Самый страшный враг железных конструкций – коррозия металла . Она разрушает любое металлическое изделие, особенно в условиях повышенной влажности. Коррозии подвержено не только железо, но и другие металлы, хотя время разрушения изделий из них существенно больше. Человечество постоянно борется с разрушениями, вызванными коррозией металла , и создаёт разнообразные способы защиты от неё, но глобального решения проблемы пока не найдено, и каждый год десятая часть металла оказывается разрушенным коррозией.

Более всего подвергаются коррозионному разрушению разнородные металлы, собранные в одном изделии. Если металлы имеют различные электрохимические потенциалы, то при воздействии влаги они превращаются в электроды, и быстро разрушаются. Так свойства меди оказываются несовместимыми со свойствами железа и алюминия. Несовместим алюминий с оловом, а цинк с медью.

Упругость и пластичность металлов

Помимо коррозионной устойчивости и совместимости друг с другом, важны для использования и другие механические свойства, такие как, например, прочность, пластичность металлов , их упругость. Сравним проволоку одинакового сечения, но сделанную из различных металлов. Проволока из алюминия рвётся достаточно легко, а медная и железная - способны противостоять большим нагрузкам. Недаром струны музыкальных инструментов, функции которых как раз и заключаются в способности выдержать высокие нагрузки, делают из стали. Повышенная прочность металла на растяжение необходима также проводам ЛЭП, тросам, и многим другим конструкциям. Помимо прочности металла на растяжение имеет значение прочность на сжатие, изгиб, и другие.

Если тонкую стальную пластину согнуть, и затем отпустить, она распрямится, проявляя такое свойство, как упругость металлов . Часто металлоконструкции специально проектируются так, чтобы они проявляли упругость. Так упругая деформация требуется пружинам, булавкам, амортизаторам. Другие изделия проектируются так, чтобы упругость была минимальной. Это характерно в первую очередь для балок или различных механизмов.

Свойство, обратное упругости металлов , называется пластичностью. Оно проявляется в том, что изделие под влиянием нагрузки меняет свою форму - деформируется, но не разрушается при этом. А после того, как нагрузка снята, сохраняет эту новую форму. Примером может служить гвоздь, согнутый при ударе, и так и остающийся в согнутом состоянии.

Пластичность металлов особенно важна при их художественной обработке методами, чеканки, скани, выколотки и многими другими. Прочность, пластичность металлов возрастает при термической их обработке, а также в результате термохимических воздействий; например цементации стальных сплавов или азотирования. Испокон века использовался для увеличения прочности такой способ, как поверхностный наклёп. Мы все знаем такое выражение, как "отбивать косу". А означает это - упрочнение рабочей поверхности косы способом проковывания наружного слоя металла.

Сложности выбора идеального металла

Невозможно найти металл, свойства которого оказались бы идеально подходящими для какой-либо конкретной конструкции. В качестве примера можно взять обычную посуду - кастрюлю. Издавна для её изготовления брали медь и медные сплавы, отличающиеся хорошей теплопроводностью. Однако медные изделия слишком быстро окислялись и приходили в негодность. В 18-ом веке внутреннюю поверхность кастрюль и другой посуды научились лудить - наносить слой олова, препятствовавший окислению.

Новейшая разработка исследователей из Швеции - трёхслойная посуда особой долговечности: внешний слой её из теплоёмкой и теплопроводной меди, средний - из алюминия, а внутренний - из устойчивой к окислению нержавейки.

Основными факторами, оказывающими весьма существенное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию, являются химический состав, температура металла, скорость деформации, схема напряжённо-деформированного состоянии, контактное трение и т.д.

Велико влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы и сплавы, образующие твёрдые растворы. Наихудшими пластическими свойствами обладают сплавы, образующие химические соединения и механические смеси. Обработке давлением подвергаются как чёрные, так и цветные сплавы. Из чёрных сплавов давлением обрабатываются углеродистые и легированные стали, из цветных – бронзы, латуни, дюралюминий и др.

Наибольшее количество деталей изготовляется обработкой давлением из стали. В связи с этим необходимо рассмотреть влияние некоторых примесей на пластичность стали и её сопротивление деформированию.

Углерод является основной примесью, оказывающей влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали пластичность падает, а сопротивление деформированию возрастает. Стали с содержанием углерода до 0,5 % обладают хорошей пластичностью, поэтому обработка давлением таких сталей не вызывает затруднений. Однако обработка давлением стали, содержащей более 1 % углерода, представляет большие трудности. Кремний и марганец в тех пределах, в которых они содержатся в обычных сталях (0,17 –0,35 % и 0,3–0,8 % соответственно), не оказывают заметного влияния на пластичность стали. Дальнейшее увеличение содержания кремния и марганца в стали понижает её пластические свойства, повышая сопротивление деформированию.

