Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
51
к изменению температуры заготовки. Температура холодной деформации у всех металлов различна. Например, для стали она составляет
20–25 °С, для свинца – 100–150 °С, а для вольфрама находится в диапазоне 450–800 °С.
Вследствие упрочнения металла и понижения его пластичности
при холодной пластической деформации при формоизменении с большими степенями деформации ограничивается возможность получения
изделия за один переход. Поэтому детали деформируют за несколько
переходов.
Неполная холодная деформация – это деформация, которая сопро-
вождается незначительным разупрочнением в форме возврата. Она осуществляется при температуре нагрева металла в диапазоне от 20 до 30 %
от температуры его плавления (0,20,3 Тпл).
Скорость деформации должна быть такой, чтобы она не приводила
к значительному повышению температуры и активизации деформационных процессов.
Неполная холодная деформация приводит к таким же изменениям
структуры металла, как и холодная пластическая деформация,
т. е. к появлению волокнистости и текстуры.
Неполная горячая деформация – это деформация, которая сопро-
вождается значительным разупрочнением в форме возврата и частично
рекристаллизации. Она осуществляется при нагреве металла в диапазоне
температур от 40 до 70 % от температуры его плавления (0,40,7Тпл).
При этом не происходит полного разупрочнения металла. Увеличение
скорости деформации при неполной горячей деформации влияет на
структуру металла и его механические свойства, так как при этом происходит ускорение разупрочнения. Неполная горячая деформация и неполная холодная деформация приводят к понижению сопротивления деформации (σs) и повышению пластичности материала.
Горячая деформация – это деформация, которая протекает с полным разупрочнением. Она осуществляется при температуре выше 70 %
от температуры его плавления (0,7Тпл). При горячей деформации происходит существенное изменение структуры металла с залечиванием
дефектов строения, дроблением дендридов, разрушением межкристаллитных прослоек. В результате горячей деформации получаются равноосные зерна с равновесного размера. После горячей деформации истин-
52
ное сопротивление деформации уменьшается на порядок. Вид деформации для различных материалов можно определить по диаграмме истинных напряжений (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Диаграммы зависимости
истинного сопротивления деформации
от степени деформации для различных материалов
и вида деформации:
1 – холодная деформация;
2 – неполная холодная деформация;
3 – неполная горячая деформация;
4 – горячая деформация
Кривая 4 на рис. 4.13 описывает деформацию свинца при комнатной температуре. Даже при этой температуре для свинца такой вид деформации является горячим, так как деформация идет с полным
разупрочнением. Деформация вольфрама идет при температуре 400 °С
и является холодной деформацией, так как идет по кривой 1 и не сопровождается разупрочнением.
Область между кривыми 2 и 3 (заштрихованная) отражает неполную холодную и неполную горячую деформации.
4.11. Сверхпластичность металлов
Под сверхпластичностью понимают состояние металла, при котором возможность деформирования без разрушения резко возрастает с
одновременным снижением (иногда на 2 порядка и более) напряжения
текучести, т. е. сопротивления деформированию (σS).
Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов
равномерно удлиняться без разрушения на сотни и тысячи процентов.
Для перевода материалов в сверхпластичное состояние необходимы следующие условия:
– особая структура – это ультрамелкое равноосное зерно с размером не более 25 мкм; такая структура обеспечивает при температуре
сверхпластичности в основном механизм деформации в виде межзеренного скольжения;
53
– оптимальная температура процесса достигается при нагреве металла в диапазоне от 75 до 85 % от температуры его плавления
(0,750,80·Тпл); при температуре меньше 70 % от температуры его
плавления (Т < 0,7Тпл) диффузионная подвижность зерен невелика для
сверхпластичности; при температуре больше 85 % от температуры его
плавления (Т > 0,85Тпл) происходит интенсивный рост зерен,
что приводит к исчезновению сверхпластичности в материале;
– оптимальная скорость деформации (
должна быть достаточно
малой (например, 10-9–10
-4 с-1
) для полного прохождения диффузионных процессов и достаточно высокой, чтобы в условиях высоких температур предотвратить рост зерна (оптимальной скоростью в этом случае будет такая скорость деформации, при которой скорости упрочнения и разупрочнения одинаковы).
