Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
41
4.7. Влияние деформационного упрочнения
на характер деформации
Упрочнение оказывает влияние на силовой режим деформирования
и характер деформации. Для анализа процесса рассмотрим растяжение
двух гладких стандартных образцов из различных материалов (рис. 4.7).
Один образец не упрочняющийся, второй – упрочняющийся.
а) б) в) г)
Рис. 4.7. Этапы растяжения стандартных образцов из различных материалов:
а – исходный образец; б – растяжение стандартного образца
при отсутствии упрочнения; в – квазиравномерная деформация упрочняющегося
образца путем последовательного образования многочисленных шеек;
г – образование шейки в наиболее слабом сечении и разрушение
Рассмотрим деформацию неупрочняющегося образца (см. рис. 4.7, а).
Примем, что площадь поперечного сечения образца (F) изменяется
по длине образца произвольно и всегда находится в следующих пределах:
F = F0 ± ΔF,
где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца; ΔF – изме-
нение площади поперечного сечения по дине образца.
42
Изменение этой площади зависит от дефектов в структуре матери-
ала и неточности изготовления самого образца.
Сопротивление деформации в направлении оси Z (σSz) у рассматри-
ваемого образца изменяется по длине в пределах
. Предел из-
менения сопротивления деформации (σS) зависит от различия в структуре и ориентации групп кристаллитов.
В образце всегда найдется слабое сечение, где σ
Sz
и FZ принимают
минимальное значение одновременно. В этом месте начнется деформация (начало образования «шейки»), так как несущая способность поперечного сечения образца в этом сечении (т. е. произведение площади
поперечного сечения на сопротивление деформации в этом сечении:
FZ · σSz) будет наименьшая.
Площадь поперечного сечения образца в месте образования шейки
(Fш) можно определить по формуле
Fш = Fzш – ΔFш,
где FZш – площадь поперечного сечения образца; ΔFш – величина изме-
нения площади.
Если материал не упрочняется в процессе деформации, то несущая
способность образца определяется по формуле
Р = Fш · σ
S(Zш)
.
Несущая способность образца уменьшится после критического
удлинения образца на величину Δlш, и он разрушится с незначительным
изменением длины.
Рассмотрим деформацию упрочняющегося образца (см. рис. 4.7, б).
У образцов из таких материалов в слабом сечении d1 уменьшение площади поперечного сечения (FZ) будет сопровождаться интенсивной
пластической деформацией области, примыкающей к нему. В результате в сечении d1 возникнет деформационное упрочнение, что увеличит
здесь сопротивление деформации σ
S(Z1)
, следовательно, несущая спо-
собность (Р = F
Z1 · σS(Z1)
) в рассматриваемом сечении увеличится. Тогда
деформация начнется и в других рядом находящихся сечениях.
Таких слабых сечений в упрочняющихся образцах может быть несколь-
ко (например, d2, d3…). В них деформация локализуется (см. рис. 4.7, б),
приводя к упрочнению в этих сечениях. Сопротивление деформации
(σS) в них будет увеличиваться быстрее, чем уменьшаться площадь по-
перечного сечения в этом месте (FZ). Это приведет к увеличению длины образца в каждом сечении. Деформация, последовательно переходя
от одного сечения к другому, будет происходить до тех пор, пока
43
останется одно неупрочненное сечение, в области которого начнет образовываться шейка, приводящая к разрушению образца.
Так как очаг деформации переходит от одного сечения к другому
(d1, d2, d3, см. рис. 4.7, б), то деформация будет казаться равномерной
(квазиравномерной), а суммарная длина образца определится соотно-
шением следующего вида:
l = Δl1 + Δl2 + Δl3.
Процесс растяжения такого образца будет описываться математи-
ческой моделью вида:
Pр = F0·σS0·(1 – ψ)·AF0(1 – ψ)·ψn, (4.8)
где Рр – усилие растяжения; σS0, А, n – константы металлов, определяе-
мые по диаграмме; ψ – относительное поперечное сужение
образца.
В формуле (4.8) выражение «F
0·σS0
·(1 – ψ)» определяет закон
уменьшения несущей способности образца при изменении площади,
а выражение «AF0(1 – ψ)·ψn» описывает закон увеличения несущей способности образца при упрочнении. Поведение самой функции зависит
от постоянных σS0, А, n.
