех параметров решетки а, b, с.
Для элементарной ячейки кубических решеток – объемноцентрированной ОЦК (рис. 2.2) и гранецентрированной ГЦК (рис. 2.3) –
характерно равенство углов α = β = γ = 90° и равенство параметров решетки a = b = с. Для гексагональной плотноупакованной решетки ГПУ
(рис. 2.4) характерны значения углов α = β = 90° и γ = 120° и равенство
только двух параметров решетки a = b
Ниже приведенные три типа решеток, свойственные большинству
металлов.
9
Рис. 2.2. Кубическая объемноцентрированная (ОЦК) решетка
Элементарная ячейка в ОЦК (см. рис. 2.2) – куб со сторонами a = b = с
и углами α = β = γ = 90°, в центре которого расположен атом. Эта решетка характерна для α- и β-железа, α-хрома, ванадия, вольфрама,
калия, лития, молибдена, натрия и их сплавов.
Рис. 2.3. Кубическая гранецентрированная (ГЦК) решетка
Элементарная ячейка в ГЦК (см. рис. 2.3) – куб со сторонами a = b = с
и углами α = β = γ = 90°, в центре каждой грани которого расположено по
атому. Это решетка соответствует γ-железу, цветным и благородным металлам:
алюминию, золоту, меди, никелю, платине, серебру, свинцу и их сплавам.
Рис. 2.4. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка
10
Элементарная ячейка в ГПУ (см. рис. 2.4) – прямоугольная шестигранная призма со сторонами a = b и углами α = β = 90°, γ = 120°,
внутри которой расположено три атома, а в геометрических центрах
плоскостей базиса – по одному атому. Это решетка бериллия, кадмия,
кобальта, магния, титана, цинка и т. д.
2.2. Определение элементов сдвига в кристаллических решетках
Расстояния между соседними атомами зависят от выбранного
направления. Тела, для всего объема которых характерно постоянство
направления определенных кристаллографических плоскостей в пространстве (вне зависимости от внешней формы этого тела), называют
монокристаллами.
В настоящее время есть способы искусственно получать монокристаллы некоторых металлов настолько больших размеров, что из них
можно изготовлять образцы для механических испытаний. Это в: значительной степени облегчает изучение процесса пластической деформации.
Пластическая деформация металлических кристаллов осуществляется по определенным плоскостям и направлениям преимущественно за
счет сдвига и иногда двойникованием.
Сдвиг происходит по плоскостям скольжения, характерным для данного типа кристаллической решетки. Эти плоскости отвечают наименьшему сопротивлению смещения и содержат наибольшее число атомов.
Объемноцентрированный куб (ОЦК) содержит наибольшее число
атомов (пять), имеет плоскости, проведенные через диагонали куба.
Таких плоскостей в ОЦК – шесть. В каждой
плоскости имеется направление с наибольшим
количеством атомов (в плоскости таких
направлений – два, расположенных по диагонали, содержащей 3 атома). Количество элементов сдвига определяется произведением
плоскостей и направлений (рис. 2.5).
Следовательно, количество элементов
сдвига для ОЦК определяется по формуле:
6 · 2 = 12.
Гранецентрированный куб (ГЦК) содержит наибольшее количество
атомов (шесть) в плоскости, проходящей через середину граней.
Рис. 2.5. Количество
элементов сдвига
в решетке ОЦК
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]