Схема напряженного состояния. Напряженное состояние характеризуется схемой главных напряжений в малом объеме, выделенном в деформируемом теле. При всем многообразии условий обработки давлением в различных участках деформируемого тела могут возникнуть следующие схемы главных напряжений (нормально направленных напряжений, действующих во взаимно перпендикулярных плоскостях, на которых касательные напряжения равны нулю) (рис. 17.2): четыре объемных (а), три плоских (6) и два линейных (в). При каждом виде обработки давлением одна из представленных схем является преобладающей.

Прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, ковка характеризуются всесторонним неравномерным сжатием. Эта схема нагружения наиболее благоприятна с точки зрения достижения максимальной степени пластической деформации.

При листовой штамповке и волочении реализуется схема двустороннего сжатия с растяжением.

В зависимости от действующих сил и соотношения их величин тело испытывает деформацию. Совокупность деформаций, возникающих по различным направлениям в пространстве, обычно называют деформированным состоянием.

Схема главных деформаций может дать представление о характере изменения структуры исходного материала, направлении вытянутости межзеренных границ и зерен. Структура приобретает строчечный характер. Границы зерен, содержащиеся в них загрязнения и неметаллические включения вытягиваются, образуя волокна (см. рис. 17.1). Эти изменения в деформированном металле могут быть обнаружены визуально после травления, так как имеют макроскопические размеры.

Металл после обработки давлением приобретает выраженную анизотропию свойств. При этом прочностные характеристики -

Рис. 17.2.

а - объемное; б - плоское; в - линейное временное сопротивление, предел текучести в различных направлениях - изменяются меньше, чем пластические - относительное удлинение, ударная вязкость и даже износостойкость.

Все перечисленные характеристики имеют большую величину в направлении волокон, чем поперек их. Полученную анизотропию свойств целесообразно учитывать, проектируя нагруженные детали, получаемые пластическим деформированием. В отдельных случаях учет этих особенностей позволяет существенно увеличить долговечность работы деталей, а также снизить их массу.

Влияние химического и фазового составов. Различные металлы и их сплавы имеют различные показатели пластичности и неодинаково сопротивляются пластическому деформированию. Однако всегда чистые металлы имеют большую пластичность, чем их твердые растворы, а однофазные структуры более пластичны, чем двухфазные, особенно если эти фазы отличаются по своим механическим характеристикам. Это же относится и к наличию в металлах труднорастворимых химических соединений.

Любые химические неоднородности, ликвации, растворенные газы существенно снижают способность металла к пластическому деформированию, особенно в области высоких температур.

Применительно к железоуглеродистым сплавам следует особенно выделить вредное влияние даже небольших количеств серы и фосфора.

Влияние температуры. При низких температурах пластичность металла уменьшается вследствие уменьшения тепловой подвижности атомов. С повышением температуры пластичность возрастает, а сопротивление деформированию уменьшается (рис. 17.3). Кривые изменения пластичности и прочности не всегда имеют монотонный характер; как правило, в интервале температур фазовых превращений могут происходить некоторое повышение прочностных и снижение пластических свойств металлов. Практически все металлы и сплавы в области температур, близких к температуре со-

Рис. 173. Влияние температуры нагрева стали на ее пластические свойства (е) и сопротивление пластическому деформированию (а в) лидуса, обнаруживают резкое падение пластических свойств - гак называемый температурный интервал хрупкости (ТИХ). В этом интервале пластические свойства близки к нулевым значениям. Объясняется это тем, что при этих температурах границы зерен и расположенные там межкристаллические прослойки, включающие легкоплавкие примеси, размягчаются или расплавляются и даже небольшая деформация приводит к их разрушению. Чем чище металл, тем меньше протяженность температурного интервала хрупкого состояния и тем ближе он к температуре равновесного солидуса.

Влияние скорости деформирования. Скорость деформирования материала при обработке давлением в значительной степени определяется скоростью перемещения деформирующего инструмента, хотя и не идентична ей. Правильнее было бы под скоростью деформации принимать величину относительного изменения размеров тела в единицу времени в направлении действующей силы, т.е.

