2. Общие сведения о теории кшп

2.1 Понятие о пластической деформации

В твёрдых телах существуют достаточно большие силы взаимосвязи атомов, чтобы противостоять действию силы тяжести, и без воздействия внешних сил твёрдые тела сохраняют свою форму и размеры. Приложение внешних сил к твёрдому телу вызывает изменение его формы и размеров, что сопровождается изменением расстояния между отдельными материальными точками, составляющими данное тело, или же изменением размеров и формы элементарных объёмов, на которые можно разделить рассматриваемое тело.

Для оценки величины формоизменения вводят понятие деформации. Их можно разделить на абсолютные и относительные.

Абсолютная деформация выражает абсолютное изменение какого-либо линейного размера.

Относительная деформация характеризует относительное изменение тех же величин. Обычно относительную деформацию определяют как отношение абсолютного изменения какого-либо параметра (абсолютной деформации) к первоначальному значению этого параметра.

Степень деформации является относительной деформацией, характеризующей общее формоизменение деформируемого тела. При неравномерном распределении деформаций в теле степень деформации даёт представление о некоторой средней для всего тела величине деформации.

Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении действия внешних сил и твёрдое тело полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию называют упругой деформацией.

Если же при прекращении действия внешних сил твёрдое тело не полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию называют пластической (остаточной) деформацией.

Как упругая, так и пластическая деформация происходят без разрушения деформируемого тела или отдельных его участков (без нарушения сплошности).

Способность твёрдого тела получать пластические деформации называют пластичностью. Пластичность можно оценивать максимальной величиной пластической деформации, которую можно получить без разрушения деформируемого тела. Пластичность зависит от условий деформирования, и её следует рассматривать не как свойство какого-либо материала, а как его состояние.

Любая деформация – и упругая, и пластическая – может осуществляться в твёрдых телах путём относительного смещения атомов. При упругой деформации величина смещения атомов из положений равновесия не превышает расстояния между соседними атомами.

С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твёрдого тела возрастает. Смещение атомов из положения равновесия является реакцией на действие внешних сил на всё твёрдое тело или его отдельную часть. В любых условиях нагружения действие внешних сил на тело уравновешивается противодействием межатомных сил, стремящихся вернуть атомы в положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии.

Под нагрузкой атомы всегда смещены из положений равновесия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформирования общая (полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформирующих сил. Это есть так называемый закон наличия упругой деформации при пластическом деформировании.

2.2 Деформация при повышенных температурах: возврат и рекристаллизация. Динамическая и статическая рекристаллизация.

При нагревании деформируемого металла в последнем возникают разупрочняющие процессы, а именно возврат и рекристаллизация. Таким образом, при повышенных температурах в процессе деформации протекают одновременно как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы.

При нагреве до определённых температур амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положение равновесия. В связи с этим возникающие при деформировании упругие деформации зёрен в значительной мере выравниваются, что обеспечивает снижение остаточных напряжений после снятия внешних усилий. Это явление называется возвратом (отдыхом).

Для чистых металлов возврат проявляется при абсолютных температурах выше (0,25÷0,30)Т_пл, где Т_пл – абсолютная температуры плавления. Наличие растворимых примесей в металле приводит к увеличению температуры возврата (отдыха).

Возврат в процессе обработки приводит и к увеличению пластичности. Тем не менее, деформирование при температурах возврата сопровождается упрочнением, хотя интенсивность его несколько меньше.

Возврат не оказывает влияния на размеры и форму зёрен, которые при деформации с наличием возврата, так же как и при его отсутствии, вытягиваются в направлении более интенсивного течения металла. Возврат также не препятствует образованию текстуры при деформации.

Возврат протекает во времени; с увеличением температуры скорость возврата увеличивается. В связи с этим эффект возврата зависит от соотношения между температурой и скоростью деформации. Повышение скорости деформации при данной температуре может снизить эффект возврата.

У ряда металлов и сплавов, например у углеродистой стали, при температурах возврата может возникать явление старения, оказывающее противоположное возврату влияние на механические свойства. Старение приводит к увеличению показателей прочности при одновременном уменьшении показателей пластичности.

Увеличение температуры деформируемого металла сверх температуры возврата ведёт к возникновению процесса рекристаллизации. Рекристаллизация при пластической деформации заключается в появлении зародышей, возникновении и росте новых зёрен взамен деформированных.