Типовую зависимость влияния скорости деформации на предель-
ную деформацию и сопротивление деформации можно представить
в виде графиков (рис. 4.14).
а) б)
Рис. 4.14. Зависимость предельной деформации (а)
и сопротивления деформации (б)
от скорости деформации при сверхпластичности
Из графиков (см. рис. 4.14, а) видно, что наибольшая (предельная) де-
формация металла достигается при оптимальной скорости деформации (
.
Дальнейшее увеличение скорости приводит к уменьшению деформации
вследствие упрочнения металла, так как подавляются процессы, способствующие сверхпластичности, т. е. прекращается диффузия.
При скоростях деформации, меньше оптимальных, преобладают
процессы разупрочнения, уменьшающие потенциальную энергию атомов.
Это уменьшает количество дислокаций при рекристаллизации, а также
54
приводит к появлению собирательной рекристаллизации, которая увеличивает размеры зерен и затрудняет межзеренное проскальзывание,
вследствие чего сопротивление деформированию (σS) увеличивается.
При оптимальной скорости деформации возрастание сопротивле-
ния деформации является максимальным, после чего интенсивность
возрастания кривой, характеризующей изменение сопротивления деформированию (σS), снижается (см. рис. 4.14, б). Этим объясняется рез-
кое увеличение равномерной деформации при линейном растяжении
в условиях сверхпластичности.
К основным признакам состояния сверхпластичности можно отне-
сти повышенную чувствительность напряжения течения (σs) к изменению скорости деформации, т. е. повышенная склонность к скоростному
упрочнению.
Скоростная чувствительность напряжения течения к скорости де-
формации определяется коэффициентом:
m =
0,3.
Коэффициент m определяется как тангенс угла наклона кривой
к оси функции σ = f() в логарифмической системе координат (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Расчетные значения кривых функции σ = f() для материалов:
1 – Mg – 6Zn – 0,6Zr; 2 – Zn – 22Al
Большой ресурс деформационной способности также можно отнести к основным признакам состояния сверхпластичности. Квазиравномерная деформация достигает сотен и тысяч процентов и реализуется
по принципу «бегающей шейки».
55
Напряжения сверхпластического течения (σ) в несколько раз меньше,
чем предел текучести материалов при пластической деформации.
Соотношение между напряжением и скоростью сверхпластической
деформации описывают уравнением:
σ = k·
,
где k – величина, постоянная для каждого конкретного металла.
Рассматриваемое уравнение предполагает, что структура материала
не меняется, а деформационное упрочнение отсутствует. Коэффициенты уравнения для большинства материалов – табличные. Данные
о сверхпластичности некоторых материалов приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Виды и параметры сверхпластичных материалов
Виды сверхпластичных материалов
Размер зерна, мкм
m
max
опт
, с-1
Поликристаллические металлические
материалы:
– ультрамелкозернистые сплавы
– сверхмелкозернистые сплавы
– нанокристаллические сплавы
10,0–1,0
1,0–0,1
0,1–0,01
0,4–0,6
0,5–0,7
0,6–0,8
10-5–10
-3
10-3–10
-1
10-1–10
Наиболее часто сверхпластичность наблюдается у эвтектических и
эвтектоидных сплавов. Например, у сплавов: «олово + свинец + висмут»;
«78 % цинка + 22 % алюминия».
Такое явление сверхпластичности еще наблюдается у сплавов,
имеющих полиморфные превращения. Например, при переходе феррита
в аустенит; аустенита в мартенсит; у сплава железа с никелем, марганцем и хромом.
Сверхпластичные материалы относятся к классу сложных вязкопластичных сред.
По структурному признаку различают следующие виды сверхпластичности:
– у металлов и сплавов со сверхмелким зерном, размер которых
меньше или равен 1,2·10-6 мм (обычный размер зерна 2,4·10-4 мм);
– у полиморфных металлов и сплавов при пластической деформации в процессе фазовых превращений.
Например, структура сплава, содержащего 80 % цинка и 20 % алюминия, закаленного при температуре более 300 °С, близка к эвтектоидной.