где а ср - средняя скорость инструмента во время деформирования; h c р - средняя величина деформации.

Обычно средняя скорость деформации для различных процессов обработки давлением (табл. 17.1) изменяется в пределах КГ 12 - 10-V 1 .

Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднозначно. При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости деформирования понижает пластичность металла. Особенно это сказывается при обработке магниевых и медных сплавов, высоколегированных сталей. Менее заметно отрицательное влияние увеличения скорости деформации при обработке алюминиевых сплавов, низколегированных и углеродистых сталей.

При обработке давлением в холодном состоянии увеличение скорости деформации выше некоторых значений приводит к повы-

Таблица 17.1

Средние скорости деформации для различных видов оборудования обработки давлением

шению температуры обрабатываемого металла вследствие выделения значительной теплоты трения на плоскостях скольжения, которая не успевает распространиться в пространство. Повышение температуры приводит к разупрочнению и повышению пластических свойств. Этот эффект может быть очень значительным. Например, при обработке давлением с применением взрывных устройств удается получить в холодном металле весьма значительные пластические деформации.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Каков механизм пластического деформирования?
• 2. Как влияет наличие дислокаций на сопротивление пластическому деформированию?
• 3. Сравните свойства литого металла и металла, подвергнутого пластическому деформированию.
• 4. При какой схеме нагружения можно получить максимальную величину пластической деформации?
• 5. В какой области температур находится температурный интервал хрупкости, и чем объясняется снижение пластических свойств металла в этом интервале?

1. Химический состав
Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, наименьшей - химические соединения (больше сопротивление движению дислокаций).
Легирующие добавки Cr, Ni, W, Co, Mo - увеличивают пластичность; С, Si - снижают пластичность.
2. Микро-, макроструктура
С уменьшением величины зерна пластичность увеличивается (сверхпластичность). Разнородность зерен снижает пластичность.
3. Фазовый состав
Наибольшей пластичностью обладает металл однородного строения. Разные фазы, имеющие некогерентные решетки, затрудняют движение дислокаций и понижают пластичность.
Кроме того, они деформируются по-разному, что способствует образованию трещин.

Снижение пластичности при температуре выше 800°C связано с образованием второй фазы - остаточного феррита. Повышение пластичности при температурах выше 1000°С свидетельствует о резком снижении сопротивления металла деформации.
4. Скорость деформации
Следует различать скорость перемещения инструмента или скорость деформирования (V, м/с) и скорость деформации - изменение степени деформации в единицу зремени (u или ε, с-1),

где L - базовая длина образца, подвергнутого растяжению; Δl - абсолютное удлинение образца Δl=l-L; t - время; V - скорость перемещения инструмента; Н, h - высота тела соответственно до и после деформации; Ah - абсолютное обжатие Δh = H-h; R - радиус рабочих прокатных валков.
С увеличением скорости деформации пластичность снижается , так как не успевает переместиться нужное число дислокаций.
Увеличение пластичности при высоких скоростях деформации объясняется повышением температуры металла.
5. Окружающая среда. Некоторые поверхностно активные вещества повышают пластичность металла (олеиновая кислота) - облегчают пластический сдвиг, другие - способствуют хрупкому разрушению (керосин).
Таким образом, необходимо уделять должное внимание смазкам.

Прокатка в вакууме или в среде инертных газов редкоземельных элементов (Nb, Mo, Te) не позволяет образовываться окисной пленке, которая является очень хрупкой. При прокатке в вакууме газ диффундирует наружу и металл становится пластичным. В США построены цеха с защитной атмосферой. В г. Чирчик (Таджикистан) на металлургическом заводе работает прокатный стан с герметизированными валковыми узлами, в которых создан вакуум.
6. Дробность деформации
Увеличение дробности деформации приводит к повышению пластичности легированных марок стали.

