- •3. Физические основы пластической деформации
- •3.1. Строение металлов
- •3.2. Начальные сведения о пластической деформации и пластичности
- •3.3. Экспериментальное определение сопротивления сдвигу по плоскости скольжения
- •3.4. Основные положения теории дислокаций
- •3.5. Упрочнение при холодной деформации металла
- •3.6. Изменение свойств металла при холодной обработке давлением
- •3.7. Изменение свойств наклепанного металла при отжиге
- •3.8. Горячая обработка металлов давлением (общие сведения)
- •3.9. Физические уравнения связи и сопротивление металлов деформации
- •3.10. Определение сопротивления деформации металлов в холодном состоянии (испытания на растяжение)
- •3.11. Определение сопротивления деформации металлов в холодном состоянии (испытания на осадку)
- •3.12. Сопротивление деформации при высоких температурах
- •3.13. Модель разрушения металла при холодной омд
- •3.14. Построение диаграммы пластичности
- •1. Кручение образцов при атмосферном давлении и под давлением жидкости (рис. 3.31).
- •2. Растяжение образцов с предварительно выточенной шейкой при атмосферном давлении и под давлением жидкости (рис. 3.32).
3.7. Изменение свойств наклепанного металла при отжиге
Металл после холодной деформации является наклепанным. Он находится в неравновесном состоянии и стремится перейти в равновесное состояние с меньшей свободной энергией. Неравновесное состояние – результат неоднородного напряженного состояния и неравномерного распределения энергии.
Всё это может быть устранено образованием новых, менее искаженных зерен и соединением многих зерен в одно зерно, обладающее меньшей поверхностью на единицу объема. Эти процессы происходят при нагреве. При нагреве происходит переход к более стабильной структуре. Металл разупрочняется.
При нагреве до сравнительно низких температур – примерно 0,3 в металле происходит процесс возврата (отдыха), при котором наклепанный металл частично разупрочняется (здесь - температура плавления металла по Кельвину). Прочность при возврате снижается на 10…30%. Пластичность повышается. Структура сохраняется, то есть зерна остаются вытянутыми.
При
повышении температуры металла происходит
рекристаллизация. В основном
температура рекристаллизации зависит
от температуры плавления и для металла
обычной чистоты
.
При рекристаллизации металл полностью разупрочняется. Пластичность повышается, а прочность снижается до уровня, соответствующего ненаклепаному состоянию (рис. 3.16).
Рис.
3.16. Изменение свойств холоднодеформированного
металла после отжига (проволока стальная;
наклеп волочением; продолжительность
отжига
мин)
При рекристаллизации изменяется структура: происходит зарождение новых зерен равноосной формы; волокнистое строение и связанная с ними механическая анизотропия исчезают. Новые равноосные зерна отличаются от старых вытянутых зерен более совершенным, менее искаженным внутренним строением. Вместе с зарождением зерен происходит их рост.
График зависимости размера зерен Sк к моменту окончания рекристаллизации от температуры отжига t˚ и степени холодной деформации называют диаграммой рекристаллизации первого рода (рис. 3.17) [11].
Чем выше степень деформации , тем сильнее измельчены зерна при деформации и в результате рекристаллизации размер зерен увеличивается, но незначительно (при больших ). Однако при очень малых малы искажения
Рис. 3.17. Диаграмма рекристаллизации первого рода
решетки; границы между зернами не нарушены; рекристаллизация не происходит. Площадь зерен Sк мала и после отжига.
Степени
деформации, при которых зерна получаются
особенно крупными (пики на графиках),
называются критическими -
=
5…7%. Так как крупнозернистый металл
имеет пониженную пластичность, необходимо
избегать критических степеней деформации.
3.8. Горячая обработка металлов давлением (общие сведения)
Различают три вида деформации [11]: 1) холодная; 2) полугорячая; 3) горячая.
Холодная
деформация происходит при температуре
металла ниже
.
Металл упрочняется; полностью отсутствуют
процессы разупрочнения (возврат,
рекристаллизация); не происходит
залечивания внутри- и межзеренных
нарушений. В результате холодной
деформации прочность повышается;
пластичность снижается; при увеличении
степени деформации появляется текстура.
Горячая
деформация происходит при
температуре больше
.