При его пластической деформации обнаруживается падение прочности
56
до 2,0–2,5 Н/м2 с увеличением пластичности по удлинению до 650 %.
Если размер зерна округлой формы у этого сплава приближается к пределу 3–8 мкм, то процесс сверхпластичности усложняется.
Состояние сверхпластичности послужило основой для создания
новых процессов обработки металлов давлением, таких, как:
– сверхпластическая формовка листовых заготовок;
– бесфильерное волочение проволоки.
Изготовление детали формовкой гидростатическим давлением
в матрицу из сплава, содержащего 63 % олова и 37 % свинца, производится в услловиях сверхпластичности. Такая штамповка осуществляет-
ся при комнатной температуре и скорости деформации (
10-3–10-4 с-1.
5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Закон постоянства объема: объем тела до деформации практически
равен объему тела после деформации. Этот закон используют для определения размеров заготовок, предназначенных для обработки давлением.
Закон наименьшего сопротивления: в случае возможности пере-
мещения точек деформируемого тела в различных направлениях каждая точка этого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления. Закон позволяет определить, какие размеры и форму поперечного сечения получит заготовка с тем или иным сечением в процессе обработки давлением
Закон сдвигающего напряжения: пластическая деформация может
начаться только в том случае, если сдвигающие напряжения, возникающие в деформируемом теле, достигнут определенной величины, зависящей от природы тела и условий деформирования.
Закон подобия: при осуществлении в одинаковых условиях одних
и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел из одинаковых материалов отношение усилий деформирования равно квадрату, а отношение работ – кубу отношений соответствующих линейных размеров. Этот закон основан на принципе моделирования и позволяет приближенно определить усилия и работы деформирования.
57
5.1. Закон наименьшего сопротивления
Закон наименьшего сопротивления формулируется следующим образом: любая материальная частица деформируемого тела, имеющая
несколько кинематически возможных направлений перемещения, движется в направлении наименьшего сопротивления.
Следствием данного закона является принцип минимума полной
энергии деформации, который используется в энергетических и вариационных методах решения задач. Примером, реализующим закон
наименьшего сопротивления, является образование заусенца при штамповке в открытом штампе (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схема штамповки поковки круглой в плане
в открытом штампе с образованием заусенца:
1 – штамп; 2 – заготовка; 3 – зазор под заусенец;
4 – «магазин» облойной канавки
При таком типе штамповки в первую очередь происходит вытекание
металла в зазор между верхней и нижней частями штампа, т. е. в облойную канавку. Эта часть штампа не имеет стенок, и такая поверхность является свободной. При дальнейшем перемещении инструмента зазор
между двумя частями штампа уменьшается, сопротивление деформированию увеличивается и начинается заполнение труднодоступных участков.
Это происходит, когда сопротивление деформированию (σs) в облойной
канавке становится больше него в остальных участках штампа.
58
Заполнение верхних (r1) и нижних (r2) углов штампа начинается,
когда σS в облое становится больше σS в металле, находящемся в полости штампа.
При осадке круглой цилиндрической заготовки на плоских бойках,
при контактном трении, равном нулю ( = 0), перемещение частиц металла в плоскости, параллельной плоскости бойков, будет происходить
равномерно по кратчайшей нормали к боковой поверхности такой заготовки. Такое перемещение частиц объясняется принципом кратчайшей
нормали.
По этому принципу перемещение любой точки тела в плоскости,
перпендикулярной к действию внешней силы, происходит по кратчайшей нормали к периметру сечения.
Рассмотрим принцип кратчайшей нормали на примере осадки
призматической заготовки между плоскими шероховатыми плитами,
когда на контактных поверхностях = 0,5 (рис. 5.2).
а) б)
Рис. 5.2. Этапы преобразования контура призматической заготовки
при осадке на плоских бойках (сплошная линия – исходный контур;
пунктирная линия – контур после этапа деформации;
линия, перечеркнутая штрихами, – линия раздела течения;
стрелка – направление наименьшего сопротивления):
а – первый этап; б – второй этап
Выделим в сечении заготовки или на поверхности материальную
частицу «К». Обозначим её кинематически возможные перемещения
через Ux и Uy. Так как точка К лежит ближе к контурной линии ВС, чем
к линии ВА, то, согласно закону наименьшего сопротивления, действительным перемещением будет являться перемещение Ux.
