2.2 Влияние величины рекристаллизованного зерна на прочность и пластичность металла.

На диаграммах рекристаллизации мягкого железа (рисунок 9) и красной меди (рисунок 8) видно, что при увеличении температуры деформации, зерно увеличивается при всех степенях деформации. Особенно крупное зерно наблюдается в диапазоне критических степеней деформации. Кроме того, с увеличением температуры порог рекристаллизации смещается в область малых степеней деформации. В большинстве случаях в изделиях получивших обработку давлением требуется получить мелкое зерно. Металл с такой структурой имеет высокий уровень механических свойств. Крупнозернистые деформируемые стали имеют низкие механические свойства и такие стали требуют последующую сложную обработку, для перевода в мелкозернистую структуру. Некоторые сорта высоколегированных сталей и сплавов, которые не имеют фазовых превращений, даже после термической обработки сохраняется крупное зерно. В таком случае для получения мелкозернистой структуры, требуется установить термомеханический режим горячей обработки металлов давлением, на основе диаграмм рекристаллизации второго рода. Правильное сочетание температуры и степени деформации, величины единичного обжатия при различных температурах. Следует установить так что бы избежать диапазона критических степеней деформации при которых наблюдается резкий рост величины зерна.[4]

2.3 Диапазон критических степеней деформации

Таблица 1 - Диапазон критических степеней деформации для углеродистых и легированных сталей.

Температура деформации, ˚С	Степень деформации, ɛ%
	Углеродистые стали	Легированные стали
850	8-10	5-15(20)
900-1000	2,5-20	5-15(20)
1100	0-20	5-20
1200	0-30	5-20(25)

Из таблицы можно сделать вывод.

Обработку металлов давлением, например методом ковки или горячей обьемной штамповки при температуре заготовки 1150˚С.Следует производить единичные обжатия 20-25% и выше. По мере уменьшения температуры заготовки в процессе ковки, степень деформации за каждый ход пресса, может быть уменьшена до 20%,при температуре 900-1000˚С до 15%, при температуре 800˚С до 10%.Воизбежания получения крупнозернистой структуры в конце обработки давлением, когда требуется применение небольших обжатий при температурах 850-900˚С ,следует заканчивать со степенями деформации меньше 6%, т.е левее порога рекристаллизации. Либо со степенями деформации превышающими критические.

При горячей штамповки на молотах деформация должна происходить с меньшим количеством ударов, но большей мощностью. Диаграммы рекристаллизации 1-го и 2-го рода, для одних и тех же металлов и сплавов различаются незначительно. Наибольшее различие в диапазоне критических степеней деформации. Это связано с различными условиями контактного трения и неравномерным распределением температуры по высоте заготовки.[4]

2.4 Принципы и цели установления оптимальных режимов горячей обработки металлов давлением

Выбор рациональных схем технологических процессов.

Технологический процесс – это совокупность основных и вспомогательных операций, которым подвергается металл при изготовлении из него изделий. Технологический процесс ОМД определяет содержание, последовательность и режим операций.

При разработке технологического процесса сперва определяют общую схему – маршрут изделия. То есть, устанавливают содержание и последовательность выполнения операций начиная от слитка до готового изделия.

Затем определяют режимы для каждой операции ОМД: температурный интервал деформации конкретного металла, степень и скорость деформации, тип и мощность формообразующего оборудования.

Выбранные схемы и режимы технологического процесса должны обеспечить выполнение следующих основных требований:

1) высокую пластичность металла, что допускает высокие степени деформации, а, значит, - позволяет вести обработку с высокой производительностью;

2) высокое качество металла;

3) минимальные энергетические и трудовые затраты;

4) минимальные технологические отходы металла;

5) минимальную стоимость изделия.

Выбор схемы технологического процесса обработки металлов давлением зависит от следующих факторов:

1) формы и размеров изделия;

2) исходных пластических и прочностных свойств металла;

3) технологических требований по физико - механическим свойствам, качеству поверхности и точности размеров;

4) масштаба производства;

5) характеристики имеющегося формообразующего оборудования.

Особенности технологического процесса горячей обработки металлов давлением.

Основной вид ОМД – это горячая обработка. Горячая обработка давлением является единственным способом превращения литой структуры металла слитка в плотную деформированную структуру изделия.

Горячая обработка давлением производится также при необходимости улучшить свойства изделия и при отсутствии технических возможностей для холодной деформации.

Горячая обработка давлением имеет ряд неоспоримых преимуществ перед холодной:

1) при высоких температурах металлы и сплавы имеют высокую пластичность и невысокое сопротивление деформированию; то есть, - при этом имеет место повышенная деформируемость;

2) при горячей ОМД допускаются значительно большие значения степени деформации при меньших технологических усилиях и энергетических затратах; следовательно, для деформирования требуется оборудование меньшей мощности, снижаются затраты на инструмент.

Основой для правильного построения технологического процесса является современное представление о физической и физико-химической природе пластической деформации, о пластическом состоянии металла.

Горячая ОМД производится при температурах, превышающих 0,7 , когда в процессе деформации полностью завершается динамическая рекристаллизация, а металл практически не упрочняется. Прокатка, ковка, объемная штамповка, прессование производятся в диапазоне

При этом необходимо установить оптимальную скорость деформации, чтобы обеспечить в процессе деформации полное разупрочнение (рекристаллизация требует определенного времени для завершения), высокую пластичность и производительность.

Горячую ОМД наиболее правильно производить при напряженном состоянии всестороннего сжатия и, особенно, - при высоких положительных значениях гидростатического давления. Это способствует хорошему уплотнению металла, заварке внутренних трещин, улучшению физико-механических свойств металла, выравниванию структуры, равномерному распределению примесей.

