Обновлено: 28.04.2024

Физические основы пластической деформации

1.1. Общие сведения об обработке металлов давлением

В основе всех процессов обработки металлов давлением (ОМД) лежит способность металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться, т. е., не разрушаясь, необратимо изменять свою форму и размеры. При этом изменяется структура металла, его механические и физические свойства.

Обработка металлов давлением известна с древнейших времен. Холодная ковка самородной меди и метеоритного железа была известна еще до того, как люди начали добывать металлы из руд (VII в. до н. э.). Техника обработки металлов давлением получила развитие в X. XIII веках, когда кузнецы научились изготавливать многослойные мечи и топоры со стальными закаливаемыми лезвиями, а также предметы бытового назначения, инструменты и ремесленные приспособления. Ручная ковка была исторически первым из применяемых до сих пор способов формоизменяющей обработки металлов. Первый паровой молот, появившийся в 1843 г., деформировал металл силой падения груза, а для поднятия которого использовался пар. В 1888 г. появился молот двойного действия, у которого верхняя «баба» при движении вниз дополнительно разгонялась силой пара. Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые сведения о прокатке относятся к XV в. (прокатка свинцовых полос). Основоположником современных методов прокатки принято считать английского изобретателя Г. Корта, изготовившего первый прокатный стан в 1783 г.

В настоящее время давлением обрабатывают около 90 % всей выплавляемой в мире стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов (до 60 %). В машиностроении наиболее широко применяется штамповка (горячая объемная и листовая). В современном автомобиле насчитывается до 90 % штампованных деталей (облицовочные детали, детали подвески, колесные диски, валы и шестерни коробки передач, детали двигателя (поршни, шатуны, коленчатые и распределительные валы, клапаны), тормозные колодки, бензобаки, глушители и др.), половина из которых не подвергается никаким другим видам обработки, в тракторе — 70 %. Современные двигатели конструктивно состоят из деталей (до 100 %), полученных ОМД.

Обработка металлов давлением — группа методов получения полуфабрикатов или изделий требуемых размеров и формы путем пластического деформирования заготовок за счет приложения внешних усилий.

Основными процессами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная и листовая штамповка. По назначению они подразделяются на следующие две группы:

1. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных профилей — изделий постоянного поперечного сечения по их длине (прутков, труб, проволоки, лент, листов и др.). К этим процессам относятся прокатка, прессование и волочение. Изделия, полученные этими методами, применяются в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей другими методами (резанием, ковкой, штамповкой и т. д.).

2. Процессы ОМД, направленные на получение машиностроительных заготовок, которые имеют форму и размеры, приближенные к готовым деталям, и только в рядечсалеув требуют обработки резанием для придания им окончательных размеров и получения необходимого качества поверхности. К этим процессам относятся ковка и штамповка.

При ОМД, во-первых, достигается получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и, во-вторых, улучшается кристаллическая структура исходного литого металла и повышаются его физико-механические свойства.

Преимуществами методов ОМД являются следующие:

1) низкая трудоемкость процессов и, следовательно, их высокая производительность;

2) рациональное использование металла (коэффициент использования металла (КИМ) приближается к единице);

3) стабильность размеров и относительно высокая точность изготавливаемых деталей при большой сложности их форм;

4) универсальность используемого прессового оборудования;

5) возможности для механизации и автоматизации технологических процессов;

6) простота осуществления процесса.

Главными недостатками методов ОМД являются следующие: относительно высокая стоимость инструмента (в условиях серийного производства она составляет до 14 % от себестоимости деталей), а также сложность и уникальность прессового оборудования.

1.2. Сущность пластической деформации

Следует отметить, что металлы характеризуются наличием металлической связи, когда в узлах атомно-кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие такой металлической связи и придает металлу способность подвергаться пластической деформации.

Пластичность — свойство твердого тела под действием внешних сил или внутренних напряжений, не разрушаясь, необратимо изменять свою форму и размеры. Такое изменение формы и размеров металлического тела называют пластической деформацией.

Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Механизмы пластической деформации. Как бы не были малы приложенные к металлу усилия, они вызывают его деформацию. Начальные деформации всегда являются упругими, и величина их находится в прямой зависимости от нагрузки (закон Гука). При упругой деформации под действием внешних сил изменяются расстояния между атомамилвликчреисктоай решетке. После снятия нагрузки атомы под действием межатомных сил возвращаются в исходное положение, и металл восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.

Скольжение. При пластической деформации одна часть кристалла необратимо сдвигается по отношению к другой на целое число периодов атомно-кристаллический решетки — смещается по так называемым плоскостям сдвига (скольжения). Следует отметить, что ими являются кристаллографические плоскости, в которых находится наибольшее количество атомов. Расположение этих плоскостей зависит от типа атомно-кристаллической решетки металла. У aжелеза, вольфрама, молибдена и других металлов с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой имеется шесть плоскостей сдвига (в каждой из них имеется по два направления сдвига) и так называемая система скольжения (имеет 6 × 2 = 12 элементов сдвига) (рис. 2.1, а). При этом g-железо, медь, алюминий и другие металлы с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой имеют четыре плоскости сдвига с тремя направлениями скольжения в каждой, т. е. 4 × 3 = 12 элементов сдвига (рис. 2.1, б). У цинка, магния и других металлов с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой имеется одна плоскость с тремя направлениями скольжения, т. е. три элемента сдвига (рис. 2.1, в). Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла.

Рис. 2.1. Плоскости и направления (заштрихованные плоскости) сдвига в кристаллической решетке: а — ОЦК; б — ГЦК; в — ГПУ

Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется тем, что при таком перемещении атомов из одного устойчивого равновесного положения в другое значения затрачиваемых усилий будут минимальными, и, следовательно, будут наименьшими необходимые для этого затраты энергии.

Если нагрузку снять, перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место и деформация сохранится. Наличие плоскостей скольжения в кристалле подтверждается при микроструктурном исследовании пластически деформированных металлов.

Двойникование. Скольжение или сдвиг по определенным кристаллографическим плоскостям является основным, но не единственным механизмом пластической деформации металлов. При некоторых условиях пластическое деформирование может также происходить путем двойникования. При пониженных температурах у металлов с ОЦК решеткой наблюдается переход от механизма скольжения к механизму двойникования. Сущность двойникования заключается в том, что под действием касательных напряжений одна часть зерна оказывается смещенной по отношению к другой части, занимая симметричное положение и являясь как бы ее зеркальным отражением (рис. 2.2).

Дислокационный механизм пластической деформации. Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений в сотни или даже тысячи раз превышающие по величине те, при которых в действительности протекает процесс

Рис. 2.2. Схема процесса двойникования

пластической деформации. В реальных металлах сдвигас(птилче ское деформирование) происходит при напряжениях, величина которых меньше теоретических в сотни и тысячи раз (например, для железа t_теор ≈ 2 600 МПа, а t_реал ≈ 290 МПа, для меди

t_теор ≈ 1 540 МПа, а t_реал ≈ 1 МПа). Такое расхождение объясняется дислокационным механизмом пластической деформации.

При дислокационном механизме пластической деформации скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокации, когда сдвиг происходит последовательно от атома к атому вблизи ядра дислокации. В этом случае усилие сдвига значительно меньше, чем при одновременном сдвиге всех атомов.

Данный процесс можно объяснить с помощью моделей движения гусеницы (рис. 2.3, а) и перемещения ковра (рис. 2.3, б).

Рис. 2.3. Дислокационный механизм пластической деформации: а — модель движения гусеницы; б — модель перемещения ковра

Гусеница перемещается путем последовательного подъема одной пары ног и перестановки их в новое место, а не за счет подъема всех ног одновременно и перемещения на шаг. Когда

все ноги гусеницы последовательно выполнят эту операцию, то она переместится на шаг (такой режим движения требует от нее значительно меньших усилий). Аналогичным образом происходит перемещение ковра по полу в случае прокатывания на нем складки, что требует значительно меньших усилий, чем, транспортировка ковра целиком.