Если усилие растяжения (Рр) возрастает, то слабое сечение интен-
сивно упрочняется, его несущая способность увеличивается, растяжение идет в условиях квазиравномерной деформации.
Если усилие растяжения уменьшается, то процесс становится
неустойчивым, т. е. упрочнение не может компенсировать снижение
несущей способности при образовании шейки, в которой деформация
локализуется и приводит к разрушению.
Например, если у стали 20, σ
S0
= 375 МПа; n = 0,57; А = 568 МПа,
то при ψ < 0,20 функция (4.8) будет возрастающей. Она достигнет максимального значения при ψ = 0,20, а затем начнет убывать.
Если усилие растяжения (Рр) возрастает при ψ < 0,20, то слабое се-
чение упрочняется, несущая способность увеличивается, растяжение
идет в условиях квазиравномерной деформации. Если усилие растяжения (Рр) уменьшается при значениях деформации ψ = 0,20 и более,
то деформация локализуется в шейке и продолжается доразрушение,
так как упрочнение может компенсировать снижение величин сопротивления деформации и площади поперечного сечения (σSz; FZ),
обусловленного образованием шейки.
Следовательно, упрочнение меняет характер деформации, делая ее
более равномерной. Это можно использовать при проектировании тех-
44
нологических процессов для их интенсификации и улучшения. Например,
при вытяжке цилиндрического стакана интенсивное упрочнение приводит к уменьшению брака, поэтому сложные детали с глубокой вытяжкой
штампуют из сильно упрочняющихся сталей и сплавов цветных металлов.
4.8. Влияние деформации на физические
и механические свойства металла
При холодной пластической деформации поликристалла изменяет-
ся структура металла, повышается плотность дислокаций, увеличивается количество трехмерных дефектов.
Это приводит к изменению физических свойств деформируемых
тел и их плотности, электрических и магнитных свойств, коррозионной
стойкости металла, механических свойств.
На плотность металла влияет среднее напряжение (
) и схема
напряженного состояния, сопровождающего деформацию (рис. 4.8).
Чем выше среднее напряжение, тем ниже плотность металла.
Но уменьшение плотности металла при его деформации обычно не превышает 0,1–0,2 % от его первоначального значения, поэтому такое изменение плотности материала можно не учитывать при расчетах.
Необходимо отметить, что при плоском деформированном состоянии
растяжения по схеме неравномерного растяжения (см. рис. 4.8, а) плотность материала будет снижаться гораздо интенсивнее и на большую величину, чем при схеме напряженного состояния «объёмное напряжённое
состояние всестороннего неравномерного сжатия» (рис. 4.8, б).
а) б)
Рис. 4.8. Схема к определению среднего напряжения:
а – плоское напряженное состояние неравномерного растяжения;
б – объёмное напряжённое состояние всестороннего неравномерного сжатия
При деформации возникает волокнистость или текстурированная
структура, которые влияют (согласно анизотропии металла) на величины
упругих характеристик металла: модуль Юнга (Е), модуль сдвига (G),
коэффициент Пуассона (υ).
45
Точечные дефекты, возникающие при взаимодействии дислокаций
при деформации, влияют на электрические и магнитные свойства.
Так, удельное электросопротивление (ΔρЭ) прямо пропорционально
зависит от степени деформации (ε) и определяется по формуле
Δρ
Э
= с·εа,
где c, a – величины, постоянные для каждого конкретного металла,
например, a может изменяться приблизительно в пределах
от 1,0 до 1,4.
После деформации электрическое сопротивление в среднем увели-
чивается на 2–5 %. Но у некоторых металлов электрическое сопротивление увеличивается на большую величину. Например, у никеля – на 8 %,
у молибдена – на 18 %, у вольфрама – на 40–50 %. У сложных сплавов
при деформации происходит межкристаллитная деформация и разрушение межзеренных прослоек, что снижает электрическое сопротивление.