Деформация металла при температурах выше температуры рекристаллизации сопровождается двумя противоположно и одновременно действующими процессами: деформацией зёрен (упрочнением) и их рекристаллизацией.

Процесс рекристаллизации происходит во времени с некоторой скоростью, величина которой зависит от температуры и степени деформации.

Для чистых металлов, по данным А.А. Бочвара, температуры начала рекристаллизации определяется из соотношения

Т_рекр ≈ 0,4Т_пл,

где Т_рекр – абсолютная температура рекристаллизации;

Т_пл – абсолютная температура плавления.

Наличие растворимых примесей несколько повышает температуру рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации сплавов обычно выше, чем для составляющих сплав металлов, хотя температура плавления ниже. Связь между величиной зерна после деформации с рекристаллизацией, температурой и степенью деформации обычно представляется объёмными диаграммами рекристаллизации (второго рода), которые строятся по результатам специально проводимых экспериментов и являются характерными для каждого металла и сплава. На рисунке 2.1 представлена объёмная диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали. Аналогичный характер имеют диаграммы рекристаллизации и для других металлов и сплавов. Особенностью зависимости величины зерна после деформации с рекристаллизацией от степени деформации является наличие так называемых критических степеней деформации, при которых наблюдается резкое увеличение рекристаллизованных зёрен. Величина критической степени деформации при температурах, близких к температуре начала рекристаллизации, обычно не превышает 8-10 % и уменьшается при увеличении температуры (зона критических степеней деформации смещается к началу координат).

Главной особенностью процесса деформации металла при ковочных температурах является возможность осуществления в широком диапазоне скоростей и степеней деформации, когда металл находится в состоянии повышенной пластичности.

При ковке на прессах степень деформации слитка за один ход пресса обычно не превышает 20 %. При этом скорости деформации изменяются, как правило, в диапазоне ε = 0,002…0,05 с^-1.

Рисунок 2.1 – Объёмная диаграмма рекристаллизации

низкоуглеродистой стали

Пластическая деформация в указанных выше температурно-скоростных условиях является термодинамически неравновесным процессом. Металл упрочняется непосредственно в ходе деформации. Одновременно с этим в металле протекают процессы, которые приводят к его частичному разупрочнению. Полное разупрочнение происходит уже после деформации при условии, что металл сохраняет высокую температуру. Упрочнение вызвано увеличением плотности дислокаций под влиянием внешних сил, а также взаимодействием дислокации, сопровождающимся образованием сложных дислокационных сплетений, стабильность и подвижность которых зависит от условий деформации.

Процессы разупрочнения приводят к уменьшению плотности дислокаций, к их перераспределению с образованием энергетически более стабильных структур.

При горячей обработке давлением различают горячую и неполную горячую деформации.

При этих видах деформации разупрочнение является следствием динамической и статической рекристаллизаций. Если в ходе деформации происходит переползание дислокаций (вакансионное), которое приводит к рассыпанию дислокационных стенок и их кристаллографической переориентации, образование новых центров рекристаллизации, рост зародышей зёрен миграций их больше угловых границ, то такие процессы определяются термином «динамическая рекристаллизация».

Рекристаллизация, которая совершается после деформации при последующем нагреве металла (после холодной или горячей деформации) или при последующем после деформации (например, ковке слитка) охлаждении, называется статической. По мере завершения статической рекристаллизации зерно становится равновесным. Прочностные свойства металла уменьшаются, а пластические – возрастают.

Для определения температурных интервалов деформации удобно использовать понятие гомологической температуры Т_г, представляющей собой отношение температуры, при которой происходит деформация, к температуре плавления металла (в градусах Кельвина). Например, если ковка стали производится при температуре 900 °С, то

Т_г = (900+273) / (1539+273) = 1173 / 1812 = 0,65

Горячая деформация – это деформация, в ходе которой происходит частичное разупрочнение за счёт диффузионного переползания дислокаций и динамической рекристаллизации. Даже при температуре 1200 °С и скорости деформации ε = 10^-4с^-1 у обычных конструкционных сталей наблюдается после деформации остаточное упрочнение металла, которое окончательно снимается в паузе между деформированиями за счёт статической рекристаллизации. Для примера приведём границы горячей деформации для некоторых сталей, выраженные в гомологических температурах:

Сталь	Ст 3	45	У12	40Х	1Х18Н9Т
Тг	0,62	0,66	0,70	0,66	0,83

Неполной горячей деформацией является деформация, в ходе которой происходит частичная динамическая рекристаллизация, т.е. металл в ходе деформации частично разупрочняется. Наряду с рекристаллизованными, в металле наблюдаются вытянутые, деформированные зёрна. Наличие их приводит к возникновению остаточных напряжений, снижает пластичность. Полное разупрочнение происходит после деформации за счёт статической рекристаллизации. В этом случае время разупрочнения больше, чем при горячей деформации. Неполная горячая деформация может происходить в следующих интервалах гомологической температуры:

Сталь	Ст 3	45	У12	40Х	1Х18Н9Т
Тг	0,46-0,62	0,43-0,66	0,5-0,70	0,49-0,66	0,68-0,83

Размер зерна зависит от температуры, скорости, степени деформации и химического состава стали или сплава. Общепринятая форма графического изображения этих данных – диаграммы рекристаллизации, на которых изображается зависимость средней величины зерна от степени деформации (ε, %) и температуры отжига или деформации (t, °С).

Чаще всего строят диаграммы рекристаллизации двух типов. Если рекристаллизационный отжиг приводят после холодной деформации, то строят диаграммы первого рода. На них изображают зависимость средней величины зерна от степени деформации и температуры последующего рекристаллизационного отжига при определённой, одинаковой для всех температур, длительности отжига.

Диаграммы второго рода строят в случае горячей деформации. Они показывают зависимость средней величины зерна от степени и температуры горячей деформации без отжига после деформации. На рисунке 2.2 показаны диаграммы рекристаллизации второго рода для низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,06 % и сплава ХН77ТЮР.

Рисунок 2.2 – Диаграммы рекристаллизации второго рода: а – сталь низкоуглеродистая с 0,06 % С; б – сплав ХН77ТЮР

Из диаграммы видно, что при определённой степени деформации и характерной для каждого сплава температуре начинается интенсивный рост зерна. Такая деформация называется критической.

В таблице 2.1 приведены значения критических степеней деформации некоторых сталей и сплавов. Чтобы избежать интенсивного роста зерна с момента окончания ковки до момента полного охлаждения поковки при температурах выше температур начала рекристаллизации, т.е. при температурах ковки слитков, деформация на последних обжатиях пресса должна быть ниже или значительно больше критической.

Если необходимо обеспечить ковку в широком интервале температур при недостаточной мощности оборудования, принимается степень деформации ниже критической. Если же требуется обеспечить ковку в узком интервале температур или допускается ковка при любых высоких температурах, то степень деформации можно принять выше критической.

Таблица 2.1 Критические степени деформации при ковочных температурах некоторых металлов и сплавов

Металл (сплав)	Критическая степень деформирования εкр, %
Fe	4,5-6,0
Низкоуглеродистые стали	8,0-12,0
Fe + Si	5,0-8,5
Сталь ШХ15	3,0-7,0
Полуферритная сталь (17 % Сr)	2,0-5,0
Ферритная сталь (30 % Сr)	2,0-5,0
Аустенитная сталь (18 % Сr, 10 % Ni )	1,0-10,0
Стали типа 45Х15Н15В2М	1,0-5,0
Стали типа 4Х12Н8Г2	1,0-10,0
Жаропрочные сплавы на никелевой основе типа
ХН77ТЮ, ХН70 и др.	1,0-12,0
Сr	2,5-7,0
Cu (99,99 %)	1,0-4,3
Cu + 0,5 % С	2,0-18,0
Cu + 0,013 %	5,0
Cu + 0,1 %	1,5
Ni + 0,040 %	2,0
Ti	8,0
Ti + С (0,08 %)	10,0
Ti + W (0,144 %)	10,0
Ti + N (0,049 %)	12,0
Ti + С (0,04 %)	10,0
Ti + Fe (0,2 %)	12,0
Магний и магниевые сплавы	3,0-10,0
Серебро и платина	2,0-3,0

2.3 Определение сопротивления деформированию в процессе ковки слитков

Сопротивление деформированию представляющее собой величину удельного усилия, вызывающего пластическую деформацию при данных условиях нагружения и температурно-скоростных условиях деформирования, является важной характеристикой деформируемого металла, определяющей энергосиловые и кинематические параметры процесса ковки слитков.

Основные энергосиловые параметры пресса определяют расчётным путём, причём, определяющим фактором является величина сопротивления деформированию. В связи с этим точность расчётов зависит от достоверности определения сопротивления деформированию, зависящего не только от термомеханических параметров ковки, но и от закона, по которому изменяется деформация во времени.