Дислокационный механизм пластической деформации объясняетсядсулюещим образом. Атомы, расположенные в поле дислокации, возбуждены (их энергия повышена) и выведены из устойчивого положения равновесия с минимальной свободной энергией. Такое состояние кристалла является метастабильным. Поэтому для того чтобы ограниченная группа атомов в области дислокации сдвинулась и заняла новое устойчивое положение равновесия, достаточно приложить существенно меньшее напряжение, чем при их синхронном сдвиге, т. е. совершить незначительную работу и затратить при этом минимум энергии.

Механизм перемещения дислокации на атомном уровне представлен на рисунке 2.4.

Рис. 2.4. Схема перемещения дислокаций

Следует отметить, что силы взаимодействия атомов зависят от расстояния. В зоне дислокации расстояния атомов 3 и 4 от краевого атома 1 экстраплоскости 1 – 1 1 увеличены и связи между этими атомами утрачены. Под действием сдвигающей силы Р смещение плоскостей приводит к уменьшению расстояния 1 – 4 и увеличению расстояния 2 – 4. В результате этого связь между атомами 1 и 4 восстанавливается, а между атомами 2 и 4 обрывается. Дислокация перемещается на одно межатомное расстояние.

Таким образом, движение дислокации — это процесс последовательного разрыва и восстановления связей в кристаллической решетке. В результате пробега дислокации от одной границы кристалла до другой происходит смещение части кристалла на одно межатомное расстояние. Из совокупности пробегов дислокаций складывается общая деформация кристаллического тела.

1.3. Наклеп и рекристаллизация

Пластическая деформация поликристаллических тел (металлов и сплавов) имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией одного зерна (монокристалла). В поликристаллическом металле зерна (следовательно, и плоскости скольжения) имеют различную ориентировку (рис. 2.5, а). Из-за влияния соседних зерен деформирование каждого зерна не может совершаться свободно. Пластическая деформация на первой стадии начинается тогда, когда действующие напряжения превысят предел упругости. На первой стадии пластическая деформация может происходить лишь в отдельных зернах с благоприятной ориентировкой, у которых плоскости легкого скольжения совпадают с направлением максимальных касательных напряжений. В каждом зерне сдвиг происходит последовательно: сначала по одной плоскости, затем по другой и т. д. Кроме сдвига, происходит и поворот смещенных частей зерна в направлении уменьшения угла между направлениями плоскостей скольжения и направлением растягивающих сил. В результате сдвигов и поворота плоскостей скольжения зерно постоянно вытягивается в направлении растягивающих сил (рис. 2.5, б). Зерна удлиняются настолько, что напоминают волокна, поэтому структура деформированного металла называется волокнистой (рис. 2.5, в). Дальнейшая деформация (вторая стадия) приводит к дроблению зерен.

Рис. 2.5. Схема образования текстуры в поликристаллитном теле: а — исходное расположение зерен; б — изменение формы зерен при пластической деформации; в — текстура металла после деформации

В процессе межзеренных и внутризеренных сдвигов происходит искажение кристаллической решетки, удлинение и поворот зерен, их последующее дробление, что, в конечном итоге, затрудняет дальнейшее скольжение. Это вызывает возрастание сопротивления деформации. Кроме того, неравномерная деформация отдельных зерен приводит к возникновению внутренних напряжений, которые так же вызывают увеличение сопротивления деформации.

При холодной пластической деформациимиезнения структуры приводят к повышению твердости НВ и предела прочности металла σ_в, а также понижению его пластических (относительное удлинение δ) и вязкостных (ударная вязкость КС) свойств (рис. 2.6). Чем больше величина пластической деформации ε, тем значительнее эти изменения.