При холодной пластической деформации с образованием текстурированной структуры магнитные свойства изменяются у следующих металлов: железа, никеля, кобальта и их сплавов. При такой деформации
может снижаться коррозионная стойкость у латуни и у алюминиевых
сплавов. Происходит «коррозионное растрескивание» в присутствии
кислот, щелочей и воды, содержащей следы сернистых газов или аммиака.
Такой дефект устраняется последующим отжигом.
Холодная пластическая деформация влияет на механические свойства металла, например, такие, как сопротивление деформации (σs).
От сопротивления деформации и степени деформации (ε)
зависит твердость металла. Эта зависимость приведена на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Графики зависимости твердости НВ
от степени деформации:
1 – сталь 30ХГСА; 2 – У10А; 3 – 08пс;
4 – сталь 45; 5 – латунь Л68;
6 – медь техническая;
7 – алюминиевый сплав АМг
46
С увеличением степени деформации сопротивление деформации
увеличивается. Холодная пластическая деформация влияет на ресурс пластичности, который зависит от схемы напряженно-деформированного
состояния и показателя напряженного состояния (П). Наиболее благоприятной для повышения пластичности является схема всестороннего
неравномерного сжатия.
4.9. Нагрев и разупрочнение деформированных металлов
Горячая пластическая деформация происходит при нагреве металла
до 70 % от температуры его плавления (t° = 0,7Тпл). При этом механизм
деформации усложняется явлениями возврата и рекристаллизации.
Горячая пластическая деформация сопровождается одновременно
упрочнением и разупрочнением, связанным с повышением кинетической энергии атомов при нагреве.
У чистых металлов до температуры, равной 20 % температуры
плавления (t° = 0,2Тпл), происходит холодная пластическая деформация.
При температуре выше 0,2Тпл в металлах происходят процессы возврата
и рекристаллизации.
Возврат – это процесс упорядочения кристаллической решетки
деформированных металлов при их нагреве и охлаждении, приводящий
к изменению субструктуры металлов. При возврате упорядочение кристаллической решетки происходит в пределах субзерен и не вызывает
структурных изменений. Размер и форма зерен не изменяются. Механические свойства деформированных металлов изменяются незначительно.
Скорость возврата прямо пропорционально зависит от температуры.
Возврат повышает сопротивление холодного металла коррозии,
резко уменьшает возможность самопроизвольного растрескивания
(например, у латуни). У некоторых металлов и сплавов (углеродистые
стали) возможно явление старения, которое приводит к увеличению
прочности и уменьшению пластичности.
Старение – это термическая обработка, при которой происходит
распад твердого расплава. Под возвратом понимают все процессы,
проходящие в металлах до рекристаллизации, которые разделяются
на отдых и полигонизацию. Нагрев деформированного металла до
температуры примерно 20 % от температуры его плавления (t° = 0,2Tпл)
и последующая за этим его выдержка при этой температуре и охлаждение приводят к отдыху.
47
При отдыхе происходит переползание дислокаций, которое при
взаимодействии разнознаковых дислокаций приводит к изменению
плотности металла. При отдыхе уменьшается количество точечных дефектов, концентрация избыточных вакансий приходит к равновесной.
В процессе отдыха происходят несущественные изменения, связанные с упорядочением решетки. Уменьшаются твердость и прочность
металла на 10–15 %. Заметно изменяются физические свойства
(электропроводность), которые напрямую зависят от концентрации точечных дефектов.
Нагрев металла до температуры в пределах 0,2T
пл
< t° < 0,3Tпл с вы-
держкой и охлаждением приводит к полигонизации. При нагреве до таких температур дислокации приобретают высокую подвижность
и образуют устойчивые конфигурации (стенки дислокаций) (рис. 4.10).
а) б)
Рис. 4.10. Схемы распределения дислокаций в изогнутом металле:
а – до полигонизации; б – после полигонизации
При полигонизации дислокации одного знака, движимые упругим
взаимодействием, образуют границы (стенки), перпендикулярные плоскости скольжения, которые не обладают дальнодействующими полями
напряжений.
Области кристалла, отделенные этими границами, образуют блоки
(полигоны), в результате чего возникают области кристалла, свободные
от дислокаций, отделенные дислокационными границами.
