ТОМД

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)

Калпин Ю.Г., Крутина Е.В., Исаева Е.А., Хабибуллин Р.К.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ Лекции по курсу «Теория обработки металлов давлением» для студен-

тов очной и заочной форм обучения направления 150700.62 – «Машиностро-

ение» и 261400 «Технология художественной обработки материалов»

Одобрено методическими комиссиями по направлению:

150000 – Металлургия, машиностроение и материалообработка

260000 – Технология продовольственных продуктов и потреби-

тельских товаров

МОСКВА

2013

2

Разработано в соответствии с ФГОС ВПО 2009 г. для направления под-

готовки 150700.62 – «Машиностроение» и 261400 «Технология художе-

ственной обработки материалов»

Рецензенты:

Зам. директора технологического института Университета машино-

строения С.А. Типалин;

профессор кафедры «КиОД» Университета машиностроения Ю.К. Фи-

липпов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Лекции по курсу «Теория обработки металлов давлением» для студен-

тов очной и заочной форм обучения направления150700.62 – «Машиностро-

ение» и 261400 «Технология художественной обработки материалов / Калпин Ю.Г., Крутина Е.В., Исаева Е.А., Хабибуллин Р.К.– М.: Университет маши-

ностроения, 2013. – 52 с.

Лекции по курсу «Теория обработки металлов давлением» позволяют студентам дневной и заочной форм обучения готовиться самостоятельно к экзаменам. Знакомят студентов со строением металлов, с процессами, проис-

ходящими в металле в момент деформации, с методами исследования пла-

стичности металла.

3

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Теория обработки металлов давлением» является научной базой технологических процессов горячей и холодной обработки металлов давле-

нием. Он состоит из трех основных частей.

1. Физические основы пластической деформации. В этом разделе рас-

сматривается строение металлов, механизмы пластической деформации,

устанавливается влияние различных факторов на этот процесс.

2. Механика пластической деформации. Здесь устанавливаются основ-

ные соотношения между параметрами пластической деформации: перемеще-

ниями (скоростями перемещений), деформациями (скоростями деформаций)

и напряжениями, а также рассматриваются основные используемые в насто-

ящее время методы решения уравнений, связывающих параметры пластиче-

ской деформации.

3. Пластичность металлов (имеется в виду свойство металлов пласти-

чески деформироваться без разрушения и влияние различных факторов на количественную оценку этого свойства).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Строение металлов Все твердые тела делятся на кристаллические и аморфные.

Аморфные тела состоят из молекул, которые располагаются в произ-

вольном порядке (приято говорить Аморфные тела состоят из молекул, ко-

торые располагаются в произвольном порядке (принято говорить – «выпол-

няется ближний порядок»).

Кристаллические тела состоят из молекул (атомов), расположенных в определенном порядке, который сохраняются на значительном расстоянии от рассматриваемой точки («выполняется дальний порядок»). Металлы относят-

ся к кристаллическим телам.

4

Между атомами действуют силы притяжения и силы отталкивания, и

величина межатомных расстояний определяется условием равенства этих противодействующих сил. Равновесное положение атомов при одновремен-

ном действии сил притяжения и отталкивания возможно, если интенсивность изменения этих сил по мере изменения межатомного расстояния различна.

Положение равновесия атома в пространстве соответствует условию мини-

мума потенциальной энергии атома.

Для изучения строения металла используют две модели.

1. Атомы представляются в виде материальных (обладающих массой)

точек, располагающихся в положении равновесия (на самом деле атомы со-

вершают хаотические движения вблизи положения равновесия; такие движе-

ния называются тепловыми, или флуктуациями). Эти материальные точки связаны упругими силами, наподобие пружинок, которые, если атомы нахо-

дятся в положении равновесия, разгружены (на схеме они изображены в виде линий, соединяющих атомы). Такая модель используется при вычислении напряжений, действующих в кристаллическом теле при его деформации или при возникновении в кристалле дефектов.

2.Атомы представляются в виде шаров, соприкасающихся своими по-

верхностями. Модель помогает понять структуру дальнего порядка, различ-

ные варианты взаимного расположения атомов в пространстве.

5

Минимальный объем, по строению которого можно судить о строении всего кристалла, называется элементарной кристаллической ячейкой, а сово-

купность всех ячеек называется кристаллической решеткой.

Типы элементарных кристаллических ячеек

1.Объемноцентрированный куб (ОЦК). Такую структуру имеет, напри-

мер, -железо.

В среднем на 1 ячейку приходится 2 атома.

ОЦК – неплотноупакованная структура.

2.Гранецентрированный куб (ГЦК). Такую структуру имеет, напри-

мер, -железо, медь и др.

6

В среднем на 1 ячейку приходится 4 атома.

