ГОСы ТХОм-51 2013 / ТИХИОД Земцов
.pdf1.Природа пластической деформации, основные ее законы.
Пластическая деформация имеет следующую природу: для того, чтобы осуществить деформацию необходимо изменить межатомное расстояние в кристалле металла. Следовательно для преодоления межатомных сил приложить межатомную нагрузку. Под длействием этой нагрузки тело или его часть изменяют свою форму и размер, т.е. осуществляется деформация, которая м.б. линейной, угловой, поверхностной, объемной, а также абсолютной и относительной. При этом как упруг. Так и пласт. Деформ. Происходят без нарушения сплошности тела т.е без разрушения каких либо участков. Исключения составляют разделительные операции.
Процесс пластической деформации металлов происходит при выполнении 3-х основных законов.
1. Закон постоянства объемов. В соответствии с которым объем деформируемого металла до и после деформации принимает равный изменение объема за счет упругой деформации и некоторого уплотнения материала столь незначительного, что его не учитывают практически во всех расчетах. Этот закон используется при определенных размерах заготовки, а также при назначении формы и размеров заготовки на промежуточных стадиях обработки.
2. Закон наименьшего сопротивления в соответствии с которым каждая частица деформируемого тел перемещается в напрвлении наименьшего сопротивления – это позволило учесть направление течения Ме.
3. Деформируемое тело переходит в пластическое состояние, когда потенциальная энергия q достигнет определенной величины, зависит от свойств и состояния деформируемого материала. В большинстве случаев пластическая деформация в отдельном взятом кристалле происходит в результате сдвига или скольжения слоев атомов в определенных кристаллических плоскостях по определенным направлениям.
Это те плоскости и направления, в которых атомы расположены наиболее плотно, когда касательные напряжения в одном из направлении достигает максимального значения, произойдет сдвиг слоев на определенном состоянии. Кроме скольжения пластическая деформация может осуществляться двойникованием, когда одна часть кристаллической решетки поворачивается относительно другой.
2. Простейшие виды деформации. Диаграмма пластичности.
Деформация – это изменение формы и размера тела под действием внешней нагрузки.
Если после прекращения действий вн нагрузки тело полностью восстанавливает свои первоначальные формы и размеры, то такая деформация называется Упругой.
Если же форма и размеры восстанавливаются не полностью, то такая деформация называется Пластической.
Простейшие виды деформации:
1. Растяжение (сжатие) – испытывает тело при приложении к нему нормальной нагрузки, проходящей через ось стержня.
Характеризуется:
1. абсолютное удлинение (укорачивание) ∆ℓ= ℓ - ℓ 0 2. относительное δ ℓ= (ℓ - ℓ 0)/ ℓ 0
3. логарифмическая деформация ε=ℓnℓ/ℓ0 Модуль Юнга σ =E·ε
2. Сдвиг – испытывает тело под действием только касательного напряжения
τ=G·γ, где G – модуль упругости при сдвиге; γ – угол сдвига, радианы
мера деформации угол 3. Кручение – испытывает, например, на стержень под действием
пары сил расположенных на плоскостях перпендикулярных оси стержня и создающих крутящий момент.
Угол закручивания. φкр=Мкр·ℓ/G·Ір, Ір=π·d4/32
Возникающий при скручивании касательное движение будет равно
τi=Мкр·ri/Ір
Максимальное касательное напряжение Іmax= Мкр·r/Ір= Мкр/Wр
4. Изгиб – испытывает, например, стержень. При приложению к нему поперечной силы Q и моменту изгиба, наружные слои металла удлиняются, а внутренние укорачиваются. Имеется нейтральный слой, длина которого не изменяется.
Существует понятие чистого изгиба, при котором Q=0 и в теле возникают только нормальное напряжение с максимальной величиной в точках наиболее отдаленного от нейтрального слоя.
σ = Мизг/W, где W- момент сопротивления поперечного сечении изгиба (справочник)
W= b·h/6, Н/м
3. Напряженно-деформированное состояние в точке. Условие пластичности.
Если в произвольной точке деформирующего тела выделить элементарный параллелепипед, то на его грани будут действовать
следующие направления.