59
В сечении ABCD имеются 4 зоны, разделенные линиями AM, MB,
СN, ND. Они являются линиями раздела течения. В пределах каждой зо-
ны перемещения всех точек будут одинаковыми по направлению и знаку.
Все точки, лежащие правее линии BM, будут перемещаться по
направлению нормали к ВС, а все линии, лежащие левее, – к АВ.
Вследствие этого при значительной деформации прямоугольный
контур заготовки преобразуется в эллипс, а квадратный – в окружность.
Это называется принципом наименьшего периметра. Этот принцип соблюдается при большом влиянии сил трения, когда коэффициент трения стремиться к максимальному значению (μ→0,5), а контактное касательное напряжение является максимальным (τк = К).
Следовательно, при контактном трении, равном нулю (μ = 0), контур исходной заготовки преобразуется в геометрически подобный.
Из закона наименьшего сопротивления вытекает ещё один принцип –
минимума полной энергии деформации. Он используется в энергетических,
вариационных методах решения задач обработки металлов давлением.
5.2. Принцип минимума полной энергии деформации
Принцип минимума полной энергии деформации формулируется следующим образом: действительная форма равновесия тела отличается от всех
возможных форм тем, что сообщает полной энергии минимум значения.
Для подтверждения этого принципа рассмотрим варианты осадки
цилиндрических заготовок на плитах, имеющих сквозные и глухие отверстия (рис. 5.3). На всех показанных на рис. 5.3 схемах при осадке заготовки перемещается только верхняя плита на некоторую одинаковую
бесконечно малую величину Δh. При осадке в кольцах (см. рис. 5.3, а),
когда имеются две свободные поверхности, кинематически возможными
направлениями перемещения частиц А, В и С являются их радиальные
перемещения. В этом случае часть металла перемещается от центра к
периферии осаживаемой заготовки (U
rA
> 0), а часть – наоборот (U
rC
).
Деформация в этом случае характеризуется двумя степенями свободы перемещения. Материальные частицы, для которых Ur = 0 (точка В),
образуют поверхность, называемую поверхностью раздела течения.
В данном случае при осадке в кольцах эта поверхность цилиндрическая
диаметром Dρ. Деформация заготовки по этой схеме характеризуется
двумя степенями свободы течения обрабатываемого материала.
60
а) б) в)
Рис. 5.3. Схемы осадки цилиндрической заготовки на плитах с отверстиями:
а – нестесненная деформация с двумя степенями свободы течения;
б, в – стесненная деформация с одной степенью свободы течения
Рассмотрим две другие схемы осадки заготовки (см. рис. 5.3, б, в).
В них на свободной поверхности заготовки изменяются граничные
условия. В схеме на рис. 5.3, б в верхней плите отверстие будет глухим,
а свободной будет являться боковая поверхность. В схеме на рис. 5.3, в
ограничения к перемещению будут с боковой поверхности. Тогда в
схеме, показанной на рис. 5.3, б, кинематически возможным будет перемещение всех точек (А, Б, С) от центра к периферии (U
rА,В,С
> 0),
а в схеме, показанной на рис. 5.3, в, кинематически возможным станет
перемещение от периферии к центру (U
rА,В,С
< 0). Обе рассмотренные
схемы деформации заготовок обладают только одной степенью свободы течения.
В схеме на рис. 5.3, а при деформации с двумя степенями свободы
течения частица А, перемещаясь от центра к периферии, получает
направление смещения в сторону наименьшего сопротивления. Во всех
схемах, показанных на рис. 5.3, наличие связей между различными частицами тормозит перемещение частицы А, в них отсутствует поверхность раздела течения, следовательно, перемещение точки А не будет
соответствовать движению в сторону наименьшего сопротивления.
Поэтому при деформации по схемам, показанным на рис. 5.3, б, в,
на перемещения Δh будет затрачиваться большая работа и большее
усилие, чем при деформации по схеме рис. 5.3, а с двумя степенями
свободы течения. Следовательно, уменьшение степеней свободы перемещения увеличивает работу деформации.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]