Процесс горячей пластической деформации является термодинамически неравновесным. Металл при деформации упрочняется. Одновременно с этим происходит полигонизация или рекристаллизация, которые приводят к частичному разупрочнению металла. Фактическая величина сопротивления деформированию зависит не только от того, насколько полно и интенсивно развиваются процессы разупрочнения, но и от температуры, степени и скорости деформации, а также времени деформирования. При этом учитывается уменьшение сопротивления деформированию за счёт разупрочнения, происходящего как в ходе ковки слитков, так и во время пауз между обжигами.

При достаточно высоких скоростях деформации (малых паузах между обжатиями) металл частично разупрочняется. Возникающее остаточное упрочнение металла при ковке слитков за несколько ходов пресса накапливается от перехода к переходу.

Учёт процессов упрочнения – разупрочнения металлов при определении сопротивления деформированию необходим для разработки рациональных технологических процессов ковки.

Профессор Соколов Л.Н. разработал методику определения сопротивления деформированию сталей в зависимости от температуры Т, степени деформации ε и скорости деформации с учётом разупрочнения металла как в ходе нагружения, так и во время последеформационной выдержки. Методика основана на использовании экспериментальных кривых упрочнения – разупрочнения металлов и способе определения высокотемпературного предела текучести при ступенчатом охлаждении деформируемых образцов. Автором были выполнены экспериментальные исследования по определению высокотемпературных пределов текучести различных сталей (рисунки 2.3, 2.4). Было установлено, что пределы текучести сталей σ_т в интервале температур 0,4…0,5 Т_пл ≤ Т ≤ 0,7…0,8 Т_пл монотонно убывают (по закону Н.С. Курнакова) при возрастании температуры. С увеличением легирующих добавок предел текучести возрастает. При одинаковых температурно-скоростных условиях деформации сопротивление деформированию оказывается большим у той стали, у которой при рассматриваемой температуре предел текучести выше. Анализ экспериментальных данных по упрочнению-разупрочнению ряда сталей показывает, что при одинаковой температуре, степени и скорости деформации отношение сопротивления к соответствующему пределу текучести есть величина постоянная. Поэтому для ряда сталей можно на основании экспериментальных данных построить семейства кривых относительного упрочнения σ / σ_т (ε, ε, Т). Эти семейства (рисунок 2.5, а, б, в) в сочетании с зависимостями пределов текучести сталей от температуры позволяют определять значение сопротивления деформированию стали в рассматриваемых температурно-скоростных условиях деформации.

Рисунок 2.3 – зависимости пределов текучести конструкционных сталей от температуры: 1 – 20Х; 2 – 40Х; 3 – 55С2; 4 – 60С2А; 5 – 30ХГСА; 6 – 9ХФ; 7 – 9ХС; 8 – 5ХВ2С

Рисунок 2.4 – Зависимости пределов текучести высоколегированных сталей и сплавов от температуры: 1 – 30Х13; 2 – 0Х23Ю5А; 3 - 40Х13; 4 – 14Х17Н2; 5 – 08Х18Н10Т; 6 – Х20Н80; 7 – ХН38ВТ; 8 – ХН70ВМТЮ

Рисунок 2.5 – Кривые относительного упрочнения сталей: а – 900 °С; б – 1000 °С; в – 1100…1200 °С

2.4 Виды деформации при ОМД.

Упрочняющие и разупрочняющие процессы при обработке давлением протекают во времени с определёнными скоростями, обусловленными условиями деформации (температура, скорость и степень деформации) и природой деформируемого металла.

В зависимости от того, какой из процессов будет преобладающим, результаты деформации будут различны.

По С.И. Губкину различают горячую, неполную горячую, неполную холодную и холодную деформацию.

Горячей деформацией (с полным разупрочнением) называют такую, в процессе которой рекристаллизация успевает произойти полностью. В результате горячей деформации металл получает полностью рекристаллизованную равноосную микроструктуру при отсутствии каких-либо следов упрочнения.

При неполной горячей деформации (с неполным разупрочнением) рекристаллизация протекает не полностью. При неполной горячей деформации, а также после окончания деформации в металле одновременно имеют место микроструктуры двух разных типов: рекристаллизованная (с равноосными зёрнами) и нерекристаллизованная (с вытянутыми зёрнами). Неполная горячая деформация может иметь место при температурах деформации, мало превышающих температуру начала рекристаллизации, причём вероятность её возникновения увеличивается с возрастанием скорости деформации.

