36. Физико-механические основы обработки давлением.

Для правильного выбора машин, проектирования технологи­ческих процессов и рациональной геометрии инструмента необ­ходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, т. е. их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия неболь­шие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на рассто­яния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пласти­ческую деформацию или же остаточное изменение формы и разме­ров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ἑ. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее характеризуют величиной удельного усилия (напря­жения σ), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела рас­пределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки да­влением. Если нормальное напряжение о_и (направленное перпен­дикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверх­ности контакта заготовки 1 с инструментом 2 (рис. 20, а) или заменено его средней величиной сг_ср в случае неравномерного рас­пределения <х_н по контактной поверхности, то дефор­мирующее усилие Р = cF или Р = o_cpF, где F — площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикуляр­ную к направлению деформирующего усилия. Определение де­формирующего усилия требуется для выбора машин для обра­ботки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зави­сят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение ско­рости деформации (изменение степени деформации в единицу вре­мени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление де­формированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих метал­лов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее не­равномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластич­ности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении.

Пластичность, а следовательно, и технологические возмож­ности обработки давлением следует рассматривать не как неизмен­ное свойство какого-либо материала, а как его состояние, завися­щее от условий обработки. Следует создавать комплекс условий (мелкозернистая структура металла, соответствующие темпера­тура и скорость деформации), в которых некоторые металлы переходят в состояние сверхпластичности.

Процессы обработки давлением в состоянии сверхпластичности, позволяют осуществлять огромные деформации .металлов и сплавов при пониженном сопротивлении их деформированию. При этом несколько технологических операций совмещают в одной операции и для обработки давлением используют менее мощное оборудова­ние. Дальнейшее совершенствование технологии обработки давле­нием базируется на глубоком изучении природы пластической деформации.

37. Холодная пластическая деформация металлов возникает в ре­зультате изменения формы и размеров зерен (внутрикристаллитная деформация) и их относительного перемещения (межкристаллитная деформация). В первом случае деформирование проходит по самим зернам (след 1 на рис. 29 а), во втором — по границам зерен (след 2). Основную роль в процессах пластического формо­образования играет внутрикристаллитная деформация, так как при межкристаллитной холодной деформации возникают повре­ждения и трещины на границах зерен.

Рис.29. Схемы деформирования зерен материала.

Внутрикристаллитное деформирование происходит в боль­шинстве случаев скольжением. При действии на зерно силы Р (рис. 29 б) на плоскостях, наклоненных к направлению этой силы, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна относительно друг друга. При достижении критической величины касательного напряжения произойдет скольжение — параллельное смещение тонких слоев кристаллита относительно смежных слоев по плоскостям скольжения (рис. 28 в), которые наблюдаются на поверхности деформированного металла в виде тонких линий. Более глубоко процесс скольжения можно объяс­нить с помощью теории дислокаций.

Межкристаллитное деформирование - это смещение и взаим­ный поворот зерен относительно друг друга без нарушения сплош­ности металла. В результате холодного деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, образуя полосчатую микроструктуру. Вместе с зернами вытягиваются и неметаллические включения на их границах,' образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению механических и физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, ме­няется электропроводность, магнитная проницаемость металла и т. д.

При нагреве холоднодеформированного металла и деформировании нагретого металла в нем происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Возврат для чистых металлов проявляется при температуре выше 0,ЗТ_пл и выше. Увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов искаженной кристаллической решетки позволяет им вернуться в положение устойчивого равновесия, и остаточные напряжения в металле снимаются. При этом несколько увеличивается пластич­ность, а полосчатая и волокнистая структура металла не ме­няется.

Рекристаллизация происходит при увеличении температуры до 0,4Т_пл для чистых металлов. При этом подвижность атомов достаточна для их перегруппировок, приводящих к возникнове­нию и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристал­лической структурой взамен деформированных. Наклеп пол­ностью снимается, полосчатая структура переходит в равноосную, а волокнистая структура сохраняется, так как вытянутые не­металлические включения не подвергаются рекристаллизации. Если в процессе деформирования рекристаллизация успевает пол­ностью произойти, деформацию называют горячей.

Обработка давлением существенно влияет на свойства мате­риала. Она позволяет улучшить качество литого металла, так как литая дендритная структура преобразуется в относительно мелкое равноосное зерно. При горячей деформации ликвидируются пу­стоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев ме­талла.

Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек), поэтому те­чение металла при обра­ботке давлением следует направлять так, чтобы во­локна совпадали с на­правлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Например,при изготовлении коленчатых валов штамповкой прочность его на 10—15% выше прочности вала, полученного обработкой резанием. Для некото­рых изделий волокнистость нежелательна. В таких случаях ее устраняют частично или полностью многократным изменением направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокаткой листов в продольном, поперечном направле­нии и по диагонали). Наклеп при холодной деформации в 1,5—2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности, поэтому в некоторых случаях изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании и сознательно управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.