При горячей ОМД требуется равномерный нагрев и поддержание равномерного распределения температуры по объему изделия, чтобы свести к минимуму неравномерность напряженно – деформированного состояния металла и избежать появления дополнительных напряжений.

Необходимо правильно установить температурный интервал горячей ОМД. То есть, - для данного металла установить максимально допустимую температуру начала деформации и минимально допустимую температуру ее окончания. Превышение максимально допустимой температуры может привести к перегреву или пережогу металла. Завершение деформации при температуре ниже минимально допустимой приводит к образованию внутренних и наружных трещин, то есть – к неисправимому браку изделия.

Для установления оптимального температурного интервала используют диаграмму состояния металла. Эта диаграмма позволяет определять также температурные области с однофазным состоянием сплава, в которых достигается наибольшая пластичность. Например, завершать деформацию следует при температурах, превышающих линию изменения фазового состава сплава не менее, чем на .

Для более полного представления о температурных областях наибольшей пластичности необходимо иметь также экспериментальные кривые зависимости показателей пластичности от температуры и скорости деформации.

Оптимальная температура окончания горячего деформирования устанавливается также с учетом обеспечения требуемых механических свойств металла и величины зерна: эти параметры взаимно связаны. С этой целью привлекают объемные диаграммы динамической рекристаллизации второго рода, отображающие зависимость величины зерна от температуры и степени деформации. Эти диаграммы позволяют уточнить термомеханические режимы ОМД, чтобы избежать критических степеней деформации и критических значений температур. Например, для алюминия и его сплавов наблюдается аномальный рост зерна при высоких температурах и степенях деформации. В связи с этим необходимо исключить возможность повышения температуры изделия за счет теплового эффекта деформации – как следствия увеличения скорости деформации.

Необходимо также иметь экспериментальные данные о зависимости механических свойств данного металла от температуры окончания процесса деформирования.

Скорость деформации является важным фактором. Например, при деформировании литой структуры скорость должна быть ниже для обеспечения необходимой пластичности, а после разрушения литой структуры скорость деформации может быть увеличена. При увеличении скорости деформации растет сопротивление деформации в связи с тем, что динамическая рекристаллизации не успевает завершиться.

Скорость деформации влияет также на фазовое состояние сплава, например, при проявлении теплового эффекта у данного металла.

Далее, должны быть установлены механические режимы деформации:

1) допустимая степень единичных обжатий за один рабочий ход деформирующего инструмента, или за один проход при прокатке – с точки зрения пластического и структурного состояния металла (определяемого величиной зерна);

2) силовые и энергетические параметры деформирования, исходя из имеющегося оборудования.

Степень деформации, допускаемая пластическими свойствами металла, устанавливают по кривым зависимости показателей пластичности от температуры. Степень деформации, обеспечивающая получение определенной структуры, устанавливается с учетом критических степеней деформации по диаграммам рекристаллизации. При этом оценивается также возможная неравномерность деформации по объему, которая может привести в отдельных зонах к появлению критических степеней деформации. В этом случае необходимо рассматривать также неоднородность температурного поля по сечению изделия; возможность уменьшения неравномерности деформации за счет технологических смазок, применения оптимальной формы инструмента. Чтобы выбрать необходимое формообразующее оборудование, производят расчет усилий и работы пластического деформирования.

При этом требуются экспериментальные температурно скоростные зависимости истинного напряжения текучести данного металла.

Требования к повышенному качеству поверхности и точности размеров изделия заставляют уменьшить единичные обжатия, применять мало окислительный нагрев, применять специальные методы ОМД.

Применение сложного и дорогого инструмента также приводит к необходимости снижать степень единичных обжатий: например, при ковке, объемной штамповке или прессовании трудно деформируемых высокопрочных сплавов.

Такой комплекс вопросов необходимо рассмотреть и проанализировать прежде, чем принять оптимальные технические решения при выборе рациональных схем и термомеханических режимов горячей ОМД.

Приведен пример исследования рекристаллизации стали 30ХГВТ в литом и кованном состоянии. С целью разработки оптимальных термических параметров ковки грибного корабельного вала. А так же исследован процесс его рекристаллизации при температурах 800˚С,900˚С,1000˚С,1150˚С, при чем исследования проведены как в литом так и в кованном состоянии.

Кроме того исследованы механические свойства стали при каждой из этих температур, методами статического и ударного разрыва.

По результатам исследований построены истинные диаграммы рекристаллизации в литом и кованном состоянии.

На основании экспериментальных данных установлен диапазон ковки от 800˚С до 1000˚С и допустимая величина единичных обжатий.

Рисунок 13 – Диаграмма рекристаллизации второго рода стали 30ХГВТ в литом и кованном состоянии

Заканчивать ковку стали 30ХГВТ можно небольшими обжатиями, и заканчивать процесс при температуре не ниже 850˚С. При более низких температурах пластичность падает, так же при температуре 1000˚С. Применив оптимальные термомеханические параметры, поковка вала не имела внутренних и наружных разрывов.[4]

Список используемой литературы

1. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Т.2 Физико- химическая теория пластичности / С.И. Губкин – М.: Металлургиздат, 1961. – 416 с.

2. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов / С.С. Горелик – М.: Металлургия, 1978. – 557 с.

3. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. – М.: Металлургия, 1982. – 584 с.

4. Максимук B.C. Курс лекций по дисциплине "Теория обработки металлов давлением".

5. Павлов И.М. Теория прокатки. Общее основы обработки металлов давлением. – М.: Металлургиздат, 1950. – 610 с.

6. Сторожев М.В., Попов Е.А. теория обработки металлов давлением. – М.: Машиностроение, 1977. – 328 с.

7. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. – М.: Металлургия, 1967. – 340.