§ 108. Влияние обработки давлением и условий ее осуществления на свойства и структуру исходного материала

Обработка давлением изменяет не только форму исходной заготовки, но влияет также на свойства и структуру обрабатываемого металла. При этом следует различать холодную и горячую обработку давлением. Холодная обработка давлением вызывает так называемое фи­зическое упрочнение или наклеп.

Основными признаками упрочнения, которые обнаруживаются в микро­ структуре металла, являются изменение формы зерен — вытягивание их в направлении наибольшей деформации и появление определенной ориенти­ровки зерен в одном направлении. Таким образом, структура металла становится волокнистой (фиг. 104).

Влияние упрочнения на механические свойства металла выражается в увеличении предела прочности, предела текучести и твердости при одновре­менном падении относительного удлинения, поперечного сужения и ударного сопротивления (фиг. 105).

Фиг. 104. Микроструктура низкоуглеродистой стали:

а — до холодной деформации; 6 — после холодной деформации.

Изменяются также физические свойства металла: теплопроводность, электропроводность и магнитная проницаемость в результате холодной обработки давлением уменьшаются, а растворимость, коэрцитивная сила и

гистерезис увеличиваются.

Особо следует подчерк­нуть, что никакого уплотне­ния металла от холодной обработки давлением не про­исходит, наоборот, отмечает­ся даже некоторое уменьше­ние его удельного веса, что было установлено выдаю­щимся русским ученым Д.К.Чрдовым.

105. Влияние холодной деформации на механиче­ские свойства низкоуглеродистой стали

Изменения, внесенные хо­лодной обработкой давлением в структуру и свойства ме­талла, не являются стойки­ми. Упрочнение может быть снято при помощи термиче­ской обработки (отжигом). При горячей обработке давлением одновременно с процессом деформации бу­дет протекать процесс рекристаллизации, который является процессом разупрочняющим. Явление рекристаллизации возникает (Для чистых метал­лов) при абсолютных температурах, составляющих, по проф. Бочвару, около 0,4 абсолютной температуры плавления. При рекристаллизации в деформируемом металле образуются центры рекристаллизации, вокруг которых растут новые зерна взамен деформированных, а металл приобретает равно­осную неориентированную структуру. Так как рекристаллизация протекает во времени, то на конечную структуру металла оказывает влияние не только температура, но и скорость деформации. Таким образом, обработка давлением нагретого металла представляет собой сложный термомеханический процесс, который в зависимости от соотношений между скоростью рекристаллизации, зависящей от температуры, и скоростью деформации может приводить к различному изменению структуры и свойств обработанной давлением заготовки.

К лассификация процессов обработки давлением

окончании обработки имеет рекристаллизованную

дана С. И. Губкиным.

Если рекристаллизация в процессе деформации

проходит на­столько полно, что металл при структуру

без следов упрочнения, то такую об­работку называют горячей.

Если деформация сопрово­ждается только упрочнением без рекристаллизации и металл при окончании обработки

имеет струк­туру наклепанного металла, то

эту обработку называют холодной. Если металл при

окончании деформации показывает структуру не

полностью рекрестализованную со следами

упрочнения в отдельных участках заготовки, то такую

деформацию называют непол­ной горячей

деформацией. а) б)

Фиг. 106. Макроструктура стали:

а — литой

б — после горячей деформации

Неполная горячая деформация ведет к получению неоднородной струк­туры и снижению механических качеств и поэтому на практике нежела­тельна.

Горячую обработку давлением применяют как для переработки исход­ного литого материала в виде слитков, так и последующих обработок полу­ченных полуфабрикатов.

ля холодной обработки давлением применяют, как правило, металл в виде тех или иных заготовок, прошедший предварительно горячую обработку давлением.

Горячую обработку стали давлением осуществляют при температурах, лежащих выше линии GSK (см. фиг. 5 и 6), т. е. когда сталь имеет аустенитную структуру (доэвтектоидная) или аустенит плюс цементит (заэвтектоидная),

Горячая обработка давлением исходного литого слитка стали деформи­рует и изменяет ее первоначальное дендритное строение, вытягивая и ориен­тируя кристаллиты, а следовательно и межкристаллическое вещество, расположенное по их границам в направлении течения металла. В результате образуется так называемая полосчатая или волокнистая макроструктура (фиг. 106), обусловливающая необходимость рассматривать механические качества поковок с учетом направления в них волокон: вдоль или по­перек.

Волокнистая макроструктура металла, полученная в результате горячей обработки давлением исходного слитка стали, не может быть, разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Послед­няя может лишь изменить направление волокон.

Горячая обработка давлением оказывает также заметное остаточное влияние на следующие механические характеристики стали: ударное сопротивление а_к, поперечное сужение , относительное удлинение и предел уста­лости _г,

Механические свойства (a_k, , о и _г) в продольных (вдоль волокон) образцах с повышением степени уковки до 10 растут, после чего остаются стабильными. В поперечных образцах с увеличением уковки эти характери­стики, как правило, падают, хотя в отдельных случаях, при малых отноше­ниях, иногда обнаруживают тенденцию к незначительному улучшению с последующим, однако, падением при увеличе­нии отношения .

Таким образом, сталь после горячей обработки давлением имеет анизотропию механиче­ских качеств: в продольном направлении они лучше, в по­перечном — хуже.

Фиг. 107- Схема макроструктуры болтов, изготовленных различными способами.

При разработке конструк­ции деталей и технологического процесса их изготовления не­обходимо учитывать волокнистую структуру и анизотропию механических качеств металла, обработанного давлением.

Необходимо, чтобы направление максимальных нормальных (на растяже­ние и сжатие) напряжений, возникающих при работе детали, совпадало с направлением волокон, или направление максимальных, касательных (на срез, сдвиг) напряжений было им перпендикулярно. Кроме того, волокна не должны перерезаться, а должны огибать контур детали.

Для пояснения сказанного могут служить следующие примеры. Болт, полученный резанием из прокатанного прутка (фиг. 107, а), имеет неудовлетворительную макроструктуру в головке — касательные напряже­ния направлены вдоль волокон. Кроме того, стержень болта образуется из центральной зоны исходного прокатанного прутка, обладающей понижен­ными механическими качествами. Болт, полученный ковкой путем вытяжки стержня (фиг. 107, б), не имеет последнего недостатка и обладает более благо­приятным направлением волокна. Изготовление болта ковкой путем осадки головки (фиг. 107, в) из прокатанного прутка диаметром, равным диаметру стержня, позволяет получить головку с наиболее благоприятным расположе­нием волокон.

В зубчатом колесе, изготовленном резанием из прокатанного прутка (фиг. 108, а), нормальные напряжения от изгиба в зубьях / будут направлены поперек волокон, т. е. неблагоприятно. При горячей штамповке зубчатого колеса из полосы (фиг. 108, б) волокна в различных зубьях будут ориентированы к направлению нормальных напряжений неодинаково:

зуб 1 работает вдоль волокон (правильно), зуб 2 — поперек волокон (непра­вильно). При изготовлении зубчатого колеса осадкой в торец (фиг. 108, в) из куска круглого прокатанного прутка направление деформированных воло­кон будет самым благоприятным.

а) б)' в)! Фиг. 109. Схема макро-

структуры коленчатых ва- Фиг. 108. Схема макроструктуры зубчатых колес, изгото- лов, изготовленных раз- вленных различными способами. личными способами

кривошипной шейки. Шейка и щеки образованы путем вырезки_ напуска 1. В результате волокна перерезаны и металл в щеках работает поперек воло­кон. При изготовлении вала путем гибки (фиг. 109, б) волокна «следят» за контуром детали, и направления нормальных напряжений в щеках совпа­дают с направлением волокон.