2. Краткие теоретические сведения об обработке металлов давлением
2.1. Термомеханические модели сопротивления материалов пластическим деформациям. Горячая и холодная обработка металлов давлением.
При деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал при деформации в этих условиях упрочняется.
Повышение температуры деформации способствует возвращению металла из структурно-неустойчивого состояния, полученного в результате пластических деформаций, в более устойчивое структурное состояние. Снятие искажений кристаллической решетки называется возвратом, или отдыхом. При повышенных температурах происходит образование новых зерен – рекристаллизация. Абсолютная температура, при которой отдых и рекристаллизация происходят более интенсивно, чем искажение кристаллической решетки и упрочнение, пропорциональна абсолютной температуре плавления. Для металлов обычной технической чистоты отношение абсолютной температуры рекристаллизации к абсолютной температуре плавления равно 0,3–0,4:
.
(2.1)
Отношение абсолютной температуры к абсолютной температуре плавления называют гомологической температурой.
Для сплавов, особенно для жаропрочных сплавов, рекристаллизация соответствует более высоким гомологическим температурам, которые в некоторых случаях достигают 0,8.
Например,
для стали при температуре плавления
Тпл=1811 К
при комнатной температуре Т=
273+20=293 К гомологическая температура
,
а для свинца, имеющего температуру
плавления 600 К при той же комнатной
температуре гомологическая температура
равна
.
Поэтому стальной образец при растяжении или сжатии в этих условиях будет упрочняться с ростом деформации, а свинцовый не будет упрочняться. Для стали в этих условиях имеет место «холодная» деформация, а для свинца – «горячая».
Холодной называют деформацию, осуществляющуюся при температуре ниже температуры рекристаллизации. Характерным признаком холодной деформации является изменение структуры кристаллической решетки и формы зерен, которые вытягиваются в направлениях наибольших линейных деформаций (в главных направлениях деформации), образуя текстуру металла. Структурные изменения и образование текстуры сопровождаются изменением механических и физико-химических свойств металла – упрочнением. Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, как правило, могут быть устранены последующей термической обработкой – отжигом.
В этих условиях деформирования, характерных для невысокой температуры и постоянной невысокой скорости деформации зависимость интенсивности напряжений от интенсивности деформаций принято аппроксимировать функцией степенного вида:
.
(2.2)
Холодная обработка давлением обеспечивает получение деталей с чистыми поверхностями и точными размерами, а также с повышенными механическими свойствами в сравнении со свойствами исходного материала. Холодная обработка давлением является малоотходным и высокопроизводительным способом получения заготовок и деталей. Недостатки холодной обработки давлением – относительно небольшая пластичность, ограничивающая получение больших деформаций и существенное изменение формы деформируемых деталей, а также увеличенные силы деформирования, возникновение внутренних напряжений, трещин и др. Холодная обработка давлением чаще применяется для получения небольших деталей, иногда в сочетании с предварительным нагревом до температуры ниже температуры рекристаллизации.
Горячей называют деформацию при температуре, равной или выше температуры рекристаллизации. При горячей деформации рекристаллизация успевает произойти во всем деформированном объеме заготовки одновременно с деформированием, в результате чего микроструктура металла оказывается равноосной и упрочнение снимается.
При горячей обработке давлением сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной (рис. 2.1).
Для сталей горячая обработка давлением соответствует гомологическим температурам 0,6–0,8. Поэтому ее можно применять для изготовления более крупных деталей. С повышением температуры нагрева увеличивается пластичность металлов и сплавов, что позволяет снизить число переходов (ручьев, калибров) при формообразовании сложных деталей.
При необходимости учесть влияние температуры на предел текучести используют уравнения экспоненциального или степенного вида:
,
(2.3)
.
(2.4)
Если металл по окончании деформации имеет не полностью рекристаллизованную структуру, со следами упрочнения, то такую деформацию называют неполной горячей.
Рис. 2.1. Влияние температуры на предел прочности стали 45
Зависимости предела текучести деформируемого материала от интенсивности деформаций при горячей деформации при постоянной температуре и постоянной скорости деформации имеют вид прямой, параллельной оси деформации:
.
(2.5)
В отличие от температуры, повышение которой приводит структуру металла к равновесному состоянию, повышение скорости деформации уменьшает время, необходимое для рекристаллизации и разупрочнения, и напротив приводит к повышению предела текучести, т.е. к упрочнению. При повышенных температурах влияние скорости деформации усиливается.
При относительно небольших изменениях скорости деформации ее влияние на предел текучести, как правило, несущественно. Однако различные технологические способы механической обработки материалов могут весьма существенно отличаться уровнями скорости деформации. Так, например, при горячей прокатке скорости деформации могут изменяться в 10 000 раз: от 0,1 с-1 для блюмингов и слябингов, до 1000 с-1 – для проволочных станов горячей прокатки. В этих случаях влияние скорости деформации и температуры необходимо учитывать (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Влияние скорости деформации и температуры
на предел прочности стали 45 при относительном удлинении = 20
Отношение пределов текучести при повышенной скорости деформации и при скорости деформации, соответствующей стандартным условиям испытаний, называют коэффициентом динамичности K. Для крупных заготовок необходимо учитывать также и масштабный фактор (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Влияние диаметра заготовки на коэффициент , учитывающий влияние масштабного фактора на предел текучести
Уравнения, связывающие предел текучести деформируемого материала с факторами, характеризующими условия деформирования, иногда называют определяющими уравнениями.
Уравнения (2.3, 2.4) могут рассматриваться как частные случаи более общего определяющего уравнения, отражающего влияние на предел текучести и деформации, и скорости деформации, и температуры. Примером такого обобщенного определяющего уравнения может служить функция вида
(2.6)
где Т = Т - Т0 – приращение гомологической температуры.