Сера находится в стали в виде химических соединений FeS или MnS. Она вызывает красноломкость стали. Явление красноломкости связано с образованием эвтектики FeS + Fe по границам зерен, которая плавится при температуре 985 ˚С. При нагреве стали до температур 1000–1200 ˚С под ковку, прокатку эвтектика расплавляется, нарушается сплошность границ зёрен и при деформации в этих местах образуются трещины. При наличии в стали MnS интервал красноломкости сдвигается в область более высоких температур (1200 ˚С). В связи с этим содержание серы в стали (в виде соединения FeS) должно быть минимальным (0,03–0,05 %). Фосфор в стали присутствует в твердом растворе (феррите). Он вызывает хладноломкость стали. Повышение содержания фосфора в стали увеличивает сопротивляемость пластической деформации, а, следовательно, затрудняет проведение обработки давлением. Поэтому содержание фосфора в стали должно быть не более 0,03–0,04 %.

Легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.) понижают пластичность и повышают сопротивление деформированию, причём тем сильнее, чем больше углерода в стали.

Температура оказывает существенное влияние на механические свойства металлов и сплавов. Увеличение температуры примерно до 100 ˚С вызывает некоторое повышение пластичности и уменьшение характеристик прочности. При дальнейшем повышении температуры примерно до 300 ˚С наблюдается значительное увеличение характеристик прочности и понижение характеристик пластичности. Это явление получило название синеломкости (от цвета побежалости). Предполагают, что хрупкость, наблюдаемая при этих температурах, вызвана выделением дисперсных частиц карбидов, нитридов и др. по плоскостям скольжения. Дальнейшее повышение температуры вызывает интенсивное понижение характеристик прочности. При температурах около 1000 ˚С предел прочности σ в понижается более чем в 10 раз. Что касается показателей пластичности, то они в интервале 800–900 ˚С понижаются из-за протекания в стали фазовых превращений и неполного процесса рекристаллизации; при дальнейшем повышении температуры можно наблюдать их интенсивное увеличение. Таким образом, опасными зонами температур в отношении понижения пластичности являются зона синеломкости и зоны, в которых происходят неполная рекристаллизация и фазовые превращения. Такая закономерность наблюдается и для других металлов и сплавов.

На пластичность оказывает влияние и скорость деформации. При деформировании металлов следует различать две скорости: скорость деформирования, представляющую собой скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса, рабочих валков и т.п.), и скорость деформации, представляющую собой изменение степени деформации ε в единицу времени t .

Скорость деформации ω выражается формулой:

При постоянной скорости, а также для средней скорости:

При обработке давлением на прессах скорость деформирования составляет примерно 0,1–0,5 м/с, а скорость деформации 1–5 сˉ¹. При обработке давлением на молотах скорость деформирования в момент удара достигает 5–10 м/с; при этом весь процесс деформации за один удар длится сотые доли секунды, скорость деформации может достичь 200–250 сˉ¹. При деформировании металлов взрывом имеют место еще более высокие скорости, измеряющиеся сотнями метров в секунду.

В первом приближении можно сказать, что с увеличением скорости деформации сопротивление металла деформированию возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность некоторых магниевых и медных сплавов, а также высоколегированной стали, что объясняется малыми скоростями рекристаллизации.

Скорость деформации при горячей обработке давлением оказывает большее влияние на металл, чем при холодной. Однако при детальном изучении влияния скорости деформации на указанные характеристики это явление носит более сложный характер. Дело в том, что при деформации имеет место тепловой эффект, который при разных скоростях и условиях деформации может быть различным. В некоторых случаях деформации в металле может происходить значительное местное повышение температуры (до 200–300 ˚С), что сразу сказывается на пластичности и сопротивлении его деформированию. Если деформация производится при температурах, близких к максимальным для данного металла, пластичность может значительно снизиться, а сопротивление деформированию возрасти. Если же деформация происходит при температурах, близких к минимальным, то, наоборот, вследствие теплового эффекта пластичность металла повысится, а сопротивление деформированию снизится. Таким образом, нельзя рассматривать изолированно влияние скорости деформации и температуры на механические характеристики металла, так как скорость и температура при обработке давлением тесно связаны друг с другом. Вследствие этой связи принято говорить о температурно-скоростных условиях деформации, т.е. о так называемом термомеханическом режиме обработки давлением.

Контактное трение представляет собой трение, возникающее на поверхности соприкосновения деформирующего инструмента с металлом. Появление при обработке давлением значительных сил трения на контактных поверхностях резко изменяет схему напряжённого состояния и тем самым оказывает существенное влияние на пластичность металла и его сопротивление деформированию. Например, если при осадке цилиндра под плоскими бойками отсутствует контактное трение, то возникает линейная схема напряжений; при наличии же трения имеет место объёмная схема напряжений.

