- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
- •Оглавление
- •Введение
- •Лекция 1. Из истории обработки металлов давлением
- •1.1. Ковка металлов в древности
- •1.2. Кованые изделия средневековья
- •1.3. Изделия конца хviii - начала хх веков
- •Лекция 2. Элементы теории напряжений и деформаций
- •2.1. Связь между деформацией и напряжением
- •2.2. Плоское напряжённое состояние и плоская деформация
- •2.3. Главные напряжения и их основные схемы
- •2.4. Взаимосвязь обобщенного напряжения и обобщенной деформации. Испытание металлов на растяжение
- •Заключение
- •3.2. Типы дефектов кристаллического строения и их основные свойства
- •3.3. Структурообразования при пластической деформации металлов
- •3.4. Причины деформационного упрочнения
- •Упрочнение от взаимодействия дислокаций
- •Взаимодействие дислокаций с примесями
- •Упрочняющее действие межзеренных и межфазных границ
- •3.5. Разрушение металлов при пластической деформации
- •3.6. Пластичность металлов. Влияние напряжённого состояния
- •Заключение
- •4.2. Взаимосвязь предела текучести и пластичности металла
- •4.3. Термическое разупрочнение деформированного металла
- •4.4. Движущие силы и кинетика термического разупрочнения
- •4.5. Сопротивление деформации металлов. Релаксация напряжений
- •4.6. Охлаждение деформированного металла. Фазовые превращения
- •Заключение
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 5. Основные виды пластической деформации
- •5.1. Сжатие
- •5.2. Вытяжка
- •5.3. Прошивка
- •5.4. Закручивание
- •5.5. Листовая штамповка
- •5.6. Прокатка
- •5.7. Волочение
- •5.8. Гибка
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 6. Средства нагрева металлов
- •6.1. Источники нагрева
- •6.2. Пламенные нагревательные устройства
- •6.3.Электрические нагревательные устройства
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 7. Технологические процессы художественной деформации, ч. 1
- •7.1. Художественная ковка Основные положения
- •Кузнечные инструменты
- •Основные операции ручной ковки
- •7.2. Выколотка (дефовка)
- •7.3. Чеканка
- •Инструменты и приспособления
- •Технология чеканки
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 8. Технологические процессы художественной деформации, ч. 2
- •8.1. Тиснение (басма)
- •8.2. Металлопластика
- •8.3. Насечка (тауширование)
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Лекция 9. Технологические процессы художественной деформации, ч. 3
- •9.1. Филигрань (скань)
- •9.2. Гравирование Общие положения
- •Инструменты и приспособления
- •Плоскостное гравирование
- •Обронное гравирование
- •9.3. Изготовление сусального золота
- •9.4. Листовая штамповка
- •9.5. Ручное резание
- •Вопросы для самоконтроля:
- •Список литературы
- •Специальные технологии художественной обработки материалов. Часть 2 (Технология изготовления художественных изделий обработкой давлением)
4.2. Взаимосвязь предела текучести и пластичности металла
Значение предела текучести металла σs, и его пластичности при растяжении δ обусловлены структурой. Изменение структуры как распределения внутренних напряжений в объеме металла задает изменение как σs так и δ.
На рис. 4.2 показано температурное изменение пластичности меди, рассчитанное по известной зависимости σs(Т) на рис. 4.3 – расчетные и экспериментальные δ(Т) для стали 40Х при известных функциях Е(Т) и σs(Т).
Рис. 4.2. Температурное изменение пластичности меди: 1 – рассчитанное по формуле (3.2); 2 – по формуле (3.3); 3 – изменение предела пропорциональности
1. Соотношения (4.2) и (4.3) показывают увеличение пластичности с ростом температуры, что характерно для большинства металлов и сплавов.
2. Повышение пластичности при нагревании вовсе не является обязательным. Например, для многих металлов при повышенных температурах наблюдается монотонное снижение пластичности (Сu, Ag, Nb и др. [9]).
3. Характер изменения пластичности металла от температуры генетически обусловлен его структурой, поскольку кривая растяжения характеризует сценарий структурообразования и структуру в исходном состоянии.
Итак, рассматривая закономерности изменения пластичности, мы установили влияние на это свойство металла основных факторов – характера напряженного состояния, температуры и степени предварительной деформации.
Рис. 4.3. Температурные зависимости для стали 40Х: 1 – модуля упругости Еi/Е0;
2 – предела текучести σтi/σт0; 3 – удлинения при растяжении δ, рассчитанного по (3.3); 4 – удлинения δ по опытным данным
4.3. Термическое разупрочнение деформированного металла
Если нагревать металл, предварительно деформированный и упрочненный при комнатной температуре, то характер изменения его свойств в зависимости от температуры будет отличаться от представленного на рис. 4.1 и свойственного для отожженного металла. При нагревании деформированного металла происходит снятие упрочнения – термическое разупрочнение. При этом распадаются структуры, сформированные во время пластической деформации. Распад структур, снижение упругой энергии, накопленной металлом во время деформации, и переход ее в теплоту происходят не сразу – эти процессы условно можно разделить на отдельные стадии, скорость протекания которых зависит от гомологической температуры (Тr = Т/Тпл, где Т – текущая температура, К; Тпл – температура плавления, К).