Неполной горячей деформации (особенно при деформировании литого металла) следует избегать, так как она обусловливает низкое качество поковки.

Неполной холодной деформацией (с неполным упрочнением) называют такую, при которой рекристаллизация отсутствует, но процесс возврата успевает произойти. В результате неполной холодной деформации металл получает полосчатую микроструктуру без следов рекристаллизации, а при значительной деформации – текстуру деформации. Пластические свойства его выше, чем у металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.

Неполная холодная деформация может быть при температуре деформации большей, чем температура начала возврата; при этом скорость деформации должна быть такой, чтобы возврат успевал полностью произойти.

При холодной деформации (с полным упрочнением) рекристаллизация и возврат полностью отсутствуют, и деформированный металл имеет все признаки упрочнения. Холодная деформация протекает при температурах, меньших температуры начала возврата.

Таким образом, температурно-скоростные условия оказывают существенное влияние на строение деформированного металла.

2.5 Влияние температуры на сопротивление деформированию и пластичность.

Сопротивление деформированию – это величина удельного усилия, вызывающая пластическую деформацию при данных условиях нагружения и температурно-скоростных условиях деформирования. При линейном растяжении или сжатии сопротивление деформированию эквивалентно напряжению текучести.

Повышение температуры металла оказывает существенное влияние и на его механические характеристики. О ходе изменения показателей прочности и пластичности с увеличением температуры можно судить по приведенным на рисунке 2.6 графикам. Из графиков видно, что нагрев углеродистой стали примерно до 100 °С несколько увеличивает пластичность и уменьшает сопротивление деформированию. Дальнейшее увеличение температуры примерно до 300 °С значительно уменьшает пластичность и увеличивает прочность (зона синеломкости). Это предположительно объясняется выпадением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения аналогично процессу старения. Дальнейшее увеличение температуры приводит к постепенному , но значительному уменьшению прочности. При температурах порядка 1000 °С предел прочности уменьшается более чем в 10 раз.

Рисунок 2.6

В отношении показателей пластичности характерно их некоторое уменьшение в области температур, при которых возможна неполная горячая деформация, и в области температур фазовых превращений (часто оба эти явления происходят при почти одинаковых температурах).

Снижение пластичности в области температур фазовых превращений объясняется наличием в деформируемом теле одновременно двух фаз с различными свойствами, что приводит к увеличению неравномерности напряжённого и деформированного состояний.

Общим положением для всех металлов и сплавов является то, что наибольшую пластичность они имеют при температурах рекристаллизации, т.е. в условиях горячего деформирования, которым одновременно соответствуют и малые значения показателей прочности, а следовательно, и сопротивления деформированию.

2.6 Влияние горячей деформации на свойства металла.

Заготовки, имеющие литую структуру (слитки, литые заготовки), обычно подвергают обработке давлением в условиях горячей деформации.

Литая структура характеризуется наличием в ней крупных кристаллитов первичной кристаллизации, по границам которых расположены прослойки, обогащённые примесями и неметаллическими включениями.

Деформирование литой структуры приводит к дроблению кристаллитов и вытягиванию их в направлении наиболее интенсивного течения металла. Одновременно с этим происходит вытягивание в том же направлении межкристаллитных прослоек, содержащих неметаллические включения. При достаточно большой степени деформации неметаллические включения принимают форму прядей, вытянутых в направлении наиболее интенсивного течения металла, образуя так называемую полосчатость микроструктуры (однако полосчатость микроструктуры в условиях горячего деформирования отсутствует). Полосчатость макроструктуры выявляется при травлении шлифа и при наличии значительного количества неметаллических включений наблюдается невооружённым глазом или при незначительном увеличении (до десятикратного). При этом строение металла на макрошлифе имеет волокнистый вид (рисунок 2.7)

Рисунок 2.7

Возникновение полосчатости макроструктуры одновременно приводит к векториальности механических свойств (анизотропии).

Показатели пластичности вдоль и поперёк волокон значительно отличаются, причём разница в их значениях возрастает с увеличением степени деформации.

2.7 Влияние скорости деформации на пластичность и сопротивление деформированию.