Контактное трение зависит от ряда факторов, к числу которых относятся: состояние поверхности деформирующего инструмента и деформируемого сплава, химический состав сплава, смазка, температура металла и инструмента и скорость деформации. Коэффициент трения при обработке давлением может быть от 0,1 до 0,5. Для снижения коэффициента трения и облегчения условий деформации применяют различные смазки и инструмент с полированной поверхностью. Отметим, что при прокатке трение является полезным фактором, поэтому для лучшего захвата металла создаются условия для повышения коэффициента трения.

Для горячей обработки давлением металл нагревается до определённой температуры и деформируется до тех пор, пока температура его не снизится до такой, при которой дальнейшая деформация окажется невозможной. Таким образом, металл может быть деформирован в строго определённом температурном интервале. Максимальная температура его нагрева называется верхним пределом, а минимальная – нижним. Каждый металл имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением.

Верхний предел температурного интервала t в.п . выбирается таким образом, чтобы не было пережога, интенсивного окисления и обезуглероживания, а также перегрева. При выборе верхнего предела температурного интервала для высокоуглеродистых и легированных сталей необходимо иметь в виду их большую склонность к перегреву. Температура нижнего предела t н.п. должна быть такой, чтобы после деформирования при этой температуре металл не получил упрочнения (наклёпа) и имел бы требуемую величину зерна. Особое значение выбор нижнего предела имеет для легированных сталей и сплавов, не имеющих фазовых и аллотропических превращений, например для аустенитных и ферритных сталей. Конечные свойства этих сталей определяются в основном нижним пределом температурного интервала (поскольку они не подвергаются термической обработке).

Для определения усилий при различных видах обработки металлов давлением необходимо знать напряжённое состояние металла, т.е. уметь находить напряжение, возникающее в каждой точке деформируемого тела в зависимости от действия внешних сил. Помимо того, характер напряжённого состояния сильно влияет и на пластичность металла. Напряжённое состояние тела в самом общем случае может быть полностью определено тремя нормальными и шестью касательными напряжениями, т.е. девятью компонентами напряжений. Если в теле, подверженном действию внешних сил, выделить элементарный параллелепипед, то на гранях этого параллелепипеда, перпендикулярных осям X, Y, Z появляются нормальные напряжения (σ x , σ y , σ z) и касательные напряжения, расположенные в плоскости самих граней (τ xy , τ zx ,τ yx , τ zy , τ yz , τ yx) , как показано на рис. 4.

В условиях равновесия элементарного параллелепипеда имеется попарное равенство составляющих касательных напряжений, то есть τ xy =τ yx , τ zx =τ xz , τ zy =τ yz .

Отсюда следует, что напряжённое состояние любой точки деформируемого тела может быть определено шестью компонентами: тремя нормальными σ x , σ y , σ z и тремя касательным напряжениями τ xy , τ zx , τ zy .

Однако, если оси координат выбрать таким образом, чтобы на площадках, перпендикулярных этим осям, действовали только нормальные напряжения, а касательные напряжения были бы равны нулю, напряжённое состояние может быть установлено, если известны лишь нормальные составляющие напряжения. Такие напряжения называют главными и их обозначают соответственно через σ 1 , σ 2 , σ 3 . При этом σ 1 означает наибольшее по алгебраической величине напряжение, σ 3 – наименьшее и σ 2 – среднее. При решении практических задач одну из главных осей обычно совмещают с направлением действия силы.

Напряженное состояние тела может быть линейным, плоским и объёмным.

Рис. 4. Нормальные и касательные напряжения на гранях элементарного параллелепипеда

При линейном напряжённом состоянии два главных напряжения равны нулю, при плоском – одно из главных напряжений равно нулю, а при объемном – все три главных напряжения отличны от нуля, что представлено на рис. 5. Линейные схемы растяжения и сжатия (ввиду наличия контактного трения на торцах заготовки) при обработке давлением не встречаются. Плоское напряжённое состояние имеет место при некоторых процессах листовой штамповки – гибке, отбортовке и др. В большинстве случаев при обработке давлением металл находится в объёмном напряжённом состоянии. При этом усилия и напряжения, действующие по различным направлениям, могут быть как равными (σ 1 =σ 2 =σ 3 – равномерное напряжённое состояние), так и неравными между собой (σ 1 ≠σ 2 ≠σ 3 – неравномерное напряжённое состояние). Объёмные и плоские схемы, имеющие напряжения одного знака, называются одноимёнными схемами, а схемы, имеющие напряжения разных знаков, – разноимёнными.

Различают схемы всестороннего растяжения, всестороннего сжатия, а также совместного растяжения и сжатия.