В п. 2.4 мы выяснили, что деформационное упрочнение при пластической деформации связано с изменением структуры металла: зерна вытягиваются вдоль направления деформаций, в образце формируется так называемая механическая текстура (рис. 4.4,а), в металле значительно возрастает плотность дефектов кристаллического строения, которые располагаются упорядоченно.
Если исследовать структуру металла после отжига, то можно обнаружить, что зерна приобрели округлую форму, какую имели до деформации, а плотность дислокаций снизилась до исходного, додеформационного значения ρ = 104 ÷ 105 см-2. При этом свойства металла также «вернулись» к исходным значениям - пластичность возросла, прочность снизилась. Отсюда и термин – термический возврат (или разупрочнение). Кривую изменения σs, и δ в зависимости от температуры, представленную на рис. 4.5, называют часто кривой возврата.
Процессы распада дислокационных структур становятся возможными благодаря активизации диффузии.
Рис. 4.4. Микроструктура рения после прокатки (а) и отжига (б);
увеличение 120 крат
В металлах можно насчитать несколько процессов диффузии: самодиффузия, взаимодиффузия легирующих элементов и примесных атомов, диффузия вакансий и примесей вдоль дислокационных трубок и границ. Каждый из процессов участвует в термическом возврате. Экспериментальные исследования показали, что основной вклад в разупрочнение деформированных металлов вносят трубочная и граничная диффузии.
Рис. 4.5. Характер изменения предела текучести (1) и пластичности (2) деформированного металла в результате отжига: I – отдых; II – полигонизация;
III – рекристаллизация
В зависимости от структурных изменений, происходящих в деформированном металле при его нагревании, и от количественного изменения свойств металла, термическое разупрочнение принято подразделять на процессы, происходящие последовательно: отдых, полигонизацию, первичную рекристаллизацию, собирательную рекристаллизацию и вторичную рекристаллизацию. Однако при одной и той же температуре в различных объемах металла одновременно могут проходить различные процессы возврата, причем одни могут воспрепятствовать протеканию других (например, полигонизация и первичная рекристаллизация являются конкурентными процессами).
Процессы термического разупрочнения проходят тем быстрее, чем выше температура и сильнее деформационное упрочнение, поэтому они интенсивно протекают при горячей деформации, внося вклад в формирование свойств металла. Этот вклад состоит в том, что одновременно с процессами деформационного упрочнения и формирования дислокационной структуры происходят
Отдых
Отдых – самая низкотемпературная стадия термического разупрочнения. На этой стадии уменьшаются радиус кривизны дислокаций, количество дислокаций с одним знаком без значительного уменьшения их плотности. Отдых происходит при температурах(0,35 ÷ 0.38)Тпл.
При отдыхе полного термического разупрочнения не происходит. Увеличение температуры металла при отжиге приводит к плавному переходу отдыха в новую стадию – полигонизацию.
Полигонизация
При полигонизации продолжается уменьшение плотности дислокаций за счет захлопывания единичных дислокационных петель, но наблюдается новое явление – дислокации образуют малоугловые границы. Это происходит в металле, деформированном перед отжигом с не слишком большими степенями деформации. Весь объем металла внутри зерен разбивается на отдельные субзерна, разграниченные малоугловыми границами с низкой энергией γs΄. Иногда эти субзерна, имеющие правильную форму, образуют многоугольники, отчего процесс получил название полигонизация.
Если субзерна достигают размеров зерен, то такой процесс называют рекристаллизацией на месте. Полнгонизация может снять деформационное упрочнение полностью, и тогда следующей стадии термического разупрочнения – первичной рекристаллизации – не происходит вовсе.
В результате горячей пластической деформации или холодной деформации с последующим отжигом стараются получить именно полигональную структуру, при которой металл имеет наилучшее сочетание прочности и пластичности.
Рекристаллизация
Если во время нагревания металла полигонизация произойти не успевает, а в металле сохраняется солидный запас упругой энергии деформационного упрочнения, то при достижении температур Т ≥ 0,4Тпл в деформированном металле начинается следующая стадия термического разупрочнения – первичная рекристаллизация. Она состоит из двух этапов:
1. Зародыши новых зерен образуются внутри деформированных, которые значительно отличаются по кристаллографической ориентации от первоначальных.
2. Зародыши новых зерен растут до тех пор, пока новые зерна не займут весь объем металла. Новые рекристаллизованные зерна почти не содержат дислокаций, свойства рекристаллизованного металла полностью возвращаются к исходным додеформационным значениям, а форма зерен вновь становится округлой (рис. 4.5,6).
К моменту окончания первичной рекристаллизации общая площадь новых зерен, выросших из зародышей, может быть больше суммарной площади границ деформированных зерен. Казалось бы, это должно привести к увеличению энергии рекристаллизованного металла по сравнению с исходным деформированным, а рекристаллизация оказывается энергетически невыгодной. Однако энергия рекристаллизованного металла существенно меньше, чем деформированного из-за снятия деформационного упрочнения и вывода из металла упругой энергии дефектов кристаллического строения, которая превращается в теплоту.