Рекристаллизация – это процесс образования новых равноосных
зерен с меньшим количеством дефектов строения вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла. Рекристаллизация начинается при температуре, равной 40 % от температуры
плавления металла (t° = 0,4Tпл). В процессе рекристаллизации облегчается диффузия атомов как внутри кристаллитов, так и по границам зерен.
48
Это способствует уменьшению химической неоднородности зерен и
снятию повреждений, возникающих по границам зерен в результате
межкристаллитной деформации. В результате рекристаллизации формируются новые зерна, возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых происходит новая кристаллизация в твердом состоянии.
Новые зерна имеют свою кристаллографическую ориентировку.
В результате в металлах остается мало деформированных зерен.
Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации. С увеличением степени деформации она уменьшается, стремясь
к определенному для данного материала пределу.
Рекристаллизация приводит к снижению наклепа (уменьшает
упрочнение), восстанавлению физических и механических свойств,
повышению пластичности, так как падает сопротивление деформации.
При рекристаллизации частично остается волокнистость металла,
вызванная растяжением межзеренного вещества предшествующей деформацией. С увеличением температуры скорость кристаллизации растет.
При достижении температуры начала рекристаллизации механические
свойства деформированного металла резко уменьшаются, прочность
падает, пластичность повышается (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Изменение механических свойств холоднодеформированного металла
в зависимости от температуры (Т
рек.
– температура начала рекристаллизации)
Если металл деформировался в холодном состоянии, то для осуществления рекристаллизации производят рекристаллизационный отжиг
(например, для железа при температуре, равной 450–650 °С).
49
Особенностью процесса рекристаллизации является то, что она
возможна лишь в деформированном металле и начинается при достижении определенной степени деформации ε
рек
:
– для чистых металлов – 1–5 %;
– для сплавов – 5–15 %;
– для стали – 4–10 %.
Величина зерна при рекристаллизации зависит от степени деформации ε и не зависит от знака напряжения.
Рекристаллизация бывает двух видов: первичная, а также вторичная, или собирательная.
Первичная рекристаллизация происходит в процессе горячего де-
формирования и рекристаллизации отжигом после холодного деформирования.
Собирательная рекристаллизация наступает после первичной,
когда выросшие центры рекристаллизации соединяются и происходит
укрупнение одних зерен за счет других.
Вторичная рекристаллизация происходит после первичной,
при последующем нагреве до более высоких температур. Она сопровождается ростом «вторичных» центров рекристаллизации.
Особенностью вторичной рекристаллизации является наличие
групп зерен резко различных размеров. Она приводит к образованию
текстуры более четкой, чем текстура деформации. Так как размер зерна
деформированного металла определяет качество готового изделия,
то для назначения технологического режима обработки с учетом получения определенного размера зерна используют диаграммы рекристаллизации (рис. 4.12).
Анализ диаграммы показывает, что:
– чем выше температура, тем больше размер зерна при одинаковых
степенях деформации;
– высокие температуры окончания пластической деформации приводят к крупнозернистой структуре;
– порог рекристаллизации уменьшается при повышении температуры деформации;
– при высоких температурах для начала рекристаллизации нужна
меньшая деформация, чем при низких.
50
Рис. 4.12. Диаграмма рекристаллизации:
ε
1
– порог рекристаллизации; ε1 – ε2 – интервал критических степеней ε;
заштрихованная область определяет критические степени деформации,
при которых получаются крупные зерна
В зависимости от природы металла, степени предшествующей деформации, температуры и продолжительности нагрева разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) могут приводить к значительным изменениям структуры, механических и физических свойств.
Эти процессы происходят в процессе нагрева и выдержки при заданной
температуре, а фиксируются после охлаждения разупрочненного
металла до комнатной температуры.
4.10. Классификация процессов деформирования
по температурно-скоростному признаку
Все процессы обработки металлов давлением по тепловому при-
знаку делятся на четыре вида пластической деформации: холодную
деформацию, неполную холодную деформацию, неполную горячую
деформация и горячую деформацию.
Холодная деформация – это деформация, которая не сопровожда-
ется разупрочнением. Она сопровождается увеличением сопротивления
деформации (σS) и изменением структуры металла. При этом холодная
деформация осуществляется при низких температурах и не приводит
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]