Где σ – нормальное напряжение,
τ – касательное напряжение
Из условия равенства следует:
τzy= τyz τzx= τxz τxy= τyx
элементарный параллелепипед нормальных и 3 касательных. напряжение состояния в точке.
Элементарный параллелепипед можно выделять в данной точке различным способом, при этом существует такое положение плоскостей парами, при котором касательные напряжения = 0, нормальное напряжение при этом называются главными.
Главное напряжение – характеризуют напряженное состояние в точке, которое может быть линейным, плоским или объемным
Существуют так же такие площади, в которых касательное напряжение равны:
τ13=(σ1-σ3)/2 τ32=(σ3-σ2)/2 τ13=(σ1-σ3)/2
Такие напряжения так же являются главными.
Деформирующее состояние в точке характеризуется главным деформациями ε1, ε2, ε3, которые соответствуют главным напряжениям, таким образом, имеет напряженное деформированное состояние (НДС). Вид НДС существенно влияет на пластичные свойства металлов.
При одном НДС металл может вести себя как хрупкий, при другом как пластичный.
Условие пластичности.
ОМД характеризуется сложными физико-химическими процессами, происходящими в материале заготовки с выделением тепла, нестабильными остаточными напряжениями и деформациями, поэтому простого и однозначного условия пластичности, как например, закон юнга при упругих деформациях не существует. Существует целый ряд гипотез о начале пластичного течения Ме, которое с разной точностью достоверности отражают реальные процессы ОМД.
Одним из распространенных гипотез являются Условие текучести Треска-Сан-Венана.
По условию Т-С-В Ме начинает пластически деформироваться, когда τmax достигает определенной величины k, называемой пластической постоянной.
τmax = τт = k
τmax = (σ1-σ3)/2=k
Недостаток: в нем не учитывается σ2
По условию Мизеса пластическое напряжение начинается, когда выполняется соотношении:
(σ1-σ3)2+(σ2-σ1)2+(σ3-σ2)2=2σ2т k =0,577 σт
Во многих процессах условие Мизеса более достоверно характеризует пластическую деформация Ме.
4.Нагрев металла перед ОМД. Источники нагрева, пламенные и электрические нагревательные устройства.
Для проведения процессов горячей пластической деформации металл необходимо нагреть выше 0,65-0,75
абсолютной температуры плавления для повышения пластичности и снижения прочности (рис. 3.6). Нагревать сталь до температур, близких к температуре плавления, нельзя, так как наступает пережог, выражающийся в окислении и оплавлении границ зерен, нарушении связей между ними и, как следствие, полной потере пластичности. Пережог является неисправимым браком.
Рис. 3.6. Изменение механических свойств стали, содержащей 0,15 % С, в зависимости от температуры
Ниже температуры пережога лежит зона перегрева. Явление перегрева заключается в резком росте размеров зерен и, как следствие, снижении механических свойств продеформированных изделий.
Брак по перегреву можно исправить отжигом. Таким образом, максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы не было ни пережога, ни перегрева. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре. Если продолжать деформирование при более низких температурах, металл упрочнится (рекристаллизация не успевает произойти), и вследствие падения пластичности в изделии могут образоваться трещины. Таким образом, каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки
Нагрев желательно осуществлять с наибольшей скоростью, т. е. за возможно короткое время. При этом в меньшей степени происходит рост зерна, снижаются отходы металла на угар (образование окалины за счет взаимодействия с кислородом атмосферы печи), меньше углерода выгорает с поверхности стальных заготовок. Температура посадки металла в нагревательное устройство и
скорость нагрева определяются его пластичностью и теплопроводностью в соответствующем температурном интервале.
В процессе нагрева возникает перепад температур между внутренними и наружными зонами заготовки, сопровождаемый возникновением термических напряжений. Эти напряжения при недостаточной пластичности металла могут привести к возникновению трещин. Разность температур по сечению увеличивается с увеличением скорости нагрева, поэтому существует максимально допустимая скорость нагрева:
Т = К· Д O Д,
где Т - время нагрева, ч; Д - диаметр или толщина заготовки, м; К - коэффициент, равный для углеродистой и низколегированной стали 12,5, для высоколегированной - 25.
Существенное значение имеет также и режим охлаждения готовых поковок. Слишком быстрое и неравномерное охлаждение может привести к образованию трещин или к короблению вследствие термических напряжений. Чем меньше теплопроводность стали и чем массивнее и сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть охлаждение.