При всестороннем равномерном растяжении пластическая деформация невозможна, так как происходит хрупкое разрушение. При всестороннем равномерном сжатии пластическая деформация не произойдет ввиду невозможности сдвигов, так как сдвигающее напряжение здесь равно нулю. При равномерном и неравномерном всестороннем совместном сжатии и растяжении пластическая деформация возможна. Схема с наличием двух сжимающих напряжений наиболее благоприятна с точки зрения меньшей возможность появления хрупкого разрушения металла.

Большинство процессов обработки металлов давлением – прокатка, прессование, ковка и объёмная штамповка – протекают в условиях всестороннего неравномерного сжатия.

Рис. 5. Схемы напряженного деформированного состояния:

а – линейные; б – плоские; в – объёмные

При обычной прокатке имеются условия, при которых σ 1 >σ 2 >σ 3 (по абсолютной величине), при волочении σ 1 >σ 2 =σ 3 , при прессовании σ 2 =σ 3 , σ 1 <σ 2 ; при свободной ковке – осадке цилиндрических образцов σ 1 >σ 2 =σ 3 и т.д.

Более благоприятное протекание процессов обработки металлов давлением в условиях всестороннего неравномерного сжатия объясняется тем, что сжимающие напряжения препятствуют нарушению межкристаллитных связей и способствуют развитию внутрикристаллических сдвигов. Один и тот же металл в одних условиях может оказаться пластичным, в других – хрупким. Изменяя напряжённое состояние деформируемого тела при деформации, можно изменять и пластичность его в широких пределах.

Таким образом, можно установить, что созданием благоприятной схемы напряжённого состояния, а также подбором температуры и скорости деформации можно создать условия, при которых станет возможной пластическая деформация даже хрупких металлов.

Соответственно схемам главных напряжений существуют схемы главных деформаций ε 1 , ε 2 , ε 3 . Схемы главных деформаций представлены на рис. 6.

Рис. 6. Схемы главных деформаций

Деформациям, характеризующим увеличение первоначального размера (удлинение), приписывают знак плюс, а укорочение (сжатия) – знак минус. Деформированное состояние в какой-либо точке тела характеризуется тремя главными деформациями и тремя направлениями главных осей деформаций. Согласно условию постоянства объёма (объём металла при обработке давлением не изменяется), одна из трёх главных действующих деформаций равна сумме двух других и противоположна им по знаку. На основании этого положения имеются всего только три схемы главных деформаций. Из этих трёх схем одна объёмная с двумя деформациями сжатия, другая – объёмная с двумя деформациями растяжения, третья – плоская с деформациями сжатия и растяжения.

Вид схемы главных деформаций так же, как и характер напряжённого состояния, оказывает влияние на пластичность. Наилучшие условия для проявления пластических свойств создаёт объёмная схема деформированного состояния с двумя деформациями сжатия, наихудшие условия – объёмная схема с двумя деформациями растяжения.

Процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлических материалов под действием приложенной нагрузки переходить в пластическое состояние. Поэтому для наиболее рационального выбора технологического процесса необходимо знать факторы, с помощью которых можно управлять пластичностью.

Пластичность - способность металла под действием нагрузки менять свою форму без разрушения и сохранять ее после снятия нагрузки.

Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при обработке давлением, являются:

• состав и структура деформируемого металла;
• схема напряженного состояния при деформации;
• температура деформации;
• неравномерность деформации;
• скорость деформации;
• степень деформации;
• режим термической обработки.

Рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов.

Состав и структура деформируемого металла. Как правило, максимальную пластичность имеют чистые металлы. Однако из-за невысокой прочности в чистом виде металлы для получения изделий почти не используются. Поэтому в металлы с целью создания в них комплекса требуемых свойств добавляют другие химические элементы (легирующие добавки). Кроме того, в металлах обычно присутствуют примеси - химические элементы, которые попадают в металл при извлечении из руды, плавлении, нагревании и т. д. Процесс очистки от примесей часто сложен или экономически невыгоден, поэтому их содержание в сплавах обычно ограничивают и фиксируют их допустимое содержание в марке соответствующего сплава. В сталях, например, резко снижают пластичность такие примеси, как Бп, РЬ, БЬ, Б, Р, Н, О и др. Они почти не растворяются в железе, располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Кроме того, температуры плавления этих элементов и их эвтектических соединений с железом значительно ниже, чем у самого железа. Поэтому при горячей деформации содержание указанных примесей выше допустимых пределов из-за расплавления может привести к полной потере пластичности стали. Так, повышенное содержание серы в стали вызывает при горячей обработке давлением возникновение трещин. Это явление называют «красноломкостью». Следует учитывать, что различие между легирующим элементом и вредной примесью достаточно условно. Даже для одного металла, составляющего основу сплава, один и тот же элемент может выступать в сплаве как в качестве легирующего элемента, так и являться примесью. Например, в ряде деформируемых алюминиевых сплавов кремний вреден, и его содержание ограничивают, однако существуют алюминиевые сплавы, в которых кремний является основной легирующей добавкой, например, литейные сплавы силумины.