Рис. 2.6. Влияние степени деформации на механические свойства металлов

Изменение свойств и структуры металла в результате пластической деформации в холодном состоянии называется наклепом или упрочнением. Интенсивность нарастания наклепа по мере увеличения степени деформации неодинакова (в начальный момент деформирования она резко увеличивается, а затеммзеадляется ).

Наклеп не всегда является отрицательным фактором, затрудняющим процесс получения заготовки пластическим деформированием. Иногда его используют для получения изделия с необходимыми полезными свойствами (часто в сочетании с последующей термической обработкой). Так, холодной пластической деформацией можно в 2. 3 раза повысить предел прочности (особенно предел текучести). Например, гвозди должны быть изготовленыти могу применяться только из наклепанного металла. Гвозди, у которых наклеп снят термической обработкой (побывавшие в печи), к применению непригодны.

Следует отметить, что наиболее прочным материалом в современной технике является нагартованная (упрочненная) стальная проволока (в немецком языке слово hard означает твердость), получаемая в результате холодного волочения при ε = 80. 90 % и имеющая σ_в = 3 000. 4 000 МПа. Такая высокая прочность не может быть достигнута легированием и термической обработкой.

Понижение пластических свойств наклепанного металла может быть очень значительным. Например, у низкоуглеродистой стали относительное удлинение δ уменьшается почти в 6 раз (с 30. 35 до 5. 6 %).

При определенной степени деформации металл утрачивает пластичность настолько, что дальнейшее деформирование внешним усилием может привести к его разрушению.

Возврат и рекристаллизация. Деформированный металл по сравнению с недеформированным находится в неравновесном состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивоеувтнреннее состояние. При повышении температуры скорость таких процессов возрастает.

При нагреве до сравнительно низких температур протекает процесс возврата, т. е. снятие микронапряжений и частично искажений кристаллической решетки. Изменений структуры при этом еще не наблюдается. Возврат несколько изменяет свойства наклепанного металла (понижается его прочность и повышается пластичность). Возврат происходит при температуре (0,2. 0,3) Т_пл, °K.

При дальнейшем нагреве в результате теплового воздействия происходит перестройка кристаллов деформированного тела, зарождение новых зерен (кристаллов) и их рост. Такой процесс называется рекристаллизацией.

В результате рекристаллизации (рис. 2.7) образуются совершенно новые зерна, с неискаженной кристаллической решеткой. Размеры новых зерен могут сильно отличаться от исходных. Образование новых зерен приводит к резкому снижению плотности дислокаций и высвобождению энергии, накопленной при пластической деформации металла. В результате рекристаллизации металл разупрочняется и восстанавливает свои первоначальные свойства, а его зерна становятся равноосными.

Рис. 2.7. Изменения микроструктуры деформированного металла при нагреве:

а — наклепанный металл; б — начало первичной рекристаллизации; в — завершение первичной рекристаллизации; г, д — стадии собирательной рекристаллизации

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Для алюминия она составляет ~2 %, для железа и меди — ~5 %. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит.

Наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен, называется температурой рекристаллиза- ции Т_рекр. Рекристаллизация для технически чистых металлов происходит при температурах Т_рекр ≥ 0,4 Т_пл, °K. Температура рекристаллизации Т_рекр. некоторых металлов представлена в таблице 2.1.

Наклеп и рекристаллизация

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций r_кр, когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σ_В, σ_0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Второй способ – создание металлов и сплавов с бездефектной структурой – является более прогрессивным. В настоящее время получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

Рис. 3.9. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.9). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:

· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата);

· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации);

· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации).

Процесс рекристаллизации начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением деформированного зерна мелкими равноосными зернами (первичная рекристаллизация), в результате чего полностью снимается наклеп, созданный при пластическом деформировании (снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность), металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения (рис. 3.10). Плотность дислокаций после рекристаллизации снижается с 10 10 –10 12 до
10 6 –10 8 см -2 .

Рис. 3.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения
в процессе нагрева деформированного металла

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации.

