Глава 5. Обработка заготовок методами

ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

(ДАВЛЕНИЕМ).

§ 5.1. Сущность процесса пластического деформирования

металлов и сплавов.

При воздействии на металл внешних сил, создающих в нем напряжения, превышающие пределы текучести, появляются остаточные деформации. Такое необратимое изменение форм называется пластической деформацией.

Технологические процессы изменения формы и размеров заготовок под действием внешних сил, вызывающих пластичекую деформацию называются обработкой давления.

Применяются следующие виды обработки:

1) прокатка; 2) прессование; 3) волочение; 4) ковка; 5) штамповка; 6) вальцовка обечаек, труб; 7) гибка труб; 8) правка листов; 9) накатка резьб; 10) упрочнение деталей поверхностной пластической деформацией и др.

Некоторые из схем обработки давлением изображены на рис. 5.1.

При прокатке (рис.5.1,а) разогретый слиток (отливка) металла пропускается между двух валков. После пластической деформации образуются листы определенной ширины и толщины, круги, шестигранники, профили ….

В процессе волочения пруток втягивается через фильеру (волоку). Так делают проволоку, прутки.

Во время прессования (рис. 5.1,б) заготовка металла, размещается в камере, и под действием плунжера продавливается через матрицу (насадок), имеющую соответствующую форму. Так можно получать фигурные профили. Заготовка может быть разогретой или нет. Этим способом изготавливают детали, не получающиеся прокаткой или волочением.

При свободной ковке (рис. 5.1,в) разогретая заготовка 2 размещается на наковальне 1. Молот 3 ручным или другим способом, например паровоздушным, падает с некоторой скоростью  и деформирует соответствующим образом заготовку.

Рис.5.1. Схемы методов пластического деформирования:

а) прокатка; б) прессование; в) свободная ковка (1- наковальня; 2- слиток;

3- молот); г) штамповка; д) гибка листовая (1- лист; 2- валки); е) гибка

стержней (1- шпиндель; 2- стержень; 3- направляющая; 4- сектор

с гидравлическим захватом).

В процессе штамповки (рис. 5.1,г) разогретая заготовка размещается на нижнем штампе. Затем верхний штамп посредством, например, пресса или удара молота воздействует на заготовку и деформирует ее. Таким способом можно получать поковки.

Для получения цилиндрических обечаек или изогнутых листов заготовку размещают между валками (рис. 5.1,д) и многократно прокатывают, последовательно увеличивая усилие F.

На рис.5.1,е изображена схема гибки труб, стержней различного профиля. Здесь заготовка 2 закрепляется в шпинделе 1 и зажимается захватом на секторе 4, в котором выполнен рабочий ручей. После пуска двигателя происходит продольное перемещение шпинделя и практически одновременное с ним вращение сектора. Направляющая 3 предотвращает недопустимый изгиб заготовки до зоны гиба.

Уровень пластической деформации в технологических процессах машиностроения, приборостроения во многом определяет уровень производства в стране. Обработка давлением характерна минимальным расходом металла, высокой производительностью. При этом обычно повышается качество металла, т.к. его волокна не перерезаются, а изгибаются, исправляются дефекты.

Физические процессы при пластической деформации весьма сложны и до сих пор имеется весьма много неясностей. Предложено несколько гипотез пластичности. При этом отмеченное явление рассматривается как с позиций атомных движений, так и с позиций механики сплошных сред.

Дислокационная гипотеза, сформулированная в 1928- 1936 г.г., широко распространена. Она во многом объясняет расхождений теоретических и экспериментальных исследований касательных напряжений соответствующих началу сдвига.

Выше было показано, что атомы в кристаллической решетке находятся на некотором расстоянии друг от друга, обусловленным определенным соответствием между силами притяжения и отталкивания в кристалле. Чтобы произошел сдвиг атомных плоскостей напряжение должно соответствовать выражению = G , где G - модуль сдвига;  - относительный сдвиг. Теоретический расчет, учитывающий смещение атомных плоскостей, дает критическое значение = 5000 МПа. Однако из опыта получены значения на 2-3 порядка меньшие. Согласно дислокационной гипотезе, в реальных кристаллах всегда имеется особый вид изъяна- дислокация, отсутствие на ограниченном протяжении отдельных атомных плоскостей. В этом случае скольжение происходит по тем плоскостям, где имеется этот изъян. Эта гипотеза дала объяснения некоторым фактам.

