Обновлено: 11.05.2024

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.

Холодная и горячая деформация

Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными словиями деформирования, в зависи­мости от которых различают холодную: горячую деформацию.

Холодная деформация характеризует-ся изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов (рис. 3.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изме­нением механических и физико-химичес­ких свойств металла. Это явление назы­вают упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств со­стоит в том, что при холодной пла­стической деформации по мере ее уве­личения возрастают характеристики прочности, в то время как характери­стики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей сколь­жения, увеличения искажений кристал­лической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислока­ций у границ зерен).

Изменения, внесенные холодной де­формацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет до­полнительной тепловой энергии, увели­чивающей подвижность атомов, в твер­дом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. Так как в рав­номерном температурном поле ско­рость роста зерен по всем направлени­ям одинакова, то новые зерна, появля- ющиеся взамен деформированных, име­ют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформиро­ванных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Рекристаллизация протекает с определенной скоростью, причем вре­мя, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации, наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряже­ния возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородно­сти распределения деформаций при пла­стическом деформировании и т. д. Остаточные напряжения создают си­стемы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не на­груженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на неко­торые его физико-химические свойства. Так, в результате возврата значительно повышается электрическая проводи­мость, сопротивление коррозии холод-нодеформированного металла.

Формоизменение заготовки при тем­пературе выше температуры рекристал­лизации сопровождается одновремен­ным протеканием упрочнения и ре­кристаллизации.

Горячей деформацией называют де­формацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирова­ния и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микро-

структура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис. 3.1, б).

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.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Холодная деформация металла сопровождается интенсивным упрочнением с образованием больших остаточных напряжений. Прочность металла в результате холодной деформации резко увеличивается, а пластичность сущест-ственно уменьшается. [1]

При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклепанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей свободной энергией. Восстановительные процессы ( или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кристаллитах. Так как эти процессы при комнатной температуре для большинства металлов протекают медленно и совершаются путем перемещений атомов, решающее влияние на эти процессы оказывает температура. [2]

При холодной деформации металлов чаще других используют цинкфосфатные пленки, что очевидно связано с относительно малым значением их коэффициента трения по сравнению с другими видами пленок. [3]

При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклепанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей свободной энергией. Восстановительные процессы ( или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кристаллитах. Так как эти процессы при комнатной температуре для большинства металлов протекают медленно и совершаются путем перемещений атомов, решающее влияние на эти процессы оказывает температура. [4]

На эффективность холодной деформации металла оказывают влияние не только физико-химические свойства фосфатной пленки, но также и природа применяемой при этом смазки или пропитывающего вещества. [5]

Термическая обработка и холодная деформация металлов могут оказывать влияние на их склонность к питтинговои коррозии вследствие изменения дефектности структуры, причем степень и направление влияния могут быть различными и зависят как от свойств самого металла, так и от конкретного типа его обработки. Так, например, слабые деформации могут приводить к росту склонности металлов к питтинговои коррозии вследствие повышения плотности дислокаций, появления линий скольжения и т.п., а сильные деформации, повышающие однородность его структуры, могут, напротив, способствовать увеличению питтингостойкости. [6]

Механические свойства наклепанного холодной деформацией металла после отжига при различных температурах существенно меняются. Типичные кривые изменения механических свойств приведены на рис. 27, где указаны также происходящие при этом изменения структуры. Как видно, после возврата, вызванного низкотемпературным отжигом, слегка понизилась прочность и повысилось удлинение. [7]

Сущность антифрикционного действия фосфатных пленок при холодной деформации металлов еще окончательно не выяснена. Однако установлено, что наблюдаемую при этом процессе пластическую-деформацию кристаллов, обладающих высокой твердостью и одновременно хрупкостью, нельзя рассматривать как результат скольжения кристаллов фосфатов, составляющих пленку. [8]

Известно также, что упрочнение при холодной деформации металлов связано с искажением элементарной ячейки. [9]

Процесс рекристаллизации является неотъемлемой технологической операцией при любой холодной деформации металла . Благодаря рекристаллизации происходит полное восстановление механических свойств металла и перерождение его структуры, в результате чего обеспечивается возможность дальнейшей его холодной деформации. [11]

Снижение скорости растрескивания латуни в растворе сулемы при увеличении степени холодной деформации металла прокаткой отмечает Бобылев [6] ( фиг. [12]

У потребителей возникают не меньшие трудности, связанные главным образом с холодной деформацией металла , например при вальцовке, гибке, штамповке и других операциях. При холодной правке толстого листа или разрезке его на гильотинных ножницах часто образуются трещины и сколы. [13]

Разрушение в условиях ударно-усталостного изнашивания проявляется наиболее полно при работа штам-нового инструмента при холодной деформации металла . Легированные стали оказываются более износостойкими, чем углеродистые. [15]

Холодная и горячая пластическая деформация

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенной нагрузки. Сила, приложенная к телу, обычно не перпендикулярна к нему, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения подразделяют: на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Первая составляющая вызывает нормальные растягивающие напряжения, которые приводят к хрупкому разрушению металла путем отрыва без заметных признаков пластической деформации. Касательные составляющие вызывают касательные напряжения τ, которые приводят к пластической деформации, заканчивающейся вязким разрушением.

