Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
31
Рис. 4.3. Схема к определению локальной деформации в кристаллитах
В результате деформации кристаллита Кn плоскость скольжения
S
n+1
в кристаллите К
n+1
после сдвига увеличит размер кристаллита К
n+1
в направлении оси Z, а в кристаллите К
n-1
размер зерна в том же
направлении уменьшится. Проведенные микроструктурные исследования показали, что по сечению образца деформации в направлении оси Z (εZ)
в отдельных зернах изменяются в пределах от –8 до +24 % (рис. 4.4),
а средняя деформация всего образца (εср) равна 7,3 %.
Рис. 4.4. Частоты изменений локальных деформаций в зернах поликристалла
Таким образом:
– различие величин деформаций в направлении оси Z по сечению
образца (εZi) можно объяснить перераспределением напряжений в кри-
32
сталлитах за счет взаимосвязи внутрикристаллитной и межкристаллитной деформации, а значение средней деформации всего образца (εср)
обусловлено совместной деформацией всех кристаллитов как системы;
– напряжение сдвига, приводящее к пластической деформации (τкр),
в поликристалле выше, чем в монокристалле из-за различия в ориентациях плоскостей сдвига в зернах, поэтому деформация поликристалла
по всему объему неравномерна.
4.3. Изменение структуры металла
при холодной пластической деформации
Рассмотрим поликристаллическое тело А0 (рис. 4.5), в котором вокруг зерна К0 выделим элемент М0.
а) б)
Рис. 4.5. Изменение структуры металла
при пластической деформации кристаллита К0 в поликристаллическом теле А0:
а – исходное состояние; б – деформированное состояние
после деформации сдвигом
Проведем равномерную деформацию рассматриваемого поликристаллического тела с относительным удлинением в направлении оси Z,
где деформация определится соотношением следующего вида:
ε
z
=
,
где H0 – начальная длина поликристаллического тела в направлении оси Z;
ΔH – изменение длины поликристаллического тела в направле-
нии оси Z.
33
При равномерной деформации (в идеальном случае) локальная
деформация в отдельном кристаллите (К0) будет равна εz = εср, т. е. деформации всего тела. Это возможно при равноосности всех кристаллитов до деформации, так как при этом во всех кристаллитах поликристаллического тела плоскости скольжения будут составлять угол φ0 = 45°
к направлению приложения нагрузки.
После деформации сдвигом кристаллит К0 вытягивается до величины Кд, оставаясь внутри выделенного формованного элемента Мд,
а угол наклона плоскости скольжения по отношению к действующей
нагрузке φ0 изменится до значения φд.
Следовательно, в начале процессе пластической деформации кристаллиты приобретают удлиненную форму, вытягиваясь вдоль направления главной деформации, а плоскости скольжения, поворачиваясь в
пространстве, получают преимущественную ориентировку в этом же
направлении главных деформаций. Такие процессы происходят при холодной пластической деформации, т. е. при данной деформации тело
может приобретать волокнистую и текстурированную структуру,
которая зависит от величины степени деформации.
Структура, которая характеризуется кристаллитами неравноосной
формы, вытянутыми вдоль направления главных деформаций, называется волокнистой. Особенно ярко такая структура поликристаллического тела проявляется, например, при его холодной пластической
деформации прокаткой.
Волокнистость интенсивно появляется при средних деформациях в
пределах от 30 до 50 %. Она приводит к анизотропии свойств материала,
т. е. к увеличению прочности и пластичности металла в направлении
главных деформаций и уменьшению в поперечном направлении.
Структура, которая характеризуется преимущественной ориентировкой кристаллографических осей, называется текстурированной
структурой, или текстурой. Текстура интенсивно появляется при
степени средней деформации 50–90 %. При таких степенях деформации
плоскости скольжения сильно поворачиваются (φд → 0), а кристаллографические оси получают преимущественную ориентировку в направлении главных деформаций. Это может приводить к различным видам
брака при штамповке с большими степенями деформации. Например,
при вытяжке высоких цилиндрических стаканов по торцу изделия
34
могут образовываться так называемые «фестоны», т. е. неравномерности на его кромке. Из-за этого значительная часть кромки обрезается и
удаляется в отход.