Согласно представлениям Френкеля Я.И., Конторовой Т.А. в основе явления пластической деформации может лежать особый, возможный в определенных условиях тип перемещения атомов, представляющий собой последовательный взаимосогласованный переход частиц данного атомного ряда из одних положений равновесия в другие. Такой переход частиц приводит к постепенному сдвигу этого ряда по отношению к соседним атомным рядам. Процесс постепенного распространения сдвига в правильной кристаллической решетке неизбежно сопровождается образованием сгущений, разрежений атомов, выскакиванием некоторых атомов из узлов. Эти явления существуют временно и являются следствием сдвига, а не причиной. Они носят динамический характер.

Теория Степанова А.В. основана на том, что необходимое изменение формы, происходящее в результате пластической деформации, рассматривается как результат потери упругой устойчивости атомной системой, которая наступает при достижении критического значения внешней нагрузки. Потеря устойчивости кристаллической решетки происходит при критических напряжениях, значительно меньших, чем напряжения, необходимые для преодоления сил межатомных связей, и является функцией деформирования, убывая с повышением температуры.

Все свойства монокристаллов различны в разных направлениях. Так, в монокристалле различают модуль продольной упругости, обозначаемый обычно E [МПа], и модуль сдвига, обозначаемый G [МПа]. Например, в процессе растяжения монокристаллическая цилиндрическая проволока превращается в ленту с эллиптическим сечением.

Металлы в поликристаллическом состоянии следует рассматривать как сростки большого числа малых по размерам монокристаллов (кристаллитов, зерен). Кристаллиты отличаются друг от друга по форме, а их линейные размеры могут изменяться в пределах от 0,001 мм до 0,1 мм. В хорошо отожженном поликристалле кристаллиты расположены беспорядочно, в связи с чем, свойства поликристаллического тела выравниваются, и его можно рассматривать как квазитропное.

У поликристаллических тел при пластическом деформировании обнаруживается значительное повышение критического касательного напряжения; его зависимость от нормального напряжения на плоскости скольжения.

Между зернами имеется тончайшая пленка из окислов и силикатов. При обработке давлением происходит уплотнение материала главным образом за счет ликвидации сердцевинной рыхлости. Кристаллы в этом случае дробятся, меняют свою форму и при однонаправленной деформации создаются ярко выраженные волокнистые структуры. Во время измельчения зерен их размеры выравниваются. Волокна вытягиваются в направлении течения металла при деформации. Строение такого металла подобно строению композиционного материала на металлической матрице. Следовательно, по направлению волокон его прочность выше, чем поперек них. Более того, срез поперек может стать негерметичным.

На рис. 5.2 изображены точеный и штампованный болты. Первый получен точением из проката. Второй - штамповкой и осадкой по головке. В случае изготовления по последней технологии болт наиболее прочен.

Важным свойством сплавов типа твердых растворов является также то, что при холодном деформировании они упрочняются значительно сильнее, чем чистые металлы.

Рис. 5.2 Болт: а) точеный; б) штампованный

а) б)

Поскольку весьма трудно объяснить механические свойства металлов при их пластическом деформировании исходя из их химического состава, атомной и молекулярной структуры, то для описания многих явлений была разработана математическая теория сплошных сред [8], базирующаяся на внешних проявления ползучести.

Свойством пластичности обладают кристаллические тела. Это свойство заключается в способности приобретать остаточные деформации и необратимо изменять свою форму без разрушения. Характерным при этом является то, что необратимые пластические деформации начинают совершаться лишь после достижения определенного предела- предела текучести.

На рис. 5.3 приведены диаграммы растяжения - сжатия разных сталей (см. также рис. 2.32).

Обычно относительные деформации в зоне упругости (  _т ) меньше 0,2%. В этом случае сброс нагрузки приводит деталь в прежнее состояние. Если же  >_т , то после сброса нагрузки появится остаточное удлинение _у .

.

Рис. 5.3

Упрощенные диаграммы растяжения сталей:

а) углеродистая сталь; б) нержавеющая сталь.