Одновременно происходят процессы,
действующие на сопротивление деформации
в противоположных направлениях, то есть
упрочнение и разупрочнение за счет
возврата и рекристаллизации. Оба процесса
протекают во времени с различной
скоростью. Процесс разупрочнения
протекает со скоростью меньшей, чем
скорость деформации в промышленных
условиях. Кристаллизация идет после
завершения горячей обработки, а заготовка
остынет до температуры ниже
достаточно долго (десятки минут).
Структура металла изделия в результате
получается практически недеформированной.
Полугорячая
деформация происходит при
температуре
.
Подогрев до невысоких температур не
вызывает окисления поверхности, что
характерно для горячей деформации.
Однако заметно повышается пластичность
и снижается сопротивление деформации
.
При полугорячей деформации рекристаллизация
и разупрочнение происходят менее
интенсивно. Структура получается
рекристаллизованной с наличием
деформированной.
Термин
«горячая обработка» условен.
Обработка свинца при комнатной температуре
сопровождается рекристаллизацией и,
следовательно, тоже практически горячая.
Свинец:
.
Железо:
-
холодная деформация.
Рассмотрим подробнее горячую деформацию. При повышении температуры существенно увеличивается пластичность и снижается сопротивление деформации. Это позволяет вести штамповку, ковку, прокатку с большими степенями деформации при меньших усилиях и расходе энергии. Без разрушения металла.
Исходный материал для горячей деформации – слиток (для свободной ковки; для деформирования в черновых клетях стана горячей прокатки). Он имеет высокую неоднородность зерен по величине и форме в разных зонах; химическую неоднородность; пустоты; газовые пузыри. При горячей деформации в результате диффузии химический состав несколько выравнивается; первичные кристаллы (дендриты) разрушаются и измельчаются; пустоты сжимаются и завариваются. Образуется волокнистая макроструктура горячедеформированного металла. Макроструктура полностью преобразуется после шести-, восьмикратной вытяжки (при прокатке) или уковке (при ковке). Вытяжка или уковка равна отношению площади поперечного сечения деформированной заготовки к площади сечения исходной заготовки.
Макроструктура – вытянутость зерен в направлении максимальной деформации. Видна при двукратном увеличении. Микроструктура видна при 5-10 кратном увеличении. По ней определяют размер зерен.
Пластичность деформированного металла выше, чем литого. Прочность тоже немного повышается.
Механизм пластической деформации при горячей обработке сходен с механизмом при холодной: деформация осуществляется внутрезеренным скольжением; межзеренным взаимным перемещением; поворотом зерен.
Пластичность повышается при горячей деформации за счет того, что возникающие микротрещины залечиваются в процессе деформирования.
Величина зерна после горячей обработки и свойства металла зависят от температуры, степени и скорости деформации. В процессе обработки одновременно происходит разрушение зерен в результате деформации и зарождение новых зерен в результате рекристаллизации. Если горячая деформация осуществляется за несколько этапов (несколько ударов молота; несколько проходов при прокатке), то величина зерен определяется в основном температурой и степенью деформации в последнем проходе, то есть режимом конца горячей обработки давлением.
Пусть
Sк
– средняя площадь зерна. График
зависимости Sк
=
- диаграмма рекристаллизации второго
рода (рис. 3.18). Здесь:
-
степень деформации, а
- температура конца горячей обработки
давлением. Напомним, что диаграмма
рекристаллизации первого рода -
зависимость Sк
от степени предшествовавшей холодной
деформации и температуры последующего
отжига. Диаграммы первого и второго
рода похожи.
Рис. 3.18. Диаграмма рекристаллизации второго рода (малоуглеродистая сталь; горячая прокатка)
Критическая степень деформации (пики на графиках) - это деформация при которой получим крупные зерна. Она соответствует примерно 8…15%. Критическая температура – 750…850˚С. При температуре конца прокатки 900-1000˚С зерно мелкое. В этом температурном диапазоне величина зерна слабо зависит от степени деформации; в основном от скорости охлаждения. При очень высоких температурах зерно крупное, так как металл достаточно долго находится при высокой температуре после деформации. В большинстве случаев желательно получение мелкозернистого металла, обладающего лучшими механическими свойствами.
