7. Обработка металлов давлением
7.1.Физико-механические основы обработки металлов давлением
Формообразование обработкой давлением основано на способности заготовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Обработкой давлением могут быть получены заготовки или детали из материалов, обладающих пластичностью, то есть способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил.
Установлено, что в монокристаллах пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений, вызывающих скольжение атомарных плоскостей друг относительно друга – явление сдвига. Плоскости скольжения характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов в направлениях, по которым межатомные расстояния минимальны. Поэтому сдвиг атомов в этих плоскостях приводит к минимальным нарушениям правильности их расположения, а следовательно смещение может быть осуществлено при наименьших напряжениях. Чем больше таких плоскостей в кристалле, тем более пластичен металл.
Одной из главных причин, определяющих плоскости скольжения, является наличие в них дислокаций. Перемещаясь под действием сил вдоль плоскости скольжения последовательно за счет единичных перемещений атомов, дислокации способствуют снижению напряжений, при которых начинается процесс пластического деформирования. После окончания процесса скольжения по одной или нескольким плоскостям, что означает, как правило, выход дислокаций, расположенных в этих плоскостях за границу кристаллита, начинается процесс скольжения в других плоскостях, где сопротивление было более высоким. Усилие деформирование будет постепенно возрастать по мере включения в процесс скольжения новых плоскостей со все более высоким уровнем сопротивления движению дислокаций. Таким образом, механизм пластического деформирования скольжением при обработке давлением можно представить, как лавинообразный процесс движения дислокаций вдоль плоскостей скольжения под влиянием сдвиговых напряжений.
Другой механизм пластической деформации – двойникование, или двойниковый сдвиг – чаще всего встречается в металлах и сплавах, имеющих гексогональную или объемно центрированную кубическую решетку. В отличие от обычного сдвига двойниковый совершается только раз и не приводит к значительным пластическим деформациям. Однако вместе с ним появляются дополнительные очаги сдвиговой деформации по механизму обычного скольжения.
Процессы, происходящие при деформировании в поликристаллических материалах, в которых кристаллиты разделены границами и имеют плоскости скольжения, различно ориентированные в пространстве, значительно более сложны. Механизм деформирования в этом случае можно представить в такой последовательности. Вначале под действием приложенных сил начинается сдвиговая пластическая деформация в зернах, плоскости скольжения которых совпадают или близки вектору максимальных касательных напряжений, а также по плоскостям, плотность дислокаций в которых максимальна. Затем последовательно в процесс включаются плоскости, сопротивление сдвигу которых более высокое. Одновременно происходит смещение и поворот соседних зерен, т.е. переориентация их в пространстве и по отношению к действующим силам. Зерна, переориентированные в положения, благоприятные для деформирования, включаются в этот процесс, вызывая поворот других, соседних с ними зерен. Одновременно со сдвигом протекают и процессы двойникования. В результате структура металла, подвергнутого значительным пластическим деформациям, характеризуется вытянутыми зернами, ориентированными в направлении интенсивного течения металла.
Схема напряженного состояния. Напряженное состояние характеризуется схемой главных напряжений в малом объеме, выделенном в деформируемом теле. При всем многообразии условий обработки давлением в различных участках деформируемого тела могут возникать следующие схемы главных напряжений (нормально направленных напряжений, действующих во взаимно перпендикулярных плоскостях, на которых касательные напряжения равны 0 (рис.7.1.): четыре объемных (а), три плоских (б) и два линейных (в). При каждом виде обработки давлением одна из представленных схем является преобладающей.
Рис.7.1. Схемы напряженного состояния.
( а - объемное, б - плоское, в -линейное)
Прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, ковка характеризуются всесторонним неравномерным сжатием. Эта схема нагружения наиболее благоприятна с точки зрения достижения максимальной степени пластической деформации. При листовой штамповке и волочении реализуется схема двустороннего сжатия с растяжением. В зависимости от действующих сил и соотношения их величин тело испытывает деформацию. Совокупность деформаций, возникающих по различным направлениям в пространстве обычно называют деформированным состоянием.
|
Схема главных деформаций может дать представление о характере изменения структуры исходного материала, направлении вытянутости межзеренных границ и зерен. Структура приобретает строчечный характер Границы зерен, содержащиеся в них загрязнения и неметаллические включения вытягиваются, образуя волокна (рис.7.2). |
Рис.7.2 Схема развития пластической деформации и переориентировки зерен ( 1- строчки; 2-волокна) |
Таким образом, металл после обработки давлением приобретает ярко выраженную анизотропию свойств.
Различные металлы и сплавы имеют различные показатели пластичности, чистые металлы более пластичны, чем твердые растворы, а однофазные структуры пластичнее двухфазных, особенно если эти фазы имеют разные свойства. При низких температурах пластичность металлов и сплавов всегда ниже, чем при высоких, так как с повышением температуры увеличивается подвижность атомов.