Обычно определения механических свойств металлов производят на испытательных машинах со скоростями деформирования, не превышающими 10 мм/с. Обработка давлением на прессах и ковочных машинах ведётся при средней скорости движения рабочего органа машины в пределах примерно 0,1-0,5 м/с. При обработке на молоте воздействие на металл носит уже динамический характер; скорость бабы молота в момент удара составляет 5-10 м/с, а весь процесс деформации за один удар длится лишь сотые доли секунды. Поэтому весьма важно знать, можно ли при анализе и проектировании процессов обработки давлением пользоваться данными о механических свойствах металлов, полученными путём обычных испытаний. Иначе говоря, очень важно знать, как влияет скорость деформации на пластичность и напряжение текучести.

В первом приближении можно сказать, что при увеличении скорости деформации напряжение текучести возрастает, а пластичность падает.

С увеличением скорости деформации особенно резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скорости деформации большинство алюминиевых сплавов, низколегированная и углеродистая конструкционная стали. Последние обладают при горячей обработке вполне достаточной пластичностью при любых практически применяемых скоростях деформирования.

Влияние скорости деформации при холодной обработке давлением значительно меньше, чем при горячей. Интенсивность роста этого влияния больше в диапазоне малых скоростей (мм/мин) и весьма мала в диапазоне больших скоростей.

Однако приведенные данные требуют уточнения. Надо учитывать, прежде всего, два существенных обстоятельства: наличие при горячем пластическом деформировании двух противоположных процессов: упрочняющего и разупрочняющего (возврат и рекристаллизация), а также тепловой эффект пластической деформации.

Многие исследователи пытались аналитически выразить зависимость напряжения текучести от скорости деформации при заданной температуре и степени деформации. Наибольшего внимания заслуживают формулы, предложенные П. Людвиком

и А. Рейто

Здесь σ_s и σ_s0 – напряжения текучести соответственно при скоростях деформации ε и ε₀; n и m – константы, определяемые экспериментально.

С.И. Губкин считает, что первой формулой целесообразно пользоваться в области температур деформации с полным и неполным упрочнением, а вторую применять для температур деформации с полным и неполным разупрочнением. Это в общем подтверждает и Л.Д. Соколов в своих исследованиях, посвящённых изучению влияния температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию.

При практических расчётах можно учитывать влияние скорости деформации при помощи так называемого скоростного коэффициента ψ_с, показывающего, во сколько раз увеличивается напряжение текучести при том или ином увеличении скорости деформации.

2.8 Силы и напряжения.

Если к какому-нибудь телу приложить внешнюю силу и создать препятствие движению тела, которое стремится вызвать приложенная сила, то в теле возникнут внутренние силы, и произойдёт его деформация.

Появление внутренних сил необходимо для уравновешивания сил внешних, которые могут взаимно уравновешиваться только при действии на абсолютно твёрдое тело, а таких тел в природе не существует. Механизм появления внутренних сил заключается в изменении междуатомных расстояний, что ведёт к изменению формы тела. Таким образом в деформации, кроме внешних сил, должны принимать участие и внутренние силы.

Внешние силы, действующие при деформации, можно разделить на : 1) приложенные силы, активные; 2) реактивные силы, производящие давление инструмента на металл; 3) силы трения (активные и реактивные).

Приложенные силы создаются каким-либо механическим действием, например, движением прессшайбы в контейнере пресса, падением бойка молота на деформируемый объект, вращением валков и т.д. Величина приложенных сил определяет количество энергии, необходимой для деформации, так как произведение этих сил на путь, пройденный ими, есть работа деформации.

Мощность двигателей машин-орудий, производящих деформацию, и величину усилий, которые должны развивать эти машины, определяют, исходя из величины усилия, которое необходимо приложить для создания деформации.

Реактивные силы, производящие давление инструмента на металл, возникают в результате создания препятствия движению металла.

Силы трения между металлом и обрабатывающим инструментом имеются почти при всех процессах обработки металлов давлением. Силы трения могут играть как активную, так и реактивную роль.

Интенсивность внутренних сил, обозначается термином напряжение. Общим понятием напряжения является предел отношения внутренней силы, действующей на весьма малую площадку, к указанной площадке:

σ = Lim Δ P/Δ F,

где Δ P – равнодействующая внутренних сил, вызванных на весьма малой площадке Δ F.

Отношение вызванных в некотором сечении внутренних сил к указанному сечению можно обозначать термином напряжение только в том случае, если внутренние силы распределены в рассматриваемом сечении равномерно. В случае неравномерного распределения сил по сечению отношение внутренних сил к сечению следует обозначать термином среднее напряжение.

Термин напряжение нельзя смешивать с термином удельное давление, под которым в обработке металлов давлением понимается внешняя сила, действующая на единицу поверхности, ограничивающей очаг деформации.