Прокатка на планетарном стане, благодаря высокой дробности деформации, позволяет получить 98% степени деформации. Дробная деформация способствует уменьшению неравномерности структуры металла, облегчает поворот зерен. При повторном нагружении происходит снижение остаточных напряжений между зерном и пограничными зонами,
7. Механическая схема деформации
Наиболее благоприятной схемой пластической деформации является схема трехстороннего неравномерного сжатия. При прочих равных условиях уменьшение растягивающего напряжения благотворно влияет на пластические свойства металла.
При переходе от деформации по схеме одноосного растяжения к деформации по схеме трехстороннего сжатия теоретически возможно увеличение пластичности металла в 2,5 раза.
В классических опытах Кармана по прессованию мрамора и песчаника была получена величина степени деформации мрамора 68% без разрушения при обработке высоким гидростатическим давлением.
Гидростатическое давление

где σ1, σ2, σ3 - главные напряжения сжатия.
Пластическая деформация возникает за счет разности главных напряжений σ1 ~ σ3 = σт.
При прокатке хрупких литых сплавов для снижения растягивающих напряжений на кромках применяют так называемую «рубашку» (перед прокаткой заготовку заворачивают в оболочку из высоко пластичного металла). При этом растягивающие напряжения возникают в оболочке, а деформируемый металл испытывает сжимающие напряжения, предотвращающие трещинообразование.

Перспективным направлением является применение гидроэкструзии - создания всестороннего неравномерного сжимающего давления в деформируемом металле за счет жидкости (будет рассмотрено позже).
В реальных процессах всегда имеется неравномерность деформации (между зернами, между отдельными локальными участками), которая вызывает неравномерность деформации.
8. Масштабный фактор
Чем больше объем тела, тем ниже его пластические свойства при прочих равных условиях - следует учитывать при разработке процессов ОМД и при проектировании оборудования.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить

05.04.2019

Виноград относится к ягодам с коротким сроком хранения. Даже в холодильнике он очень быстро становится вялым, теряет нормальный вид. Можно, конечно, заморозить его в...

05.04.2019

Правильно подобрать и установить подходящий кондиционер или сплит-систему поможет опытный специалист компании, которая предоставляет услуги по монтажу, ремонту и...

05.04.2019

Газовый котёл является оборудование, с его помощью происходит получение тепловой энергии, которая требуется для нормального отопления комнаты. Подобные агрегаты нередко...

05.04.2019

На территории Ташкентского металлургического предприятия начали привозить главное технологичное оснащение. В качестве поставщика выступила Группа предприятий «МетПром» в...

05.04.2019

С первого дня возникновения залоговых кредитов у заёмщиков появилась возможность брать значительные денежные суммы на лучших условиях, нежели в случае оформления...

05.04.2019

На сегодняшний день любая компания, работающая в химической отрасли, задействует в оде осуществления разнообразных процедур особое оснащение, где реализуются различные...

05.04.2019

Известная корпорация из Канады First Quantum Minerals, которая зимой текущего года передала в использование рудник по добыче медного сырья Cobre Panama на территории...

05.04.2019

ВВГнг-LS является силовым кабелем, обеспечивающим электрическое питание стационарных (в составе различных строений), а также мобильных (в условиях строительных площадок)...

Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением.

Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности.

Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации.

При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается.

Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации т >0,3 (обычно 0,4-0,7).

Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает е и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяжении образца.

Процесс сверхпластической деформации

Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в определенной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение.

Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала - это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.

Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1: 1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверхности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминие
вый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые сплавы, двухфазные сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав , состоящий из а-раствора и дисперсных частиц Al 3 Zr, и некоторые другие.

Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .

Условием пластичности называется условие перехода упругой деформации в пластическую , т.е. оно определяет точку перегиба на диаграмме растяжение-сжатие.

В линейном напряженном состоянии, например при растяжении образца, пластическая деформация начинается тогда, когда нормальное напряжение достигает предела текучести. То есть для линейного напряженного состояния условие пластичности имеет вид: .

Сен-Венан на основании этих опытов вывел условие пластичности. Он установил, что пластическая деформация наступает тогда, когда максимальное касательное напряжение достигает величины, равной половине предела текучести, т.е. . Но . Отсюда получаем .

Таким образом, условие пластичности Сен-Венана имеет вид:

Пластическая деформация наступает тогда, когда максимальная разность главных нормальных напряжений достигает величины сопротивления деформации, т.е.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .