4. Влияние различных факторов на пластичность и сопротивление металла деформированию

Основными факторами, оказывающими весьма существенное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию, являются химический состав, температура металла, скорость деформации, схема напряжённо-деформированного состоянии, контактное трение и т.д.

Велико влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы и сплавы, образующие твёрдые растворы. Наихудшими пластическими свойствами обладают сплавы, образующие химические соединения и механические смеси. Обработке давлением подвергаются как чёрные, так и цветные сплавы. Из чёрных сплавов давлением обрабатываются углеродистые и легированные стали, из цветных – бронзы, латуни, дюралюминий и др.

Наибольшее количество деталей изготовляется обработкой давлением из стали. В связи с этим необходимо рассмотреть влияние некоторых примесей на пластичность стали и её сопротивление деформированию.

Углерод является основной примесью, оказывающей влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали пластичность падает, а сопротивление деформированию возрастает. Стали с содержанием углерода до 0,5 % обладают хорошей пластичностью, поэтому обработка давлением таких сталей не вызывает затруднений. Однако обработка давлением стали, содержащей более 1 % углерода, представляет большие трудности. Кремний и марганец в тех пределах, в которых они содержатся в обычных сталях (0,17 –0,35 % и 0,3–0,8 % соответственно), не оказывают заметного влияния на пластичность стали. Дальнейшее увеличение содержания кремния и марганца в стали понижает её пластические свойства, повышая сопротивление деформированию.

Сера находится в стали в виде химических соединений FeS или MnS. Она вызывает красноломкость стали. Явление красноломкости связано с образованием эвтектики FeS + Fe по границам зерен, которая плавится при температуре 985 ˚С. При нагреве стали до температур 1000–1200 ˚С под ковку, прокатку эвтектика расплавляется, нарушается сплошность границ зёрен и при деформации в этих местах образуются трещины. При наличии в стали MnS интервал красноломкости сдвигается в область более высоких температур (1200 ˚С). В связи с этим содержание серы в стали (в виде соединения FeS) должно быть минимальным (0,03–0,05 %). Фосфор в стали присутствует в твердом растворе (феррите). Он вызывает хладноломкость стали. Повышение содержания фосфора в стали увеличивает сопротивляемость пластической деформации, а, следовательно, затрудняет проведение обработки давлением. Поэтому содержание фосфора в стали должно быть не более 0,03–0,04 %.

Легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.) понижают пластичность и повышают сопротивление деформированию, причём тем сильнее, чем больше углерода в стали.

Температура оказывает существенное влияние на механические свойства металлов и сплавов. Увеличение температуры примерно до 100 ˚С вызывает некоторое повышение пластичности и уменьшение характеристик прочности. При дальнейшем повышении температуры примерно до 300 ˚С наблюдается значительное увеличение характеристик прочности и понижение характеристик пластичности. Это явление получило название синеломкости (от цвета побежалости). Предполагают, что хрупкость, наблюдаемая при этих температурах, вызвана выделением дисперсных частиц карбидов, нитридов и др. по плоскостям скольжения. Дальнейшее повышение температуры вызывает интенсивное понижение характеристик прочности. При температурах около 1000 ˚С предел прочности σ_в понижается более чем в 10 раз. Что касается показателей пластичности, то они в интервале 800–900 ˚С понижаются из-за протекания в стали фазовых превращений и неполного процесса рекристаллизации; при дальнейшем повышении температуры можно наблюдать их интенсивное увеличение. Таким образом, опасными зонами температур в отношении понижения пластичности являются зона синеломкости и зоны, в которых происходят неполная рекристаллизация и фазовые превращения. Такая закономерность наблюдается и для других металлов и сплавов.

На пластичность оказывает влияние и скорость деформации. При деформировании металлов следует различать две скорости: скорость деформирования, представляющую собой скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса, рабочих валков и т.п.), и скорость деформации, представляющую собой изменение степени деформации ε в единицу времени t.

Скорость деформации ω выражается формулой:

. (6)

При постоянной скорости, а также для средней скорости:

. (7)

При обработке давлением на прессах скорость деформирования составляет примерно 0,1–0,5 м/с, а скорость деформации 1–5 сˉ¹. При обработке давлением на молотах скорость деформирования в момент удара достигает 5–10 м/с; при этом весь процесс деформации за один удар длится сотые доли секунды, скорость деформации может достичь 200–250 сˉ¹. При деформировании металлов взрывом имеют место еще более высокие скорости, измеряющиеся сотнями метров в секунду.

В первом приближении можно сказать, что с увеличением скорости деформации сопротивление металла деформированию возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность некоторых магниевых и медных сплавов, а также высоколегированной стали, что объясняется малыми скоростями рекристаллизации.

Скорость деформации при горячей обработке давлением оказывает большее влияние на металл, чем при холодной. Однако при детальном изучении влияния скорости деформации на указанные характеристики это явление носит более сложный характер. Дело в том, что при деформации имеет место тепловой эффект, который при разных скоростях и условиях деформации может быть различным. В некоторых случаях деформации в металле может происходить значительное местное повышение температуры (до 200–300 ˚С), что сразу сказывается на пластичности и сопротивлении его деформированию. Если деформация производится при температурах, близких к максимальным для данного металла, пластичность может значительно снизиться, а сопротивление деформированию возрасти. Если же деформация происходит при температурах, близких к минимальным, то, наоборот, вследствие теплового эффекта пластичность металла повысится, а сопротивление деформированию снизится. Таким образом, нельзя рассматривать изолированно влияние скорости деформации и температуры на механические характеристики металла, так как скорость и температура при обработке давлением тесно связаны друг с другом. Вследствие этой связи принято говорить о температурно-скоростных условиях деформации, т.е. о так называемом термомеханическом режиме обработки давлением.

Контактное трение представляет собой трение, возникающее на поверхности соприкосновения деформирующего инструмента с металлом. Появление при обработке давлением значительных сил трения на контактных поверхностях резко изменяет схему напряжённого состояния и тем самым оказывает существенное влияние на пластичность металла и его сопротивление деформированию. Например, если при осадке цилиндра под плоскими бойками отсутствует контактное трение, то возникает линейная схема напряжений; при наличии же трения имеет место объёмная схема напряжений.

Контактное трение зависит от ряда факторов, к числу которых относятся: состояние поверхности деформирующего инструмента и деформируемого сплава, химический состав сплава, смазка, температура металла и инструмента и скорость деформации. Коэффициент трения при обработке давлением может быть от 0,1 до 0,5. Для снижения коэффициента трения и облегчения условий деформации применяют различные смазки и инструмент с полированной поверхностью. Отметим, что при прокатке трение является полезным фактором, поэтому для лучшего захвата металла создаются условия для повышения коэффициента трения.

Для горячей обработки давлением металл нагревается до определённой температуры и деформируется до тех пор, пока температура его не снизится до такой, при которой дальнейшая деформация окажется невозможной. Таким образом, металл может быть деформирован в строго определённом температурном интервале. Максимальная температура его нагрева называется верхним пределом, а минимальная – нижним. Каждый металл имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением.

Верхний предел температурного интервала t_в.п. выбирается таким образом, чтобы не было пережога, интенсивного окисления и обезуглероживания, а также перегрева. При выборе верхнего предела температурного интервала для высокоуглеродистых и легированных сталей необходимо иметь в виду их большую склонность к перегреву. Температура нижнего предела t_н.п. должна быть такой, чтобы после деформирования при этой температуре металл не получил упрочнения (наклёпа) и имел бы требуемую величину зерна. Особое значение выбор нижнего предела имеет для легированных сталей и сплавов, не имеющих фазовых и аллотропических превращений, например для аустенитных и ферритных сталей. Конечные свойства этих сталей определяются в основном нижним пределом температурного интервала (поскольку они не подвергаются термической обработке).