4. Вплив різних факторів на пластичні властивості металу

Пластичністю називають здатність металу деформуватися при тих або інших значеннях термомеханічних параметрів без руйнування у вигляді макроскопічного порушення суцільності. Термомеханічними параметрами називають величини, що визначають термічні і механічні умови протікання пластичної деформації. До таких параметрів відносять, зокрема, температуру, складові тензорів напруги і швидкості деформації. Мірою пластичності служить міра деформації зрушення, накопичена металом до моменту руйнування λ_Р.

У простих випробуваннях на розтягування і осідання циліндрових зразків міру деформації зрушення знаходять по формулах (1.4.1.) і (1.4.2.).

(1.4.1.)

де - поточна довжина зразка .

(1.4.2.)

Якщо в ці формули замість значень поточної довжини l і поточної висоти h підставити значення характерних розмірів l * і h *, при яких на зразках спостерігається поява тріщин (момент руйнування), то по формулах (1.4.1.) і (1.4.2.) можна вже розрахувати міру деформації зрушення у момент руйнування λ_Р.

Останні загальновідомі і широко вживані на практиці показники пластичності, такі, як відносне подовження і відносне звуження, визначувані з використанням формул (1.4.3.), в принципі, легко можна перерахувати в показник λ_Р.

а) ступінь деформації – ε = ln (l / l₀) ,

б) відносне подовження – δ = (l - l₀) / l₀ , (1.4.3.)

в) відносне звуження – ψ = (F-F₀) / F₀

Окрім поняття “пластичність”, в теорії ОМД використовується поняття “деформованість”, тобто здатність тіла в цілому змінювати свою форму без макроскопічного руйнування. Для вирішення питання про деформованість слід перевірити можливість руйнування металуу найбільш небезпечних місцях виробуОсновними чинниками, що впливають на пластичність металів при обробці тиском, є: склад і структура металу, що деформується; схема напруженого стану, що реалізовується; нерівномірність деформації; температура деформації; швидкість деформації; міра деформації; режим термічної обробки. Розглянемо детальніше вплив кожного з них.

Склад і структура металу, що деформується.

Зазвичай чим чистіше метал, тим вище його пластичність. Проте в чистому вигляді метали для здобуття виробів майже не використовуються із-за невисоких міцністних властивостей. Хром, нікель, марганець, молібден, вольфрам і інші елементи, що входять до складу сталей і сплавів як легуючі компоненти, на пластичність впливають порізному. Вирішальне значення має кількісний склад цих елементів, їх співвідношення в сплаві і т.і.

Сильніший вплив на пластичність металів і сплавів роблять компоненти, присутні в їх складі як домішки. Це такі елементи, як олово, сурма, свинець, сірка, миш'як, фосфор, а також гази: водень (гідриди), азот (нітрид), кисень (оксиди) і ін. Вони практично не розчиняються в металах і тому, розташовуючись по кордонах зерен, ослабляють зв'язок між ними. Температура плавлення цих елементів і їх з'єднань досить низька, що при гарячій деформації може привести до майже повної втрати пластичності металу.

Неоднорідна структура також знижує пластичність. При однаковому хімічному складі однофазний сплав буде пластичніший ніж двофазний, оскільки в останньому фази мають різні механічні властивості і деформація протікає нерівномірно. Метал з дрібнозернистою структурою буде пластичним ніж метал з грубозернистою будовою, а деформована заготівка у багатьох випадках виявляється пластичніше зливка, оскільки лита структура має різку неоднорідність зерен, включення і інші дефекти.

4. Основні поняття ліквація і рекристалізація

при гарячій прокатці металу.

Поняття опору металу деформації під час прокатки.

Схеми деформацій та напруженого стану.

Ліквація — неоднорідність хімічного складу ливарного сплаву в різних частинах відливання, що виникає при її твердінні, із-за різної розчинності окремих компонентів сплаву в його рідкій і твердій фазах. Розрізняють дендритну і зональну ліквацію.

Дендритна ліквація — це хімічна неоднорідність, що виявляється в межах одного дендриту — кристала деревовидної (гіллястою) форми. Причиною її є так звана виборча кристалізація, унаслідок якої осі дендриту зростаючі першими, містять менше домішок, а що твердіє пізніше між осями частина розплаву збагачується цими домішками, що і приводить до неоднорідності хімічного складу в різних частинах кожного дендриту.

Зональна ліквація — хімічна неоднорідність в окремих об'ємах відливання, тобто відмінність хімічного складу в різних її частинах, що виникає в результаті як виборчої кристалізації, так і процесів переміщення ліквірующих елементів разом з рідкою фазою з однієї частини відливання в іншу при її твердінні. Так, важчі домішки можуть концентруватися в ніжней, а легші — у верхній частинах відливання (ліквація по щільності), легкоплавкі компоненти ливарних сплавів, що твердіють в останню чергу (при нижчих температурах), відтісняються в середню частину стінки відливання, що приводить до утворення різновиду зональної ліквації — осьової ліквації. Ця ліквація називається також прямою, на відміну від зворотної, при якій в центральній частині тіла відливання містяться більш тугоплавкі компоненти, а легкоплавкі при кристалізації витісняються на її поверхню.