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности, называют температурным порогом рекристаллизации Т_ПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличением длительности нагрева или уменьшением величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации Т_ПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Т_ПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)Т_ПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)Т_ПЛ.

Изменения структуры и свойств металлов при пластической деформации. Рекристаллизация

Пластическую, которая остается после окончания действия приложенных сил.

При пластическом деформировании меняется не только внешняя форма металлического тела, но и его структура, а это влечет за собой изменение механических свойств.

Под действием внешних усилий первоначально округлые зерна вытягиваются в направле­нии пластического течения и при больших степенях деформации могут принять форму волокон

Происходят изменения и во внутреннем строении каждого зер­на, которое представляет собой совокупность огромного числа элементарных кристаллических ячеек и содержит дефекты кристал­лического строения в виде вакансий, инородных атомов и дисло­кации. Наибольшее влияние на изменения в структуре и свойствах металлов оказывают дислокации. Пластическая деформация осущест­вляется путем скольжения одних атомных плоскостей относительно других, для чего затрачивается энергия внешних сил. Если в плоскости скольжения имеются дислокации, то затраты энергии на деформирование снижаются в десятки раз, т.к. благодаря им перескок огромного числа атомов, находящихся в плоскости скольжения, из своих узлов в соседние совершается не одновре­менно, а последовательно (эффект домино).

Рекристаллиза́ция— процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других. Скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов

Как уже отмечалось, при обработке металлов давлением одновременно могут протекать процессы упрочнения и разупрочнения. Поэтому окончательные результаты влияния деформации на структуру и свойства металлов зависят от того, какие из этих процессов будут влиять сильнее. В связи с этим С. И. Губкин предложил различать горячую, неполную горячую, неполную холодную и холодную деформации.

Процесс горячей деформации протекает при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, поэтому в результате нее металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна заменяют все деформированные зерна, и искажения кристаллической решетки отсутствуют.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться во время деформации, так как ее скорость ниже, чем скорость деформации. Наряду с рекристал-лизованными зернами часть зерен в металле остается деформированной, и металл частично упрочняется. В нем могут возникать значительные остаточные напряжения, способные привести к разрушению материала. Этот вид деформации наиболее вероятен при температурах, незначительно превышающих температуру рекристаллизации. Кроме того, вероятность этого вида деформации увеличивается с возрастанием скорости деформации. Неполной горячей деформации следует избегать (особенно при обработке литого металла), так как она приводит к резкому снижению качества заготовок. Этот вид деформации часто наблюдается в сплавах с малой скоростью рекристаллизации (например, в некоторых многофазных алюминиевых или магниевых сплавах). Поэтому целесообразно проводить деформирование таких сплавов с низкими скоростями.

Неполная холодная деформация - это деформация, при которой рекристаллизация не происходит, но успевает пройти процесс возврата, который устраняет неравновесные избытки точечных дефектов, и перестраивается дислокационная структура, формирующаяся при деформации. В результате возврата плотность дислокаций снижается. Температура неполной холодной деформации располагается выше температуры начала возврата, а скорость деформации не превышает скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, а интенсивность упрочнения понижается. Пластичность металла после этого вида деформации выше, чем у металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.

При холодной деформации разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) не происходят, и металл после нее только упрочняется. Температурный интервал холодной деформации расположен ниже температуры начала возврата, приблизительно от 0 до (0,2-0,25)7’пл.

Согласно приведенной классификации холодная и горячая деформация не связаны с конкретными температурами нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация легкоплавкого чистого свинца при комнатной температуре относится к горячей деформации, так как температура рекристаллизации этого металла расположена в области отрицательных температур.

В обработке металлов давлением горячую пластическую обработку металлов применяют чаще, хотя она дороже и сложнее холодной. Применение горячей обработки оправдано повышением пластичности металлов и снижением усилий на деформацию. Благодаря горячей обработке давлением можно деформировать крупногабаритные заготовки и снижать мощность деформирующего оборудования. Холодная деформация используется обычно на конечных стадиях получения изделий для обеспечения точности размеров и высокого качества поверхности.