Зона, где справедлива линейная зависимость  =Е, называется зоной пропорциональности. Она практически ограничена пределом упругости или часто его называют пределом текучести. Здесь применяют теорию упругости.

При дальнейшем увеличении усилия проявляются необратимые эффекты пластичности. Такие деформации, наблюдаемые в зоне II на рис.5.3, характеризуются модулем упрочнения П₁= tg или относительным модулем упрочнения k_o= П₁/ _т . Для некоторых сталей эти значения приведены в таблице 5.1

При дальнейшем увеличении деформации за пределы зоны II модуль упрочнения описывается соотношением П₂= tg₂ и его величина равна напряжению в шейке пластически деформируемого участка бруса.

Если для углеродистых сталей зона текучести хорошо видна, то в нержавеющих сталях она просматривается слабо.

В случае малых упругих деформаций диаграммы растяжения и сжатия симметричны. При более высоких нагрузках значения пределов упругости на сжатие и растяжение вообще будут разными.

Табл. 5.1

Данные по свойствам сталей

Марка стали	Предел текучести, МПа	Модуль упрочнения, МПа
Ст. 10- ст.15, ст.1, ст 2.	210	2100
Ст. 20- ст.25, ст.3, ст.4, 20К- 25К	260	3000
Ст.30- ст.35, ст.5	300	4200
Ст.40- ст.45, ст.6, 15Х, 20Х	340	6000
Ст.50- ст.60, ст.7, 20ХН, 30Х, 35Х	420	7400
40Х- 50Х, 40ХН- 50ХН	570	10000

Эффект изменения предела упругости на сжатие после предварительного растяжения называется эффектом Баушингера [8].

При кручении круглых цилиндрических труб, когда каждый элемент трубы работает в условиях чистого сдвига, зависимость между касательным напряжением и деформацией, характеризующей угол сдвига, изображается диаграммой, подобной рис. 5.3.

При всестороннем сжатии металлы ведут себя как упругие тела до очень больших напряжений (порядка 10⁴ МПа) и более.

Процесс деформации тела начинается с его поверхности. При не очень больших усилиях и их кратковременном действии деформация может получиться неглубокой, поверхностной. Таким способом делают поверхностный наклеп или нагартовку для получения твердой непластичной поверхности изделия. При этом прочность наклепанного слоя возрастает.

С увеличением степени деформации упрочнение возрастает. При этом искажения в деформируемом теле становятся такими, что дальнейшая пластическая деформация невозможна из-за превышения предела прочности.

Во время горячей деформации при Т= (0,7...0,75)Т_плавл одновременно с упрочнением протекает процесс разупрочнения, когда потребность в увеличении нагрузки, необходимой для дальнейшего деформирования, снижается [2]. Разупрочнение происходит за счет явлений возврата и рекристаллизации. Возврат - выравнивание искажений, полученных в процессе деформации, в том числе, выравнивание искаженной кристаллической решетки. Этот процесс сравнительно медленный. Поэтому наибольшую роль играет рекристаллизация, т.е. образование кристаллической решетки с новой ориентацией, которая не искажена и способна к дальнейшей деформации при прежней нагрузке. На этом основано одно из преимуществ горячей обработки давлением перед холодной.

Технология холодной деформации строится на том, что на отдельных операциях допускается только ограниченная деформация. Заметим, что при холдной деформации происходит только процесс упрочнения.

При нагреве наклепанного металла происходит рекристаллизация, т.е. образование новых равноосных зерен вместо прежней ориентированной волокнистой структуры. Из-за этого наклеп практически полностью снимается, а прочность уменьшается.

В случае первичной рекристаллизации плотность дислокаций уменьшается.

Температура начала рекристаллизации для твердых растворов составляет Т_рк = (0,5...0,6)Т_плавл.

Существенным недостатком горячей обработки давлением является самопроизвольный рост зерен. Их не всегда удается измельчить при обработке давлением, а крупнозернистый металл менее прочен и более хрупок.

Пластичность металла зависит также от его природы, условий деформации. Так, с увеличением содержания углерода пластичность ухудшается, а при сжатии изделия из чугуна работают лучше, чем при растяжении.