Таким образом, холодная пластическая деформация приводит к
существенному изменению структуры поликристаллического тела следующего вида:
– при малых и умеренных степенях деформации (30–50 %) исходная
структура с равноосными кристаллитами преобразуется в волокнистую;
– при больших степенях деформации (50–90 %) – в текстурированную структуру.
Устранить волокнистую и текстурированную структуру можно
термической обработкой.
Для исследования конечной пластической деформации по изменяющейся структуре металла используется экспериментальноаналитический микроструктурный метод.
Сущность этого метода заключается в определении деформированного состояния в зоне малого участка свободной поверхности или физического реза металлического тела, претерпевшего конечное пластическое формоизменение.
В районе этого участка изготавливается и обрабатывается микрошлиф. Производятся измерения размеров зерен до и после деформации.
Микроструктурные измерения устанавливают взаимные смещения отдельных характерных точек микрошлифа. Например, расположенных
на границах зерен.
Последующая математическая обработка результатов микроструктурных исследований позволяет определить:
– направления главных осей деформированного состояния частицы;
– величины отдельных компонентов деформации и напряжения;
– вид и интенсивность составляющих напряжений и деформации.
Преимущество метода микроструктурных исследований заключается в возможности определения деформированного состояния на малой площади исследуемого тела (она обычно не превышает нескольких
квадратных миллиметров). Это позволяет:
– оценить неравномерность деформации по всему объему;
– исследовать локальные деформации;
– определить возникновение деформации в зонах концентрации σ, τ;
35
– проанализировать влияние структуры и свойств зерен на текучесть и разрушение;
– изучить влияние незначительных пластических деформаций
на прочность изделий.
Недостатком микроструктурного метода является его трудоемкость
из-за очень большого количества проводимых измерений и расчетных
обработок.
4.4. Механизм деформационного упрочнения
поликристаллического тела
В процессе деформации металла, кроме появления волокнистой и
текстурированной структуры, происходит дробление кристаллитов на
блоки. Границы этих блоков являются барьерами для движения дислокаций. Кроме этого, для перемещения дислокаций барьерами ещё являются и дислокационные сетки, и линии двойникования, и поверхности кристалла (окисленные или искаженные), где свободное движение
дислокаций может происходить на небольших участках.
Рассмотрим процесс возникновения деформационного упрочнения
поликристалла и образование блоков ячеистой структуры (см. рис. 4.3).
Допустим, что в зерне Кm, в плоскости скольжения S1, действует источник дислокаций R1 (генератор дислокаций, направляющихся к границе
кристаллита). Так как граница кристаллита является барьером, то дислокации останавливаются и скапливаются около нее, образуя силовое
поле напряжений, направленное против движения дислокаций. Плотность дислокаций в зерне Кm увеличивается, образуя ступеньку на его
границе (см. рис. 4.1, в), вызывающую дислокации в соседних зернах
(К
m-1
, К
m+1
) и деформацию зерна Кm. Поворот кристаллита Кm вызывает
появление в нем новых плоскостей скольжения (S2), в которых напряжение стремится к значению касательного напряжения τкр. Это создает
условия для возникновения новых источников дислокаций, таких,
как R2, что лавинообразно развивает процесс распространения деформации на макрорасстояния.
Движение дислокаций по системам взаимно пересекающихся плос-
костей S1 и S2 вызывает образование ячеистой дислокационной
структуры. Она начинается у границ зерен там, где наибольшая плотность дислокаций. Начало образования такой структуры может проис-
36
ходить уже при значениях средних деформаций около 5 %. При этом
образуются объемные сетки, у которых участки, свободные от дислокаций, имеют размер примерно 3 мкм.
Образование ячеистой структуры приводит к значительному сокращению длины свободного пробега дислокаций и увеличению интенсивности силовых полей, направленных против движения дислокаций,
что затрудняет их дальнейшее свободное премещение. Это вызывает
возрастание сопротивления деформации.
Сопротивление деформации – это величина удельного усилия,
вызывающая пластическую деформацию при данных условиях нагружения и температурно-скоростных условиях.