Большое влияние на пластичность сплавов оказывает их структура. Наибольшей пластичностью среди сплавов обычно отличаются твердые растворы. Неоднородность (гетерогенность) структуры сплавов приводит к снижению пластичности. При одинаковом химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного, так как в двухфазном сплаве фазы имеют разные механические свойства и деформация протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, так как литая структура последнего более грубая, неоднородная по химическому составу, имеет включения и другие дефекты литейного происхождения.

Схема напряженного состояния при деформации. Установлено, что металлические материалы при изменении условий деформирования могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Поэтому правильнее считать, что в природе не существует тел с постоянным уровнем свойств, а есть хрупкое и пластичное состояния вещества, определяемые условиями нагружения при деформировании. При этом увеличение доли сжимающих напряжений при деформировании повышает пластичность обрабатываемого металла. Наибольшую пластичность металлические материалы проявляют при всестороннем сжатии. В этом случае затрудняются межзеренные перемещения, и вся деформация осуществляется за счет внутризеренного перемещения дислокаций. С появлением в схеме растягивающих напряжений пластичность снижается. Самую низкую пластичность металлы имеют при всестороннем растяжении. В технологических процессах обработки металлов давлением, за редким исключением, такой схемы напряженного состояния стараются избегать.

Температура деформации. Минимальная пластичность металлов наблюдается при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина из-за низкой тепловой подвижности атомов. Приблизительно в интервале температур от 0 до (0,2-0,25)Г ш „ где Г пл - температура плавления по абсолютной шкале, деформацию называют холодной. При этих температурах восстановительные процессы в металлах, такие как возврат, можно не учитывать. С повышением температуры пластичность металлов увеличивается. При этом деформация металла при повышенных температурах характеризуется одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения. Восстановительными, уменьшающими плотность дислокаций во время горячей деформации, и приводящими к снижению прочности процессами, могут являться только возврат или возврат и рекристаллизация. Процессы разупрочнения во время горячей деформации аналогичны процессам разупрочнения при отжиге после холодной деформации. Так, при возврате плотность дислокаций уменьшается в результате увеличения их подвижности и сопровождается выстраиванием дислокаций в стенки (полигонизация), а при рекристаллизации происходит вытеснение дислокаций мигрирующими высокоугловыми границами. Так как восстановительные процессы, идущие в процессе деформации, имеют свои особенности, то правильнее пользоваться терминами динамический возврат (в том

числе, динамическая полигонизация ) и динамическая рекристаллизация, в отличие от статических процессов возврата и рекристаллизации, протекающих при отжиге после деформации. Для чистых металлов возврат проявляется при температурах превышающих (0,25 - 0,30)Г ПЛ. Присутствие примесей в металле затрудняет движение дислокаций и увеличивает температуру возврата. Протекание возврата в процессе деформации уменьшает сопротивление деформации металла и увеличивает его пластичность, но при этом упрочнение металла все равно наблюдается, хотя интенсивность его меньше, чем при холодной деформации.

Процесс рекристаллизации, согласно формуле А. А. Бочвара, для чистых металлов начинается с температуры приблизительно 0,4Г 11Л. Примеси повышают эту температуру. Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рскристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокации во время своего роста постепенно наклепываются, так как из-за продолжающейся деформации в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшисся в первую очередь, начинают наклепываться раньше, и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рек-ристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократное повторение циклов динамической рекристаллизации и наклепа рскристаллизованных зерен характеризуется неизменным средним размером зерна. Графики зависимости истинного напряжения от истинной деформации, представленные, как для динамического возврата, так и для динамической рекристаллизации (рис. 2.6), характеризуются после стадии деформационного упрочнения стадией установившегося течения.

При выборе режима деформации необходимо учитывать, что при температурах, близких к температуре плавления металла, возможны перегрев или пережог. Первое явление заключается в том, что, достигнув максимальных значений в области собирательной рекристаллизации, пластичность начинает плавно снижаться из-за далеко зашедшей собирательной рекристаллизации, приводящей на этой стадии к образованию чрезмерно крупного зерна. При очень высоких температурах могут резко снизиться и прочность и пластичность, что вызывается пережогом - сильным меж-кристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесеи на границе зерен. Если первый вид брака можно исправить повторной термообработкой заготовки, то пережог считают неисправимым браком, и такую заготовку отправляют на переплавку. Таким образом, наибольшую пластичность металлы имеют в интервале от температуры рекристаллизации до температуры плавления. Однако верхний предел должен быть ниже температуры окисления границ зерен. Важным параметром структуры в изделии, полученном деформированием при температуре выше темпера-

туры рекристаллизации, является размер зерна, который сильно влияет на механические свойства изделий. Зависимость размера зерна в металлах после деформации с последующей рекристаллизацией, с одной стороны, от температуры, а с другой, - от степени деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 2.7), которые строят по результатам специально проводимых экспериментов. Эти диаграммы характерны для каждого металла и сплава и используются для выбора температурного режима деформации.