Деформований метал в порівнянні з недеформованим має підвищений запас енергії і знаходиться в нерівноважному, термодинамічно нестійкому стані. У такому металі навіть при кімнатній температурі можуть мимоволі протікати процеси, що призводять його в стійкіший стан. Проте, якщо деформований метал нагрівати, то швидкість цих процесів зростає. Невеликий нагрів (для заліза 300-400°С) веде до зняття спотворень кристалічної решітки, але мікроструктура залишається без змін, зерна як і раніше витягнуті. Міцність при цьому декілька; знижується, а пластичність підвищується. Така обробка називається поверненням або відпочинком. При подальшому підвищенні температури рухливість атомів зростає і серед витягнутих зерен йде інтенсивне зародження і зростання нових рівноосних вільних від напруги зерен. Зародки нових зерен виникають в ділянках з найбільш спотвореною кристалічною решіткою, з підвищеним рівнем вільної енергії, термодинамічно найменш стійких. Нові зерна зростають за рахунок старих, витягнутих, до їх зіткнення один з одним і до повного зникнення витягнутих зерен. Це явище називається рекристалізацією (первинною).

Рекристалізація є дифузійним процесом і протікає нерівномірно, одні зерна зароджуються і зростають раніше, інші пізніше. Після рекристалізації метал складається з нових рівноосних зерен. Підвищенний нагрів призводить до розвитку збірної рекристалізації, тобто до зростання одних рекрісталізованих зерен за рахунок інших, дрібніших. Чим вище температура нагріву, тим інтенсивніше йде збірна рекристалізація, оскільки з підвищенням температури дифузійні процеси протікають швидше і створюють умови для утворення грубозернистого металу.

Опір металів пластичній деформації є важливою характеристикою властивостей оброблюваного металу, що дозволяє судити про його міцність, а отже, і про ті навантаження, які необхідно розвинути, щоб здійснити пластичну деформацію металів. Крім того, величина опору деформації входить в розрахункові аналітичні формули у вигляді співмножника (наприклад, у фізичні рівняння зв'язку напруженого і деформованого станів), тому точність при її знаходженні в значній мірі визначає точність того або іншого розрахункового методу.

Опором металу пластичній деформації (позначається σ_s одиниці виміру МПа=Н/мм² ) називають напругу одноосного мм розтягування або стискування в умовах розвиненої пластичної деформації.

Схема деформації

Заготівка підвладна пластичній деформації в операції ОМТ знаходиться зазвичай в неоднорідному і нестаціонарному напружено-деформованому стані (НДС). Це означає якщо заготівку представити у вигляді сукупності взаємодіючих матеріальних часток, то НДС однієї і тієї ж частки з часом змінюється, а у фіксований момент часу НДС двох різних часток неоднаково.

3 схеми головних деформацій [principal strain diagrams] — графічне уявлення про наявність і знак головних деформацій застосовне до пластичної течії, коли об'єм, що деформується, представляється у вигляді куба, грані якого є головними майданчиками і на них стрілками показані напрями головних деформацій. Поняття схеми головних деформацій ввів академік С. І. Губкін. Розрізняють три схеми головних деформацій (див., рис.1): з одним стискуванням і двома розтягуваннями — об'ємна схема DI, з однією деформацією рівною нулю і двома іншими рівної величини, але протилежних знаків — плоска DII; з одним розтягуванням і двома стисканнями — об'ємна DIII. DI превалює при прокатці і куванні, коли метал обтискається по висоті і тече в довжину і ширину. DIII характерна для волочіння і витискування (екструзії). DII реалізується при широкосмуговому і холодній листовій прокатці і багатьох процесах листового штампування;

Рис.1 Три схеми головних деформацій

Схема напруженого стану

В загальному випадку під схемою напруженого стану розуміють графічне уявлення про наявність і знак головної нормальної напруги, складових тензор напруги

Нагадаємо, що нормальна напруга вважається позитивною, якщо прагне викликати розтягування тіла, і негативним - якщо стискування. При призначенні індексів в головної нормальної напруги використовується правило:

Встановлено, що при обробці тиском не існує металів і сплавів, що володіють незмінними пластичними властивостями, а є крихкий і пластичний стани, визначувані умовами вантаження при деформації. При цьому, ніж більшою мірою виражена в схемі напруженого стану стискуюча напруга, тим вище пластичність оброблюваного металу. Найбільш сприятливою для прояву металом пластичних властивостей є схема всестороннього нерівномірного стискування. Поява в схемі розтягуючої напруги знижує пластичність, і найнижчою пластичністю характеризується схема всестороннього розтягування, яка в реальних процесах обробки тиском практично не зустрічається.

Схеми головної напруги [principal stress diagrams] — графічне уявлення про наявність і знак головної напруги застосовне до пластичної течії, коли об'єм, що деформується, представляється у вигляді кубика, грані якого є головними майданчиками і на яких стрілками показані напрями головної напруги. Поняття схеми головної напруги ввів академік С. І. Губкін. Дев'ять можливих схем головної напруги розділено на три групи(див., рис. 2).

Схеми групи I характеризуються відсутністю напруги по двох головних осях і є лінійними — Л1 (розтягування) і Л2 (стискування).

Схеми групи II напруга, що характеризується відсутністю, по одній з осей, відносять до плоских схем напруженого стану з варіантами П1, П2, П3.

Схеми групи III є об'ємними, позначаються О1, О2, O3, О4 і розташовуються в порядку зростання числа сжімаєщих напруги. Схеми головної напруги одного знаку називаємо однойменними, різних — різнойменними. Л1 і Л2 можуть реалізуватися при безперервній прокатці в міжклітьовому просторі, П3 часто супроводить витягу листів; об'ємні характерні для більшості процесів обробки тиском — кування, плющення, волочіння і пресування. Схеми головної напруги з підвищеним числом стискуючої напруги обеспеченівают поліпшення деформованості заготовок.

Рис. 2 Дев'ять можливих схем головної напруги