Следует также различать термины напряженное состояние точки и напряжённое состояние тела. Под первым понимается тензор напряжений, определяющий величину и направление напряжения, действующего на весьма малую площадку, помещённую в данную точку и ориентированную любым образом. Под напряжённым же состоянием тела понимается состояние вынужденного отклонения атомов от их положений устойчивого равновесия, благодаря чему атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

2.9 Механическая схема деформации.

Весьма большое значение для исследования процессов деформации при обработке металлов давлением имеет понятие о механической схеме деформации, разработанное С.И. Губкиным.

Механическая схема деформации для данного элементарного объёма даёт графическое представление о наличии и знаке главных напряжений и главных деформаций. Она представляет собой совокупность схемы главных напряжений и схемы главных деформаций.

Вследствие постоянства объёма максимальная по абсолютной величине главная деформация равна сумме двух других, взятой с обратным знаком. Таким образом, одна из деформаций, максимальная по абсолютной величине, всегда имеет знак, противоположный знаку двух других. Отсюда следует, что может быть только три вида схем главных деформаций: 1) схемы с одной деформацией положительной и двумя другими отрицательными, т.е. растяжение; 2) с одной деформацией, равной нулю, и двумя другими, равными по абсолютной величине и противоположными по знаку (плоское деформированное состояние – сдвиг); 3) с одной отрицательной и двумя положительными деформациями; т.е. сжатие. Частный случай растяжения: две отрицательные деформации равны между собой. Такое растяжение можно накзвать простым. Аналогично простым сжатием будет такое, при котором две положительные деформации равны между собой.

Первый и третий виды схем содержат объёмные схемы, второй – плоскую схему главных деформаций. Все схемы в то же время и разноимённые, поскольку знаки деформаций различны (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8

Схемы главных напряжений, исходя из количества возможных векторов, бывают линейные (один вектор) – линейное напряжённое состояние, плоские (два вектора) – плоское напряжённое состояние и объёмные (три вектора) – объёмное напряжённое состояние. При этом линейных схем будет две с положительным (растягивающим) или отрицательным (сжимающим) напряжением. Плоские и объёмные схемы, кроме того, могут быть одноимённые и разноимённые. В одноимённых схемах все напряжения одного знака.

Разноимённые схемы бывают: плоские – только одного вида, а объёмные – двух (с двумя положительными напряжениями и одним отрицательным или наоборот). Таким образом, существует всего девять видов схем главных напряжений (рисунок 2.9): два линейных, три плоских и четыре объёмных.

Рисунок 2.9

Общее число возможных видов механических схем деформаций может быть 23.

Механические схемы деформации отображают схему действующих сил и определяют характер формоизменения. Процессы деформации механически сравнимы, если они имеют одну и ту же преобладающую схему. Следовательно, различные процессы деформации можно классифицировать по их механическим схемам. При рассмотрении операций обработки металлов давлением можно пользоваться для их характеристики механическими схемами деформации С.И. Губкина. Для примера на рисунке 2.10 приведено несколько элементарных схем, являющихся преобладающими при проведении указанных на рисунке операций.

Как видно из рисунка 2.10, у одинаковых по результатам и схеме главных деформаций процессов могут быть, исходя из приведенной классификации, различные схемы главных напряжений (например, выдавливание и волочение), и, наоборот, при сходных схемах главных напряжений характер деформации может быть различным (например, осадка и выдавливание).

Рисунок 2.10

Схемы главных деформаций предопределяют характер изменения физико-механических свойств металла при деформировании. Так, получение равномерного волокна наиболее легко достижимо при схеме главных деформаций с одной положительной деформацией и двумя равными по величине отрицательными деформациями. При этой же схеме наиболее интенсивно происходит образование текстуры и упрочнение.

Однако по схеме главных деформаций, не обращаясь к схеме главных напряжений, нельзя судить ни о сопротивлении деформированию, ни о пластичности металла в процессе деформации. Так, при схеме с двумя деформациями растяжения и при схеме с двумя деформациями сжатия пластичность металла может быть одинаковой. Пластичность и сопротивление деформированию зависят от схемы главных напряжений.