ГЦК – плотноупакованная структура.

3.Гексагональная плотноупакованная структура (ГПУ – старое назва-

ние, ГП – новое).

В среднем на 1 ячейку приходится 6 атомов.

Кристаллографические оси и плоскости

Кристаллографическая ось – такое направление, вдоль которого атомы встречаются достаточно часто. Ось обозначается тремя целыми числами в квадратных скобках. Числа соответствуют координатам в межатомных рас-

стояниях первого попавшегося атома, расположенного на рассматриваемой оси. Если координата отрицательная, знак «минус» ставится над соответ-

ствующим числом.

Кристаллическая плоскость – такая плоскость, вдоль которой атомы встречаются достаточно часто. Плоскости обозначаются тремя целыми чис-

7

лами в круглых скобках; эти числа являются обратными величинами по от-

ношению к отрезкам (в межатомных расстояниях), отсекаемым плоскостью на осях координат.

Монокристалл и поликристалл Тело (деталь или образец), имеющее единую систему кристаллографи-

ческих осей и плоскостей, называется монокристаллом. Монокристалл ани-

зотропен (разные свойства в разных направлениях).

Тело, состоящее из множества областей, каждая из которых имеет свою систему кристаллографических осей и плоскостей, называется поликристал-

лом. Области поликристалла, имеющие свою систему кристаллографических осей и плоскостей, называются кристаллитами, или зернами. Поликристалл проявляет изотропию (одинаковые свойства в разных направлениях).

Механизмы пластической деформации монокристалла Нетрудно представить себе механизм упругой деформации (в результа-

те приложения внешней нагрузки, например растяжения тела, расстояния между атомами увеличиваются, «пружинки» растягиваются; возникают си-

лы, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние) или механизм разруше-

ния («пружинки» разрываются). Сложнее представить себе механизм пласти-

ческой деформации, например растяжения, кристаллического тела, если учесть, что параметры кристаллических ячеек до деформации сохраняются и после таковой.

8

К основным механизмам пластической деформации монокристалла относятся скольжение и двойникование.

Скольжение представляет собой параллельное смещение тонких слоев кристалла друг относительно друга в плоскостях, в которых действует мак-

симальное касательное напряжение, или близких к ним. Например, при рас-

тяжении образцов максимальные касательные напряжения действуют в плос-

костях, расположенных под углом 450 к направлению растяжения. Одновре-

менное смещение слоев в множестве систем таких плоскостей проявляется в виде удлинения тела в направлении растяжения и уменьшении площади его поперечного сечения.

Двойникование – поворот одной части кристаллита относительно дру-

гой на определенный угол. Чаще всего, происходит при термической обра-

ботке сплавов.

Скольжение происходит по определенным кристаллографическим плоскостям, которые называются плоскостями скольжения и которые не обя-

зательно совпадают с плоскостями действия максимальных касательных напряжений.

Напрашивается вывод о том, что скольжение происходит тогда, когда напряжения, создаваемые внешней нагрузкой, смещают один слой атомов относительно другого настолько, что все связи («пружинки») между атомами в этих слоях одновременно разрываются и возникают заново после смещения слоев друг относительно друга на одно межатомное расстояние. Затем, если внешняя нагрузка продолжает действовать, процесс повторяется. Однако

9

расчеты показывают, что внешняя нагрузка при таком механизме скольжения должна быть приблизительно на три порядка выше, чем наблюдаемая при экспериментах. Это противоречие можно устранить, если учесть возмож-

ность существования в кристаллах дефектов.

Дефекты в кристаллах Дефекты в кристаллах подразделяются на точечные, линейные и объ-

емные (поры). Первоначально они возникают при кристаллизации металла.

Объемные дефекты, или поры – эти дефекты отличаются тем, что все три размера значительно превышают линейные расстояния.

Точечные дефекты – такие дефекты, у которых все три размера, поряд-

ка межатомного расстояния. К таковым относятся вакансии, которые возни-

кают в результате отсутствия атома в каком-либо узле кристаллической ре-

шетки. Вакансия – это тот объем, в котором возникают упругие (значимые)

искажения. До пяти межатомных размеров от центра считаются вакансией.

Таким образом, вакансия – это дефект в виде шара, внутри которого суще-

ствуют упругие искажения.

Массовая миграция вакансий может быть одним из механизмов пла-

стической деформации.

Линейные дефекты, или дислокации Это такие дефекты, у которых два размера порядка межатомного рас-

стояния, а третий размер – большой. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные.

Краевая дислокация образуется из-за наличия между двумя соседними полными плоскостями атомов дополнительной полуплоскости, заканчиваю-

щейся внутри кристалла (экстраплоскости). Если полуплоскость вставлена сверху, дислокация считается положительной; если снизу – отрицательной.