Изменение структуры металла при прокатке

Рис. 2.9. Изменение структуры металла при прокатке

Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, включающие изменение формы кристаллитов, их кристаллографической пространственной ориентировки и внутреннего строения каждого кристаллита. Основное изменение формы кристаллитов заключается в вытягивании их в направлении главной деформации растяжения, тогда структура становится волокнистой (рис. 2.9). Кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку, возникает текстура деформации. Это одно из важнейших следствий кристаллографической направленности скольжения в каждом зерне по определенным плоскостям и направлениям пространственной решетки.

Важнейшее изменение внутреннего строения каждого кристаллита при холодной деформации - увеличение плотности дислокаций. Она может возрасти на 5-6 порядков. Кроме того, растет концентрация вакансий, появляются участки с локальной разориентировкои кристаллической решетки. При не слишком низкой энергии дефектов упаковки образуются микрополосы и формируется ячеистая структура.

Из-за волокнистости структуры и наличия текстуры деформации хо-лоднодеформированный металл характеризуется анизотропией свойств. Поэтому для оценки механических свойств изделий, полученных холодной деформацией, необходимо испытывать образцы, вырезанные как вдоль, так и поперек направления деформации. В связи с этим в таких изделиях различают долевые, поперечные, а в объемных полуфабрикатах еще и высотные свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость поперечных образцов ниже, чем долевых. Причина в том, что при вырезке поперек волокон возрастает число межзеренных границ, обогащенных примесями, которые менее пластичны, чем тело зерна.

Пластическая деформация металлов

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация делится на упругую и пластическую.

Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства те­ла полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных из­менений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относи­тельное и полностью обратимое смещение атомов.

Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел или порог упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осущест­вляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смеще­ние) отдельных частей кристалла относительно друг друга про­исходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τ_к).

Схема упругой и пластической деформаций металла с куби­ческой структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 18. Эта схема дает наглядное представление о смещении атомов в соседних плоскостях при сдви­ге на одно межатомное расстояние.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плос­костям, и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов где величина сопротивлению сдвигу (τ_к) наименьшая, а сама величина τ значительна. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической дефор­мации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую ре­шетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексаго­нальной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, подда­ются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относи­тельно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протека­ет процесс деформации.

Рис. 18. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжения, обусловившие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.

Рис. 19. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация переместилась на дно; г – на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; д – выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, что показано на рис. 19. Чтобы дислокация из исход­ного положения 1 переместилась в соседнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла на одно меж­атомное расстояние.

Достаточно, чтобы произошли следующие перемещения атомов: атом 1 в положение атома 2, атом 3 — в 4, атом 5 — в 6, атом 7 — в 8, атом 9 — в 10, атом 11 — в 12, атом 13 — в 14, атом 15 — в 16 и атом 17 — в 18. Также смещаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.

Незначительные перемещения атомов в области дислокации приводят к перемещению дислокаций на одно межатомное расстояние.

Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызыва­ет появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых метал­лов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после дефор­мации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил τ, образуя во­локнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориенти­ровка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относи­тельно внешних деформирующих сил получила название тек­стуры (текстура деформации).

Наклеп. С увеличением степени де­формации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_т, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластич­ность (δ и φ) уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа де­фектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов).

Все дефекты кристалличе­ского строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление дефор­мации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет, увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. В результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную про­ницаемость.

Свойства пластически деформированных металлов.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопро­тивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл за­пасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плот­ность дислокаций возрастает до 10 9- 10 12 см -2 ) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).

При деформировании увеличиваются проч­ностные характеристики (твердость;σ_в; σ_0,2; σ_упр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; а_н). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформи­рования, после 40%-ной дефор­мации механические свойства меняются незначи­тельно. С увеличением степени деформации пре­дел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления).