Б, МПа

Б, МПа

Рис. 2.6. Зависимость истинного напряжения 5 от истинной деформации е (цифры на кривых - скорости деформации, с -1): а - армко-железо, 700 °С;

6 - сталь с 0,25% С

Неравномерность деформации. Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в обрабатываемом теле, считают неоднородность физических свойств обрабатываемого материала, контактное трение, форму заготовки и рабочего инструмента.

В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошной средой, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения, которые не определяются схемой напряженного состояния, вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные напряжения могут при определенных

условиях обработки изменять схему напряженного состояния деформируемого тела. Особенно опасным является то, что в некоторых участках тела появляются растягивающие напряжения, что может привести к разрушению заготовки, хотя при этом общая схема напряженного состояния выражается благоприятной для проявления пластичности схемой всестороннего сжатия.

Рис. 2.7.

Дополнительные напряжения, которые взаимно уравновешиваются в объеме деформируемого тела (заготовки), можно разделить на три вида: напряжения первого рода (зональные), уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями заготовки; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами заготовки; напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в одном зерне. Примером неравномерности деформации может служить бочкообразование при осадке, возникающее в результате трения между инструментом и образцом.

Скорость деформации. В обработке металлов давлением различают две скорости: скорость деформирования или скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса и т. д.) и скорость деформации со или изменение степени деформации г в единицу времени, которую можно рассчитать по следующей формуле:

При этом в традиционных видах обработки металлов давлением диапазон скоростей деформации изменяется в интервале от 10 1 до 10 5 с" . Этой величиной удобнее описывать влияние скоростных условий деформации на пластичность, так как она не зависит от размеров обрабатываемой заготовки. В связи с этим можно корректно сравнивать разные процессы обработки металлов давлением, в которых возможно деформирование заготовок массой, составляющей несколько граммов, и, например, многотонных слитков. В первом приближении, чем больше скорость деформации, тем ниже пластичность. Однако при этом следует учитывать разогрев металла из-за тепла, выделяемого при деформации. Причем интенсивность разогрева тем выше, чем выше скорость деформации. Поэтому при холодной обработке малые скорости деформации слабо влияют на пластичность. Высокие скорости обеспечивают нагрев деформируемого тела, что способствует развитию диффузионных процессов и, следовательно, некоторому восстановлению пластичности металла.

При горячей обработке скорость деформации слабее влияет на пластичность, чем при холодной, так как на упрочнение из-за действия деформации накладывается действие высокой температуры, способствующей протеканию процессов разупрочнения за счет ускорения диффузионной подвижности атомов.

?= Нлр.*100%

Рис. 2.8. Зависимость механических свойств алюминиевого сплава Д1 от степени обжатия при холодной прокатке

Степень деформации. Обычно под наклепом принято понимать упрочнение при обработке давлением.

В более широком понимании наклеп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации. При холодной обработке давлением с увеличением степени деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление разрыву, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 2.8). При деформировании металла со степенью деформации более 50-70 % временное сопротивление и твердость обычно увеличиваются в полтора-два, а иногда и в три раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Небольшие деформации (до Ю %), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на временное сопротивление разрыву. При больших степенях деформации у ряда сплавов предел текучести может возрасти в 5-8 раз и более.

Относительное удлинение резко уменьшается уже при сравнительно небольших деформациях. Сильная деформация, сопровождающаяся увеличением временного сопротивления и твердости в 1,5-2 раза, способна снизить относительное удлинение в 10-20, а иногда и в 30-40 раз и более.

Возрастание показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходит в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также возникновение (генерирование) и скольжение «новых» дислокаций.

Горячая обработка влияет на пластичность слабее, так как при повышении температуры активизируются диффузионные процессы, сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, которые приводят к частичному или полному восстановлению пластичности.

Режим термической обработки. Чтобы получить конкретное изделие обработкой давлением требуется продеформировать заготовку на определенную степень деформации. Бывают случаи, когда достижение такой степени деформации за одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при листовой штамповке и т. д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому технологический процесс разбивают на несколько операций, например, делают несколько переходов при листовой штамповке или несколько проходов при прокатке и т. д. Для частичного или полного восстановления пластичности после операции обработки давлением используют разные виды промежуточной термообработки. Для сталей это может быть отжиг: дорекристаллизационный или рекристалли-зационный. Для некоторых алюминиевых деформируемых сплавов можно использовать закалку. Вид термообработки и ее режим выбирают в зависимости от природы сплава, степени деформации, температуры деформации и т. д.

О пластичности металла при любых условиях его деформа­ции до последнего времени судили по результатам испыта­ний образцов на растяжение. На основании этих данных считают, что пластичность всех металлов тем выше, чем выше температура, при кото­рой он подвергается обработ­ке. В действительности такое влияние температуры не явля­ется общим.

Ю. М. Чижиков рекоменду­ет пять типовых закономерно­стей влияния температуры на предел пластичности Δh/H, ха­рактеризуемый относительным обжатием (рис. 51). Кривая 1 характеризует металлы и спла­вы, пластичность которых с по­вышением температуры увели­чивается. Эта кривая типична для углеродистых и легирован­ных конструкционных сталей и др. Кривая 2 приведена для металлов и сплавов, пластичность которых с повышением температуры понижается. Эта кривая годна только для некоторых высоколегированных сплавов, но она представляет больший инте­рес, показывая, что с повышением температуры пластич­ность не всегда повышается. Кривая 3 характеризует ме­таллы и сплавы, пластичность которых очень мало изме­няется с повышением температуры. К ним относятся мно­гие качественные легированные стали. Согласно кривой 4 при повышении температуры до какой-то средней пластич­ность возрастает; при дальнейшем увеличении температу­ры она снижается. Кривая 5 показывает, что при каких-то средних температурах происходит снижение пластичности; при более высоких или более низких температурах пластич­ность получается более высокой. Эта кривая типична для технически чистого железа.

Влияние химического состава стали

Содержание углерода в стали до 0,8-1 % незначительно уменьшает пластичность металла. Повышение содержания углерода в стали приводит к тому, что металл в литом со­стоянии можно обрабатывать только ковкой. Так, стали, содержащие около 1,5 % С, в литом состоянии обрабатыва­ют ковкой. После ковки или после дробления первичной структуры и превращения ее во вторичную их можно про­катывать.

Углерод принадлежит к активным элементам, влияю­щим на изменение сопротивления деформации. Особенно заметное влияние углерода на повышение сопротивления деформации начинается при содержании его 0,5 % и выше.

Марганец повышает способность металла пластически деформироваться благодаря тому, что он с серой образует сульфид, который находится в металле в виде шарообраз­ных включений. При повышенном содержании марганца (12% и более) пластичность металла зависит от условий разливки стали. Так, горячоотлитый металл вследствие гру­бозернистой структуры прокатывается и куется хуже. Ме­талл, отлитый при низкой температуре, имеет мелкозерни­стое строение и хорошо поддается обработке давлением, но сопротивление его деформации резко повышается.

Никель является хорошим поглотителем газов, находя­щихся в расплавленном металле. Это свойство никеля осо­бенно существенно при наличии в стали водорода. В отли­чие от марганца никель и соединении с серой (сульфид ни­келя) располагается в стали по границам зерен, что способ­ствует появлению красноломкости. Сульфиды никеля, об­ладая пониженной температурой плавления, увеличивают склонность сталей к пережогу. Влияние никеля на сопро­тивление деформации незначительное.

Хром способствует образованию крупнокристаллической структуры. Крупнозернистая столбчатая структура в круп­ных слитках при охлаждении может вызвать появление межкристаллических трещин. Особенно это заметно в хро­мистых сталях с большим содержанием углерода. В неко­торых высокоуглеродистых сталях типа ЭХ12 или хромонн- келсвых (3-4 % Ni, 1-5 % Cr) указанные трещины могут выходить даже на поверхность. Хром в стали, особенно при содержании никеля или повышенном содержании углерода, резко повышает сопротивление деформации вследствие на­личия карбидов хрома, стойких даже при высоких темпе­ратурах.

Ванадий , как и марганец, имея сродство к кислороду, является хорошим раскислителем. Кроме того, ванадий, по­добно кремнию, служит хорошим дегазификатором. Прак­тикой и исследованиями установлено, что ванадий способ­ствует образованию мелкозернистой структуры слитка, при этом пластичность стали повышается.

Вольфрам уменьшает пластичность стали в горячем со­стоянии и увеличивает сопротивление деформации. Некото­рые марки стали с содержанием вольфрама в литом состо­янии сначала обрабатывают ковкой и только после вторич­ного нагрева слитка прокатывают его в валках.

Стали с содержанием молибдена относятся к самозака­ливающимся. Содержание в стали молибдена не уменьша­ет способность пластического изменения формы при ковке или прокатке. В то же время сопротивление деформации не­сколько повышается. Недостаток сталей, содержащих мо­либден в большом количестве (до 1,5% и более), состоит в свойстве их при охлаждении подвергаться воздушной за­калке, что иногда сопровождается появлением трещин. В сталях с малым содержанием молибдена (0,25-0,3%) это явление не наблюдается.