Следовательно, по мере деформирования как монокристалла, так и
поликристаллического тела, и повышения плотности дислокаций сопротивление их движению увеличивается и увеличивается предел текучести материала σS. Это явление называется упрочнением.
Величина предела текучести материала (σS) с учетом упрочнения зависит от плотности дислокаций (ρ) и её можно определить по формуле
σ
S
= σ
Т0
+ α · G · b ·
, (4.1)
где σТ0 – предел текучести материала после отжига; α – коэффициент
упрочнения конкретного металла; G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса; ρ – плотность дислокаций.
Плотность дислокаций связана с длиной их свободного пробега,
которая зависит от размера зерна или субзерна (ячейки). На основании
этого формулу (4.1) можно переписать в следующем виде (формула
Холла–Петча):
σ
S
= σ
Т0
+ C ·
(4.2)
где С – величина, постоянная для данного материала; d – размер зерна
или субзерна (ячейки).
В формуле (4.2) величины σТо и С являются постоянными для
каждого рассматриваемого материала, а величина С, кроме этого, ещё и
не зависит от его температуры. На основании этих допущений мы можем говорить, что упрочнение материала зависит только от размера
зерна (d).
В табл. 4.1 приведены значения изменения величины критического касательного напряжения (τкр), предела текучести отожжённого поликристаллического металла (σSо) и предела текучести поликристаллического металла после деформации (σSд).
37
Таблица 4.1
Изменение критического касательного напряжения и предела текучести
при пластической деформации некоторых поликристаллических тел
Металл
τ
кр
, МПа
σ
То
= σSо, МПа
σ
Sд
, МПа
Алюминий
0,6–1,0
15–300
100–500
Цинк
0,3–0,9
10–100
100–300
Медь
0,4–1,0
75–300
150–1000
Железо
1,5–2,9
150–500
350–2500
Исходя из приведенных в табл. 4.1 данных и всего вышесказанного,
можно сделать следующие выводы:
– в исходном отожженном состоянии металлы имеют малую плотность дислокаций, большой размер зерна и малый предел текучести (σТ);
– в результате пластической деформации плотность дислокаций
увеличивается, зерна дробятся на блоки, предел текучести возрастает
(см. формулы (4.1) и (4.2)), так происходит упрочнение металла путем
его холодной пластической деформации.
4.5. Тепловой эффект деформации
Работу формоизменения материала (Аф) можно определить из энергетического условия пластичности:
А
ф
2
,
где ν – коэффициент Пуассона; Е – модуль упругости первого рода
(модуль Юнга); σТ – предел текучести материала.
Данное уравнение равносильно утверждению о том, что количество удельной потенциальной энергии упругой деформации формы
элемента металлического тела, при его пластической деформации, является, для данных условий деформирования (степени, скорости, температуры), величиной постоянной, независимой от схемы напряжённого состояния.
Работа пластической деформации (Апл) определяется перемножением компонент девиаторов напряжений и деформаций, которые характеризуют тело, находящееся в пластическом состоянии:
Апл = 0,5 · Dσ · D
ε
,
где Dσ и Dε – соответственно, девиаторы напряжений и деформаций.
38
Работа пластической деформации изменяет внутреннюю энергию
кристалла. Это происходит потому, что деформация приводит к увеличению плотности дислокаций и образованию различных дефектов кристаллической решетки. В результате этого внутренняя энергия кристалла возрастает. Работа пластической деформации (Апл) затрачивается на
энергию искажения решетки и тепловую энергию. В энергию искажения решетки переходит незначительная часть работы, остальное переходит в тепло.
Если внешние воздействия сняты (например, металл вышел из очага деформации), то сложная структура, сформированная во время пластической деформации, превращается в более простую. При этом в пространство выделяется избыточная энергия в виде теплоты. Частичный
самораспад структуры деформированного металла может происходить
в холодном состоянии за счет перемещения дислокаций под действием
напряжений, создаваемых их мощными образованиями – скоплениями
и стенками дислокаций. Наибольшая активность деструкции (самораспад структуры) наблюдается при повышении температуры и активации
диффузионного эффекта.
Работа пластической деформации, переходящая в тепло (АТ), определяется через работу пластической деформации по формуле
А
Т
= η
Т
· А
пл
,
где ηТ – коэффициент выхода тепла.
Для чистых металлов коэффициент выхода тепла ηТ = 0,85–0,90.
Для сплавов коэффициент выхода тепла ηТ = 0,75–0,85.
Так как большая часть работы пластической деформации
(около двух третей её) переходит в тепловую энергию, то температура
тела в очаге деформации повышается.
4.6. Влияние температуры, скорости и степени деформации
на сопротивление деформации
Истинное сопротивление деформации (σs) обусловлено влиянием
физико-химических свойств материала, температуры деформации,
скорости и степени деформации, а также характером изменения деформации во времени.
39
Влияние температуры с учетом физико-химических свойств метал-
ла на сопротивление деформации (σS) устанавливается на основании
температурного закона Курнакова:
σ
S
= σпл · exp[m(Tпл – T)], (4.3)
где σпл – сопротивление деформации, экстраполированное до его значе-
ния при температуре плавления; Тпл – температура плавления;
m – константа, зависящая от физико-химических свойств материала.
На значения параметров σпл и m из формулы (4.3) оказывают влия-
ние состав сплава, степень и скорость деформации (рис. 4.6).
Анализ графика зависимости сопротивления материала пластической деформации (σS) от температуры, скорости и степени деформаций
(см. рис. 4.6) позволяет говорить о том, что с увеличением температуры
сопротивление деформации (σS) падает, а с увеличением скорости де-
формации () и степени деформации (ε) сопротивление деформации (σ
S
)
возрастает.
Рис. 4.6. Зависимость сопротивления материала
пластической деформации (σS) от температуры,
скорости деформаций ( сплошная линия)
и степени деформаций (ε – пунктирная линия):
1 – = 0,05 с-1, ε = 10 %; 2 – = 7,5 с
-1
, ε = 20 %;
3– = 150 с
-1
, ε = 30 %
Зависимость сопротивления материала пластической деформации
(σ
s
) только от скорости деформации
можно определять по соотно-
шениями:
0
ln
CA
S
; (4.4)
n
S
CВ
0
ln
, (4.5)
где – А, В, С,
0
, n – параметры, обусловленные физико-химическими
свойствами металла и температуры.
40
Формула (4.4) описывает зависимость σS от
0
при холодной и не-
полной холодной деформации. Формула (4.5) описывает зависимость σS
от
0
при горячей деформации.
Более точное решение дает обобщающая формула, определяющая
зависимость σ
S
от температуры (t, °C) и скорости деформации (). Она
имеет вид:
σ
S
= σ
δ
· exp[m(Т
пл
– Т)] ·
n
· kε, (4.6)
где σδ – константа, т. е. базисное значение, характеризующее сопротив-
ление деформации при температуре, равной температуре плавления; kε – коэффициент, учитывающий влияние степени и ско-
рости деформации (при = 10
-1
, kε = 1).
Сопротивление деформации, рассчитанное по формуле (4.6), справедливо при температуре пластической деформации, большей 65 % от
температуры плавления материала, и степени деформации, которая
находится в пределах от 10 до 70 % (Т > 0,65Тпл и 0,1 < ε < 0,7).
При других температурно-скоростных условиях возникают фазовые
превращения или структурные изменения.
В общем виде все рассмотренные формулы можно записать следующим образом:
σ
S
= σδ · kt · k
ε
·
, (4.7)
где kt, k
ε
,
– коэффициенты, учитывающие влияние температуры, ско-
рости и степени деформации.
Формула (4.7) является модификацией формулы (4.6), но отличается эмпирическими значениями коэффициентов.
Определение значения сопротивления материала пластической деформации (σS) по формуле (4.7) и графикам позволяет создать предпосылки для оптимизации температурно-скоростных условий обработки
различных материалов.
Коэффициенты, входящие в последнюю формулу, получены экспериментально для различных сталей, медных и алюминиевых сплавов.
Они приведены в справочнике «Механические свойства металлов
и сплавов при обработке давлением».
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]