Обе характери­стики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое со­стояние наклепанного металла яв­ляется предельным, при попытке про­должить деформирование металл разрушается.

Путем наклепа твердость и временное сопротивле­ние (предел прочности) удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести — в 3-7 раз при максимально возможных де­формациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются силь­нее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения ме­ха­нических свойств деталей, изготовленных методами холодной обра­ботки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе исполь­зуют для улучшения обрабатываемости резанием вяз­ких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у боль­шинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве подразделяют на две основ­ные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат про­исходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристал­лов с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекри­сталлизации образуются совершенно новые, чаще всего, равноосные кристаллы.

Возврат. Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформи­рованных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию воз­врата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается коли­чество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений.

Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровож­дается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Полигонизация — это процесс разделения деформиро­ванных зерен металла на полигоны — области с малой плотностью дислокаций. Эти области называются бло­ками. Процесс полигонизации протекает в интервале температур отдых — рекристаллизация и заканчивается созданием блочной структуры.

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упру­гих искажений кристаллической решетки и более полно­му восстановлению физических свойств металла. Меха­нические свойства его при этом изменяются незначитель­но. Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, за­ключающаяся в зарождении и росте новых неискажен­ных равноосных зерен (рис. 21).

При первичной рекристаллизациив деформированной среде зарождаются и растут равноосные зерна до тех пор, пока полностью не исчезнет текстура, созданная деформацией. Зародышами зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллиза­ции). После исчезновения текстуры металл приобретает равновесную мелкозернистую структуру.

Суммарная протяженность границ мелких зерен ве­лика. Граничные зоны зерен представляют собой тонкие (в несколько атомных слоев) сильно искаженные облас­ти, так как здесь сопрягаются кристаллические решетки различно ориентированных стыкующихся зерен, сюда стекаются точечные дефекты и дислокации. Поэтому граничные зоны зерен и характеризуются высокими зна­чениями энергии (поверхностной энергии), которая уменьшается за счет округления зерен и дальнейшего их роста путем фронтального перемещения граничных зон растущих зерен и поглощения мелких.

Атомы из мелких зерен диффундируют через границу в растущие зерна, отчего первые постепенно исчезают, а вторые разраста­ются. В результате число зерен структуры металла умень­шается, а их размеры увеличиваются. Рост одних равно­осных зерен за счет исчезновения других представляет собой собирательную рекристаллизацию.

Температура начала рекристаллизации зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала и содержания примесей в нем. Определено, что

где Т_рекр— абсолютная минимальная температура рекри­сталлизации; α — коэффициент, учитывающий вышепере­численные факторы; Т_пл — абсолютная температура плав­ления данного вещества.

Минимальная температура рекристаллизации железа и других металлов технической чистоты определяется по формуле А. А. Бочвара:

Термическая операция, заключающаяся в нагреве де­формированного (текстурованного) материала до темпе­ратуры выше Т_рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи), называется рекристаллизационным отжигом.

Рис. 21. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией.

Практически температура рекристаллизационного от­жига выбирается выше расчетной (обычно на 200. 300°С), так как чем выше температура нагрева, тем быстрее про­текает рекристаллизация, характеризующаяся, в частно­сти, уменьшением твердости металла. Для же­леза и низкоуглеродистой стали температура рекристал­лизационного отжига принимается равной 650. 700°С.

Для того чтобы в металле при нагреве протекала ре­кристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предварительная холодная обработка (критическая сте­пень деформации ε_кр для железа равна 5. 6 %, для мало­углеродистой стали — 7. 15, для меди — около 5, для алюминия — 2. 3 %).

При рекристаллизации после де­формирования материала с ε_кр зерно растет в нем особен­но сильно и может увеличиться по сравнению с исходным во много раз. Выбирая степень деформации и температу­ру рекристаллизационного отжига, можно получить в металле зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко используют для управления формой и раз­мерами зерен, текстурой и свойствами металлов и сплавов.

Создание текстуры и наклеп возможны только в слу­чае холодного деформирования металла. Обработка дав­лением называется холодной, если она совершается при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячей — при температу­рах выше температуры рекристаллизации.

При горячей обра­ботке давлением одно­временно с пластиче­ской деформацией ме­талла протекает рекри­сталлизация, которая продолжается и после деформации до тех пор, пока температура ме­талла не станет ниже Т_рекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.

Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации. Наклеп.

- изменение внутреннего строения зерна (повышается плотность дислокаций, формируется ячеистая структура).

С увеличением степени деформации все заметнее становятся изменения в микроструктуре деформируемого металла: все большее число зерен приобретает не равноосную, а вытянутую форму. При степени деформации 70-80 % практически все зерна вытягиваются в направлении действия растягивающих напряжений (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Изменение микроструктуры металла

при наклепе (e – степень деформации)

Увеличение плотности дислокаций затрудняет дальнейшее скольжение. Для того, чтобы продолжать деформацию металла, нужны большие напряжения. Металл упрочняется, его сопротивление деформированию возрастает. Это означает, что происходит повышение его прочностных характеристик (σ_0,2 - предела текучести условного, σ_Т - предела текучести физического, σ_В - временного сопротивления разрыву) и твёрдости (НВ). Но в то же время наблюдается снижение характеристик пластичности (d - относительного удлинения, y - относительного сужения) и вязкости (KCU – ударной вязкости) – (рисунок 3.7). Описанное изменение свойств называют деформационным упрочнением.

Рисунок 3.7 - Изменение механических

свойств металла при наклепе:

1 – σ_В - временное сопротивление разрыву;

2 – σ_0,2 - предел текучести условный;

3 - d - относительное удлинение.

Из графика зависимости механических свойств от степени деформации (рисунок 3.7) видно, что наиболее сильно металл упрочняется в начале деформирования, а затем с ростом деформации упрочнение замедляется. Предел текучести условный σ_0,2 растет быстрее временного сопротивления разрыву (предела прочности) σ_В.

У сильно деформированных металлов значения предела текучести и предела прочности практически равны, а величина пластичности близка к нулю. Это состояние металла характеризуется как предельное деформированное, предшествующее разрушению. Плотность дислокаций составляет p=10 12 см -2 , бóльшую их плотность создать невозможно, так как неизбежно возникают зародыши трещин.

В результате сильной пластической деформации предел прочности и твердость могут увеличиться в 1,5-3 раза, предел текучести – в 3-7 раз.

Физические свойства металлов тоже изменяются, например, уменьшаются электропроводность, магнитная проницаемость, плотность. Наблюдается изменение химических свойств: снижается стойкость против коррозии в различных газовых средах, увеличивается растворимость металлов в кислотах и щелочах.

Вся совокупность изменений структуры и свойств металлов и сплавов, вызванная холодной пластической деформацией, называется наклёпом (нагартовкой).

Явление наклёпа используется с целью повышения конструктивной прочности материала деталей при холодной обработке давлением, в частности, с целью поверхностного упрочнения деталей (оси, валы, зубчатые колеса, подшипники, поршни, цилиндры).

В результате наклёпа в поверхностном слое обработанной детали создаётся благоприятная система остаточных напряжений, за счёт чего повышается усталостная прочность и износостойкость. Для создания более прочного и твёрдого поверхностного слоя применяют различные способы обработки поверхности, например, обкатку роликами, дробеструйную обработку, выглаживание, накатывание, дорнование.

Из практики известно, что вязкие металлы и сплавы (железо, алюминий, медь, латуни, алюминиевые сплавы) лучше обрабатываются резанием в наклёпанном состоянии, что подтверждает эффективное использование наклёпа в технологии обработки материалов.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.006)

Читайте также:

  
• На каком металле образуется патина
  
• Щелочной металл натрий получают
  
• Циркуль для резака по металлу своими руками
  
• Карандаш сварщика по металлу
  
• Расчет металлической балки на прочность