Нагревательные устройства
В современных процессах обработки металлов давлением нагрев заготовок осуществляют в пламенных и электрических печах, в установках контактного и индукционного эл нагрева.
Нагрев в пламенных печах происходит за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности металла. В электрических печах сопротивления металл нагревается за счет лучеиспускания тепла от нагревательных элементов электросопротивления. В установках электроконтактного нагрева - за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через нагреваемую заготовку, а в установках индукционного нагрева - за счет тепла, выделяющегося в заготовке вследствие действия вихревых токов. Основными видами топлива, используемого в пламенных печах, являются мазут и газ, причем газообразное топливо является наиболее прогрессивным. Жидкое топливо (мазут) сжигают с помощью форсунок, распыляющих топливо и обеспечивающих его хорошее смешивание с воздухом. Для сжигания газа применяют газовые горелки, которые служат для подачи газа и воздуха в печь и смешивания их в необходимых пропорциях.
Рис. 3.7. Нагревательные печи: а - камерная; б - методическая
Нагревательные печи бывают двух основных типов: камерные и методические.
Камерная печь. В печи (рис. 3.7, а) заготовки 2 укладывают на поду 1 разогретой до температуры посадки печи и после их прогрева до заданной температуры извлекают, как правило, через окно 4, через которое их загружали в печь. Рабочее пространство печи нагревается за счет сжигания топлива с помощью форсунок или горелок 3. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5.
Методическая печь (рис. 3.7, б). Рабочее пространство печи имеет несколько зон с различной температурой. Заготовки 2 проталкиваются с помощью толкателя 8 и, перемещаясь по поду печи 6, попадают сначала в первую подогревательную зону I (600800 ° С), затем в зону максимального нагрева II (1250-1350 ° С), где установлены горелки 3. Зона III является зоной выдержки, в которой происходит выравнивание температуры по сечению заготовки. Горячие газы движутся навстречу перемещающимся заготовкам, которые выдаются из печи через окно 7.
Существенным недостатком нагрева в пламенных печах с обычной атмосферой является обезуглероживание поверхности стальных
заготовок и высокий угар металла, что связано с большими потерями металла (до 3-4 % от общей массы нагреваемого металла за один цикл нагрева). Для уменьшения потерь металла применяют защитные атмосферы.
Электрические нагревательные устройства.
Электропечи сопротивления. Конструктивно они такие же, как и пламенные, но в качестве нагревателей используют металлические или карборундовые (силитовые) элементы сопротивления, подключающиеся к силовой электрической сети. Сопротивления, нагреваясь, излучают теплоту, которая передается стенкам печи и заготовкам, находящимся на поду. Явным преимуществом таких печей является возможность точного регулирования температуры рабочего пространства. Однако при температурах, необходимых для нагрева стали, стойкость элементов сопротивления низка. Поэтому используют их в основном для нагрева под обработку давлением цветных сплавов.
Рис. 3.8. Схемы электронагревательных устройств: а - индукционного; б - контактного
Индукционное электронагревательное устройство (рис. 3.8, а). Заготовку 1 помещают внутрь многовиткового соленоида (индуктора) 2, выполненного из медной трубки. По индуктору пропускают переменный ток, и в заготовке, оказывающейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, под действием которых и происходит разогрев заготовки.
Преимущества индукционного нагрева: высокая скорость, в несколько раз превышающая скорость нагрева в печах; почти полное отсутствие окалины и обезуглероживания; возможность повышения температуры начала ОМД без появления перегрева; удобство
автоматизации подачи и выдачи заготовок; улучшение условий труда.
К недостаткам следует отнести: меньшую универсальность, т. к. для заготовок разных размеров нужно применять разные индукторы; высокую стоимость электроустановок и электроэнергии. Поэтому индукционный нагрев применяют в цехах крупносерийного производства поковок.
Устройство электроконтактного нагрева (рис. 3.8, б). В устройствах концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 3, к которым подводится ток большой силы. При прохождении тока через заготовку в ней, из-за ее электрического сопротивления, выделяется теплота, пропорциональная квадрату силы тока. Контактный нагрев обладает теми же достоинствами, что и индукционный.