При переходе от плоских разноимённых схем через линейное растяжение к одноимённым схемам с растягивающими напряжениями пластичность металла при деформировании уменьшается, и, наоборот, при переходе через линейное сжатие к одноимённым схемам со сжимающими напряжениями пластичность увеличивается (рисунок 2.9). Таким образом, при деформировании в условиях, отвечающих одноимённым схемам со сжимающими напряжениями, пластичность металла всегда больше, чем при одноимённых схемах с растягивающими напряжениями.

По словам С.И. Губкина: «Чем меньшую роль в схеме (главных напряжений) играют растягивающие напряжения и чем большую роль играют сжимающие, тем большую способность к пластической деформации проявляет металл».

Что касается сопротивления деформированию, то наибольшим сопротивлением отличается металл в условиях деформирования при одноимённых схемах главных напряжений (сжимающих или растягивающих). При деформировании в условиях разноимённых плоских и объёмных схем, а также линейных сопротивление деформированию снижается.

2.10 Механический анализ процесса деформации

Каждый процесс пластической деформации определяют следующие три основных фактора: механическая схема деформации, температурно-скоростной режим и неравномерность распределения деформаций.

От указанных трёх факторов зависят: 1) сопротивление деформации (затрата энергии на деформацию); 2) пластичность (способность металла к необратимому изменению формы); 3) структура; 4) физико-механические свойства.

Со всем этим весьма тесно связаны вопросы экономики и организации производства, а также качества и точности размеров выпускаемой продукции.

Механическая схема деформации зависит от выбранного процесса деформации и определяется схемой главных напряжений и схемой главных деформаций.

Схема главных напряжений влияет на сопротивление и способность металла к необратимому изменению формы.

Схема главных деформаций, а также величина её показателей (величина максимальной главной деформации и соотношение между величинами главных деформаций) влияют на величину зерна, на форму и распределение включений, на расположение и направление волокна, на текстуру и механические свойства.

Схема главных напряжений связана с вопросами, решением которых занимается механика пластических сред, схема же главных деформаций – с вопросами металловедения. Таким образом, механическая схема деформаций устанавливает самую тесную связь между механикой пластических сред и металловедением.

Установление температурно-скоростного режима связано главным образом с вопросами металловедения, а анализ неравномерности распределения напряжений и деформаций в деформируемом теле связан главным образом с вопросами механики пластических сред.

Таким образом, выбор процесса деформации для получения желаемого формоизменения, установление надлежащего температурно-скоростного режима, установление рациональных типов машин-орудий и определение их мощности – всё это вытекает из решения целого ряда сложных взаимно связанных вопросов, для решения которых необходимо совместное привлечение как механики пластических сред, так и металловедения. Правильное решение может быть обеспечено только в том случае, когда имеется отчётливое представление о механических особенностях предполагаемого процесса деформации. Это представление можно составить, произведя механический анализ процесса деформации.

Механический анализ должен установить: 1) схему действующих сил; 2) роль внешнего трения; 3) механическую схему деформации; 4) распределение деформаций; 5) эпюру удельных давлений. Кроме того, механический анализ должен по возможности установить характер эпюр дополнительных напряжений первого рода, действующих в деформируемом объёме. Перейдём к рассмотрению каждого из перечисленных вопросов.

1. Схема действующих сил. Для решения этого вопроса в сложных случаях выделяют бесконечно малый элемент в разных частях деформируемого объёма и рассматривают силы, действующие на этот элемент. Таким способом возможно установить, остаётся ли схема действующих сил одной и той же для всего деформируемого объёма или изменяется.

2. Роль внешнего трения. Сюда относится уяснение следующих вопросов:

а) влияние трения на специфические особенности деформаций, характерные для рассматриваемого процесса. Например, при прокатке степень деформации ограничена величиной коэффициента внешнего трения;

б) влияние трения на положение и размеры очага деформирования и на распределение деформаций в этом очаге; например, при осаживании деформируемый объём вследствие влияния трения разбивается на три области с различными степенями деформации;

в) влияние трения на соотношение главных деформаций, т.е. на величину уширения и вытяжки в случае трёхосной несимметричной деформации;

г) влияние трения на появление дополнительных напряжений первого рода.

3. Механическая схема деформации. Для установления этой схемы надо определить схему основных главных напряжений и схему главных деформаций.

4. Распределение деформаций. При решении этого вопроса следует выяснить эпюры главных деформаций, изменение направления главных деформаций, если таковые имеются.

5. Эпюра удельных давлений. Количественное решение этого вопроса может быть произведено аналитическим способом или экспериментально. Качественное решение может быть основано на построении эпюры деформаций при помощи метода координатной сетки или другим способом.