Физико-механические основы ОМД

ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением (ОМД) – это технологический процесс получения деталей или заготовок методом пластического деформирования металла в горячем или холодном состояниях. Обработке давлением подвергается 90% стали и 55% цветных металлов. Основными видами ОМД являются прокатка, волочение, прессование, ковка, объёмная и листовая штамповки, схемы процессов которых показаны на рис. 3.1.

В основе ОМД лежит процесс пластической деформации (ПД). При ПД атомы металла необратимо смещаются друг относительно друга на расстояния превышающие межатомные. Расчёты изменения формы, размеров и напряжений при пластической деформации основаны на ряде законов:

- закон наименьшего сопротивления, согласно которому металл при ПД всегда перемещается в том направлении, в котором встречает наименьшее сопротивление;

- закон постоянства объёма, согласно которому объём тела до и после ПД принимается постоянным;

- закон сдвигаемых напряжений, согласно которому ПД с необратимым изменением формы металла наступает только при условии превышения допускаемых сдвиговых напряжений (τ_сд) или (σ_т):

- закон неравномерности деформаций, согласно которому все процессы ПД характеризуются неравномерностью её развития во всех трёх направлениях.

е)

д)

г)

Рис. 3.1. Схемы основных видов обработки металлов давлением:

а) – прокатки, б) – прессования, в) – волочения, г) – ковки, д) – листовой штамповки (вытяжка), е) объёмной штамповки (в открытом штампе).

Способность металла к ПД зависит от многих факторов: температуры нагрева, химического состава, исходной структуры, скорости деформирования, схем главных напряжений и деформаций.

Напряжённое состояние деформируемого тела. Процесс ПД в металле связан с появлением нормальных и касательных напряжений. Нормальные напряжения соответствуют деформации растяжения или сжатия. Касательные деформации сдвига.

В зависимости от способа приложения внешних сил напряжённое состояние деформируемого тела может быть представлено 9 схемами главных напряжений: двумя линейными, тремя плоскими и четырьмя объёмными. На практике при ОМД реализуются лишь две схемы – О₁ и О₂ рис. 3.2, а.

Схемы деформаций могут быть различными. Основными из них являются Д₁, Д₂, Д₃ (рис. 3.2, б). Примером Д₁ может служить прокатка узкой полосы, Д₂ – прокатка широкой полосы, Д₃ – протягивание полосы через отверстие.

σ₂

σ₁

σ₃

σ₂

σ₁

σ₃

σ₂

σ₁

σ₃

σ₁

σ₂₃

σ₂

σ₁

σ₃

Д1

Д2

Д3

Рис. 3.2. Схемы главных напряжений (а) и главных деформаций (б).

Чем меньшую роль в схеме деформации играет растяжение, тем большую способность к пластической деформации проявляет металл. Если по трем осям будут действовать равные растягивающие напряжения, то пластическая деформация невозможна. Следовательно, наибольшую предельную деформацию можно получить, если растягивающие напряжения отсутствуют, а сжимающие достаточно велики.

Механизм пластической деформации. Сущностью ПД является сдвиг, в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой. Сдвиг происходит за счет движения дислокаций. Существуют две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Деформация скольжением представляет собой смещение атомов в тонких слоях монокристалла по плоскостям скольжения, на которых плотность атомов максимальна. Деформация двойникованием происходит в основном при ударных нагрузках. При этом часть кристалла перестраивается в положение семмитричное по отношению к не деформируемой части. Деформация за счет двойникования всегда меньше, чем скольжения.

Деформация монокристаллов состоит в том, что вдоль плоскости скольжения движутся друг за другом дислокации. Они могут выходить на поверхность кристалла, образуя линии и полосы скольжения. С ростом деформации скольжение распространяется на многие эквивалентные системы. При этом дислокации движутся в пересекающихся плоскостях, что тормозит их движение и металл упрочняется.

Деформация поликристалла начинается сразу по нескольким плоскостям скольжения. Пока общая ПД мала (1%) – зерна расположены произвольно и деформация неоднородна. С ростом деформации – зерна вытягиваются. При ПД свыше 40% - образуется волокнистая структура и проявляется преимущественная кристаллографическая ориентировка, которая называется текстурой деформации. Текстуры деформации служат причиной анизотропии механических и физических свойств наклепанного металла.

Влияние нагрева на процессы при ПД металла. При холодной пластической деформации (ХПД) происходит физическое упрочнение металла – наклеп. С увеличением деформации прочностные свойства растут, а пластичность уменьшается. Наиболее интенсивно металл упрочняется при деформации до 40%. При деформации 80-90% металл теряет свою пластичность и разрушается в результате высоких внутренних напряжений. Кроме того, с ростом деформации возрастает удельная электросопротивление, понижается магнитная проницаемость, повышается склонность к коррозии. Наклеп поверхностного слоя повышает сопротивление усталости. В результате интенсивного течения металла зерна вытягиваются и образуется текстура деформации. Упрочнение и структура зерна металла, полученные при ХПД, являются неустойчивыми и могут быть изменены с помощью нагрева (термической обработки).

Нагрев чистых металлов до температуры Т=(0,2-0,3)Т_пл сопровождается возвратом, при котором изменений в микроструктуре металла не наблюдается, происходит только уменьшение дефектов кристаллического строения.

При нагреве деформированного металла до температур Т≥ (0,3-0,8)Т_пл устраняются не только внутренние напряжения и упрочнение, но и восстанавливается структура металла. Происходит образование и рост новых равноосных зёрен. Такой процесс называется рекристаллизацией. Деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после критической степени деформации (ε = 2-8% для Al, Cu, Fe). Эффект рекристаллизации не зависит от последовательности её проведения (после или одновременного с деформацией).

В реальных условиях деформация производится в широком интервале температур. При этом одновременно с разупрочнением протекают процессы упрочнения. В зависимости от их соотношения различают холодную пластическую деформацию (ХПД), сопровождаемую наклёпом; неполную ХПД, при которой протекает процесс возврата без следов рекристаллизации, неполную горячую пластическую деформацию (ГПД), сопровождающуюся возвратом и частично рекристаллизацией; ГПД, при которой протекают все процессы разупрочнения и рекристаллизация.

При ГПД пластичность металлов значительно выше, чем при ХПД. Следовательно, энергетические затраты на ГПД значительно ниже. При ГДП стальных слитков неметаллические включения (S, P и др.) ориентируются в направлении течения металла. Несмотря на протекание рекристаллизации, неметаллические включения сохраняют ориентированную (вытянутую) форму, придавая стали волокнистое строение. Последующая обработка, в том числе и термическая, не устранит волокнистое строение. С помощью обработки давлением можно лишь менять направление волокон. Полученное волокнистое строение вызывает анизотропию механических свойств (δ, ψ, а_н).

Дата добавления: 2014-01-07