В металле сера находится чаще всего в виде соединений FeS и MnS. При наличии в стали легирующих элементов (Cr, W и особенно Ni сера, соединяясь с ними, образует сульфиды, которые выделяются по границам зерен метал­ла. Эти сульфиды, обладая пониженной температурой плав­ления и прочностью, обусловливают красноломкость стали при пластической обработке в области температур 800- 1000°С. Кроме того, сульфиды создают опасность пережо­га металла при температурах, близких к 1200°С.

Наличие водорода в стали способствует образованию внутренних трещин-флокенов. Прямого влияния на пластич­ность и сопротивление деформации водород не оказывает.

В металле азот находится в виде соединений с другими элементами. Содержание нитридов в пределах 0,002- 0,005 % заметного влияния на пластичность металла не оказывает. При повышении содержания нитридов до 0,03 % и выше металл становится хладноломким и красколомким. Однако добавление азота, в частности в коррозионно-стой­кую сталь, уменьшает размеры первичного зерна при от­ливке. Так, содержание азота в пределах 0,15-0,2 % в кор­розионно-стойкой стали при содержании хрома до 25 % способствует получению мелкозернистой структуры и улуч­шению пластичности с одновременным повышением сопро­тивления деформации. Неметаллические включения в виде оксидов (особенно FeO) отрицательно влияют на пластичность металла при высоких температурах. По данным ряда исследований, количество оксидов не должно превышать 0,01 %. При большем содержании в металле оксидов неза­висимо от их формы и природы даже при деформации ков­кой получаются трещины.

Кроме рассмотренных общих технологических свойств (пластичности и сопротивления деформации), каждый ме­талл или сплав имеет еще специфические особенности, ко­торые нужно знать и учитывать при разработке технологи­ческих режимов. Так, автоматная сталь (углеродистая сталь с повышенным содержанием серы) обладает низким коэффициентом трения, что затрудняет ее захват валками при прокатке.

Многие легированные стали склонны к образованию трещин, чрезмерному обезуглероживанию, перегреву. Все эти и другие особенности каждого металла необходимо учитывать, чтобы правильно вести технологический про­цесс.

Пластичность – способность металла воспринимать остаточную деформацию без разрушения.

Иногда ошибочно отождествляют высокую пластичность и низкое сопротивление деформации. Пластичность и сопротивление деформации – это разные, не зависящие одна от другой характеристики твердых тел.

Способность пластически изменять форму присуща всем твердым телам, но у некоторых из них она ничтожна мала и проявляется только при деформации в особых условиях.

Факторы, влияющие на пластичность:

1. Природа вещества: чистые металлы обладают хорошей пластичностью, причем примеси, образующие с металлом твердые растворы снижают пластичность меньше, чем не растворяющиеся в нем. Особенно заметно снижают пластичность примеси, выпадающие при кристаллизации по границам зерен;

2. Наклеп: благодаря явлению самоупрочнения, сопровождающее наклеп, понижается пластичность металла;

3. Температура: повышение температуры металла приводит к увеличению пластичности. При очень низких температурах металл становится хрупким. Существуют температурные интервалы, различные для разных металлов. В углеродистой стали обнаруживается заметное снижение пластичности при температурах в , называемое синеломкостью. Это явление объясняется выделением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения.

При недостаточном содержании марганца в малоуглеродистой стали резкое падение пластичности при температуре в называют красноломкостью. Это явление возникает благодаря расплавлению эвтектики FeS, располагающейся по границам зерен.

К резкому падению пластических свойств приводит пережог – дефект, образующийся в результате длительной выдержки металла в зоне высоких температур, близких к температуре плавления, сопровождающийся окислением поверхности зерен, ослабляющее межзеренные связи. Пережог является неисправимым дефектом.

Понижение пластичности наблюдается также при перегреве – дефекте, образующимся в результате выдержки металла в зоне высоких температур, сопровождающимся чрезмерным укрупнением зерен в области фазовых превращений. Перегрев является устранимым дефектом и решается последующей термообработкой;

4. Скорость деформации: при горячей обработке металлов в связи с отставанием процесса рекристаллизации от наклепа повышение скорости понижает пластичность. При холодной обработке повышение скорости деформации может увеличивать пластичность за счет разогрева металла выделяющимся теплом;

5. Характер напряженного состояния: по существующим в теории обработки металлов давлением взглядам пластическая деформация происходит под воздействием сдвигающих напряжений, а хрупкое разрушение вызывается нормальными напряжениями растяжения. Влияние напряженного состояния на пластичность можно оценивать по величине гидростатического давления:

Если гидростатическое давление возрастает, то пластичность увеличивается, если же оно уменьшается, то пластичность уменьшается. Опыт показывает, что, изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела считать пластичными или хрупкими, поэтому пластичность считают на свойством, а состоянием вещества;