Пластическая деформация в металле осуществляется путем: скольжения, двойникование и межзеренного перемещения.

Скольжение происходит путем перемещения (скольжения) одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений τ (рис. 3.1.).

Рис.3.1. Схема пластической деформации скольжением.

Легче всего скольжение идёт по плоскостям, наименее густо усеянным атомами, так как она наиболее удалены друг от друга, и поэтому их легче сдвинуть друг относительно друга.

Большую роль в скольжении играют дислокации - они облегчают скольжение (рис.3.2).

Рис.3.2. Движение линейной дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла

Под действием τ разрывается связь между атомами 1 и 2 в плоскости скольжения и возникает связь между атомами 2 и 3. В результате дислокация продвигается вперед на одно межатомное расстояние и т.д. - это элементарный акт пластической деформации. При выходе дислокации из кристалла на поверхности его образуется уступ (ступенька) в один период решетки. Под действием τ срываются новые атомные плоскости и образуются новые ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла. Следовательно, для продвижения дислокации не нужно разрывать связь между всеми атомами в плоскости скольжения, разрывается связь между атомами только у края дислокации. Этим и объясняется, что реальная прочность металла значительно ниже теоретической прочности.

Под теоретической прочностью металла - понимают сопротивление металла пластической деформации и разрушению, которое должно быть в металле, исходя из того, что при этом одновременно разрывается связь между всеми атомами в плоскости скольжения. Например, теоретическая прочность для железа равна 1340 кг/мм , а реальная прочность для железа составляет 30 кг/мм . Такая большая разница объясняется тем, что при движении дислокации нужно разрушать связь между атомами только у края дислокации и, следовательно, усилия для этого потребуются значительно меньшие.

Двойникование - это зеркальнообразное перемещение одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений (рис.3.3).

Рис.3.3.Схема пластической деформации двойникованием

Межзёренное перемещение (рис. 3.4). Под действием растягивающего усилия Р деформация пойдёт прежде всего в 1 зерне, где направление легкого скольжения совпадает с действием силы Р. Оно вытягивается, а соседние зёрна при этом поворачиваются до тех пор, пока направление легкого скольжения не совпадет с Р, а затем пойдет и в них деформация и т.д.

В результате после деформации получим волокнистую структуру (рис. 3.4,б), и механические свойства в разных направлениях будут неодинаковы. Вдоль действия силы Р пластичность будет выше, а поперек - ниже, при этом прочность σ_в будет меняться наоборот. Различие механических свойств, вдоль действия силы (прокатки) и поперек - это анизотропия механических свойств. Может оказаться, что в направлении действия силы выстраиваются только плоскости легкого скольжения, и это называется текстурой деформации.

Рис.3.4. Изменение структуры в металле под действием пластической деформации

Явление наклёпа. (деформационное упрочнение) Под действием пластической деформации меняется структура, а следовательно, должны меняться и свойства (рис. 3.5).

Рис.3.5. Влияние степени деформации на механические свойства металла

Наклеп (нагортовка) - это повышение прочностных свойств за счет снижения пластических под действием деформации. Наклеп объясняется:

1) повышением плотности дислокаций;

2) искажением кристаллической решетки;

3) дроблением зерен;

4) образованием мелкоячеистой субструктуры;

5) повышением плотности вакансий.

Степень пластическойдеформации определяется по формуле:

3.2. Назначение рекристаллизационного отжига. Первичная и собирательная рекристаллизация. Понятие о критической степени деформации.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Если всю энергию, затраченную на деформацию, принять за 100% , то 90% уходит в тепло, а 10% остается в металле, то есть энергия Гиббса в нем на 10% выше. Поэтому структура после деформации неустойчива и в определенных температурных условиях, когда появляется диффузионная подвижность атомов, идет переход к более устойчивой зернистой структуре - рекристаллизация.

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры.

При нагреве в металле идут следующие процессы:

1) отдых металла (возврат первого рода);

2) возврат второго рода (полигонизация);

3) первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки);

4) собирательная рекристаллизация;

Отдых металла (возврат первого рода). Наблюдается до 0,2 Т_пл К о . При этом подвижность приобретают точечные дефекты (вакансии и дислоцированные атомы) и происходит уменьшение плотности этих дефектов. Механические свойства и структура не меняются, но некоторые физические свойства, такие как электропроводность, полностью восстанавливаются, хотя изменений в микроструктуре нет.

Возврат второго рода (полигонизация). Наблюдается при температурах до 0,3 Т_пл, К о . При этом подвижность приобретают дислокации. Полигонизация идет только в изогнутых кристаллах, где наблюдается избыток дислокации одного знака (рис. 3.6,а). После деформации дислокации распределяются произвольно, статистически. При нагреве они приобретают подвижность и выстраиваются в ряды - стенки (субграницы), образуя как бы многоугольник (polygon - многоугольник) (рис. 3.6,б). В результате получаем полигональную структуру. При дальнейшем повышении температуры субзерна растут. Далеко зашедшая полигонизация есть начальная стадия рекристаллизации.

Рис.3.6. Схема полигонизации в деформированном металле

Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки). Наблюдается при более высоких температурах, например для чистых металлов (0,3. 0,4) Т_пл, К о . При этом приобретают диффузионную подвижность атомы и наблюдаются изменения в микроструктуре, то есть наряду с вытянутыми деформированными зернами появляются равноосные рекристаллизованные зерна - это температура начала рекристаллизации Тн р. (рис. 28).

Рис.3.7. Микроструктуры после деформации (а) и рекристаллизации (б)

При повышении температуры количество равноосных зерен увеличивается, а деформированных уменьшается. Температура, когда полностью исчезают деформированные зерна, называется температурой конца рекристаллизации Т_кр. Равноосные зерна имеют более совершенное кристаллическое строение и более низкую плотность дислокаций.

В деформированном металле образуются зародыши рекристаллизованной фазы. У них энергия на 10% ниже, а вокруг энергия на 10% выше, и эти зародыши самопроизвольно растут с понижением энергии. В результате после рекристаллизации получаем структуру с равноосными рекристаллизованными зернами (рис. 3.7,6).

Образование и рост равноосных зерен с более совершенным кристаллическим строением, окруженных высокоугловыми границами, за счет деформированных зерен той же фазы называется первичной рекристаллизацией. Зародышами для рекристаллизации являются более крупные субзерна с более совершенным кристаллическим строением.

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры. Температура начала рекристаллизации определяется по формуле Т_нр=α Т_пл (Температуры в градусах Кельвина), где α - коэффициент, зависящий от химического состава и структуры, для чистых металлов, α = 0,3 . 0,4; для твёрдых растворов α = 0,5. 0,6.

Температура начала рекристаллизации зависит от:

а) продолжительности отжига. В сильно деформированном металле с увеличением времени отжига Т_нр понижается и через 1…2 часа достигает постоянной величины.

б) степени деформации. С увеличением ее Т_нр понижается.

в) наличия примесей. Чем чище металл тем ниже Т_нр.

Собирательная рекристаллизация.

После первичной рекристаллизации мы получаем мелкозернистую структуру. При дальнейшем нагреве эти зёрна самопроизвольно растут более или менее равномерно. При этом поверхность границ зёрен, а следовательно, и энергия Гиббса, уменьшаются. Уровень механических свойств после рекристаллизации зависит от размера зерна. С увеличением температуры и времени отжига размер зерна увеличивается и КС понижается. Кроме того, размер зерна зависит от степени пластической деформации. ε_кр для разных металлов находится в пределах от 3 до 15%.

При деформации со степенью обжатия меньше ε_кр рекристаллизация не идет, так как степень обжатия небольшая и заметных изменений в микроструктуре еще нет. При деформации с обжатием выше ε_кр в металле идет рекристаллизация, причем чем больше степень обжатия, тем больше возникает зародышей, размер зерна уменьшается.

При ε_кр мы получаем самое крупное рекристаллизованное зерно, что приводит к резкому охрупчиванию металла. С повышением температуры отжига диффузионная подвижность атомов возрастает и размер рекристаллизованного зерна увеличивается, а ε_кр уменьшается. На рис. 3.8 показано изменение механических свойств при рекристаллизации.

Рис.3.8. Влияние нагрева на механические свойства металла упрочнённого холодной деформацией.

Т₁, - перегрев за счет собирательной рекристаллизации. Зерна укрупняются, и при этом резко падает ударная вязкость;

Т₂ - пережог идет процесс окисления по границам зерен, и механические свойства ухудшаются катастрофически.

Холодная пластическая деформация проводится при температурах ниже Тн р ; при этом всегда есть наклеп. Для снятия наклепа надо провести рекристаллизационный отжиг.

Горячая пластическая деформация проводится при температурах выше Тн р . Если скорость деформации выше скорости рекристаллизации, то наклеп полностью не снимется, и наоборот.

Читайте также:

  
• Металлический соусник предназначен для подачи
  
• Свойства металлов и сплавов черных
  
• Что на рынке черных металлов
  
• Нагрев и медленное охлаждение металла
  
• Размер металлической печи для бани