Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 13. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Обработка металлов давлением (ОМД) – технологический процесс формоизменения металлического тела (заготовки) за счет пластической деформации под воздействием на тело внешних сил. Все технологические процессы ОМД, принято делить на процессы, завершающие металлургический цикл (прокатка, прессование, волочение) и процессы производства заготовок деталей и готовых деталей, применяемые в машиностроении (ковка, горячая штамповка, холодная и полугорячая объёмная штамповка, штамповка с локальным нагружением, листовая штамповка, а также накатка и другие специализированные процессы). 13.1. Физико-химические основы ОМД Особенности строения металлов и сплавов Все металлы и сплавы в твердом состоянии являются веществами кристаллическими, т.е. атомы их расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке. Кристаллическое строение металлов и сплавов предопределяет одинаковость их свойств только в физически эквивалентных плоскостях и направлениях. Векторные свойства кристалла (упругость, пластичность, твердость, прочность, электропроводность, магнитная проницаемость, скорость растворения в коррозийной среде и др.) неодинаковы в различных плоскостях и направлениях. Неравномерность свойств в различных плоскостях и направлениях кристалла называется анизотропией. При рассмотрении анизотропии свойств самыми характерными являются плоскости и направления с наибольшей плотностью атомов, в которых расстояние между атомами минимально. В этих плотноупакованных плоскостях и направлениях силы связи максимальны, атомные и электрические взаимодействия более интенсивны. У аморфных тел свойства в различных направлениях одинаковы. Это явление называется изотропией. 258 В металлических кристаллах атомы удерживаются в определенных положениях металлическими связями. При металлической связи все атомы, присутствующие в данном кристалле, участвуют в обобществлении имеющихся внешних (валентных) электронов, которые могут свободно перемещаться внутри кристалла. Таким образом, в узлах кристаллической решетки металлов находятся фактически не атомы, а положительно заряженные ионы, окруженные слабо связанными с ними электронами (так называемым “электронным газом”). Металлическая связь обуславливает наличие у металлов, в отличие от неметаллических кристаллов, высокой пластичности, а также металлического блеска, высоко тепло- и электропроводности. Металлические тела, обычно получаемые в технике, представляют собой не монокристалл, а состоят из множества различно ориентированных кристаллов, т.е. имеют поликристаллическое строение. Монокристаллы металлов выращивают в особых условиях и применяют, главным образом, в полупроводниковой технике. Вследствие отсутствия условий для свободного роста в процессе кристаллизации каждый кристалл, входящий в поликристалл, имеет неправильную форму и называется, в отличие от монокристалла, зерном. Величина зерна поликристалла колеблется от нескольких миллиметров до 1…2 нм. Если зерна в теле расположены беспорядочно, то среднестатистические свойства тела в различных направлениях будут одинаковы. Это явление называется квазиизотропией (ложной изотропией), так как свойства каждого зерна зависят от выбранного направления. Строение зерен и поликристалла в целом не идеально. Дефекты поликристалла можно разделить на субмикроскопические, микроскопические и макроскопические. К субмикроскопическим дефектам относятся несовершенства атомно-кристаллического строения, отклонения от идеального расположения атомов в пространственной решетке: точечные, линейные, а также более сложные поверхностные и объемные дефекты. 259 Точечные дефекты - это вакансии, межузельные атомы и их комплексы. Вакансия - это дефект, при котором в узле решетки атом отсутствует, например, отсутствует атом в одной из вершин куба. Межузельный атом - это дефект, при котором атом находится между узлами решетки. Линейные дефекты кристаллического строения - это дефекты, размеры которых в двух направлениях соизмеримы с атомным диаметром, а в третьем – размер на несколько порядков больше, и может быть соизмерим с размерами зерна. К числу линейных дефектов относится краевая дислокация - область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости ( рис. 1.5, б). Если краевая дислокация находится вверху, то ее принимают положительной и обозначают знаком « », а если внизу - то отрицательной и обозначают «┬». Рис. 13.1. Схема пластического сдвига как результат движения краевой дислокации: а, б, в – стадии пластического сдвига; 1–7 – вертикальные ряды атомов; τ – сдвигающее напряжение; τкр – критическое напряжение; А-А – плоскость скольжения. Физические процессы при ОМД Процессы ОМД - это процессы деформирования. Металлическое тело, подвергаемое обработке давлением, называется деформируемым телом. Детали устройства или приспособления, непосредственно соприкасающиеся с деформируемым телом, через которые передается внешняя сила или создается препятствие движению тела, называются инструментами. Движения инструментов вызывает взаимное перемещение частиц деформируемого тела, т.е. процесс деформирования. 260 При ОМД различают силы поверхностные (внешние), объемные (массовые) и внутренние. Поверхностные силы действуют на поверхность контакта инструмента с деформируемым телом. К поверхностным силам относятся и силы трения, направление которых противоположно направлению движения металла по поверхности контакта с инструментом. Поверхностные силы, в том числе силы трения, делятся на активные (способствующие формоизменению) и реактивные (препятствующие заданному формоизменению). Объемные силы выражают действие массы деформируемого тела и его ускорения; в рассматриваемых процессах ими можно пренебречь, за исключением особо оговоренных случаев. Связи между частицами деформируемого тела и реактивные силы трения оказывают противодействие движению инструментов, стремящихся вызвать взаимное перемещение частиц. Противодействие деформируемого тела взаимному перемещению его частиц называется сопротивлением деформации. Поверхностные силы уравновешиваются внутренними силами, которые выражают взаимодействие частиц деформируемого тела и их сопротивление деформации. Внешние силы уравновешиваются внутренними силами. Интенсивность внутренних сил, т.е. отношение элементарной силы к элементарной площадке Fα называется напряжением. Напряжение может быть разложено на нормальное напряжение , перпендикулярное рассматриваемой площадке и касательное (сдвигающее) напряжение , действующее в плоскости площадки. Нормальные напряжения сжимают или растягивают тело по направлению нормали и в зависимости от производимого воздействия считаются отрицательными (сжатие) или положительными (растяжение). Касательные напряжения стремятся сдвинуть частицы тела относительно друг друга, их знак зависит от выбора осей. В результате взаимодействия инструментов и деформируемого тела, форма и размеры тела изменяются, происходит деформация (искажение). Деформацией принято также называть количественную оценку процесса формоизменения. В общем случае деформация состоит из трех 261 последовательных и совмещающихся этапов: упругой деформации, пластической деформации и разрушения. Напряженное состояние кристаллического тела – результат стремления атомов (ионов) вернуться к местам своего устойчивого равновесия, из которых они были выведены в результате механического воздействия на тело (в общем случае физического или физико-химического процесса). В результате механического воздействия на тело происходит повышение потенциальной энергии кристаллической решетки. При повышении потенциальной энергии атомы отклоняются от положения устойчивого равновесия, происходит изменение межатомных расстояний, ведущее к деформации (изменению формы и размеров тела). После удаления причин, вызвавших повышение потенциальной энергии, величина последней станет минимальной, напряженное состояние тела исчезнет, атомы вернутся к местам устойчивого равновесия, форма и размеры тела восстановятся. Деформация, исчезающая после удаления причин, ее вызвавших, называется упругой деформацией. Упругая деформация происходит в металле за счет изменения межатомных расстояний кристаллической решетки. Значение отклонения атома от места своего устойчивого равновесия не превышает расстояния между соседними атомами. Практически полная обратимость имеет место, если напряжения в теле не превышают предела пропорциональности. Прямая пропорциональность между напряжением и деформацией выражается в виде закона Гука: σ = Еε, где Е - коэффициент пропорциональности (модуль продольной упругости). При упругой деформации в продольном направлении (направлении растяжения) происходит увеличение размера, в поперечном уменьшение. Отношение поперечного сжатия с к продольному удлинению р называется коэффициентом Пуассона: µр = εс/εс, значение которого характеризует изменение объема деформируемого тела при упругой деформации. Е и р - основные константы упругой деформации. 262 При увеличении напряжений выше предела пропорциональности, кроме упругой е, происходит пластическая р деформация. Пластическая деформация - это деформация, остающаяся после удаления причин, ее вызывающих. Следовательно, при пластической деформации, деформация равна сумме упругой е и пластической р деформации, т.е. = е/ р. Пластическая деформация представляет собой необратимое относительное перемещение атомов или их групп деформируемого тела и при обработке давлением является следствием движения инструмента. После прекращения воздействия инструмента происходит снятие упругой деформации инструмента и деформируемого тела. Эти изменения необходимо учитывать при выборе размеров инструмента и технологии обработки. Изменения размеров деформируемого тела, по сравнению с размерами заданными инструментами, называют пружинением. Пружинение - это изменение размеров деформируемого тела вследствие снятия упругой деформации е, сопровождающей пластическую деформацию, после снятия внешней силы и прекращения воздействия инструмента. Пластическая деформация поликристалла происходит путем скольжения внутри зерен, а также направленного перемещения атомов, поворота и относительного перемещения зерен и др. Скольжение - это необратимое перемещение атомов внутри кристалла под действием сдвигающего напряжения, достигшего некоторой критической точки. Скольжение происходит в определенных, характерных для данного вещества и его кристаллической структуры, плоскостях и направлениях, как правило, с наибольшей плотностью атомов. Современная физика объясняет процесс скольжения на основе теории дислокаций. Установлено, что дополнительно к первичным дефектам, возникшим при кристаллизации, в процессе пластической деформации образуются новые, т.е. увеличивается количество вакансий, дислокаций и других дефектов. Вначале сдвигающее напряжение вызывает упругое смещение атомов вертикальных рядов 1, 2, 3 относительно плоскости скольжения А-А ( рис. 13.1, а). С увеличением сдвигающего 263 напряжения ряд атомов 1 над плоскостью скольжения А-А проскакивает нейтральное положение между двумя вертикальными рядами 11 и 21, а ряд атомов 2 превращается в экстраплоскость и образует линейную дислокацию « ». При достижении сдвигающим напряжением критической величины кр это напряжение вызывает волну последовательных смещений вертикальных рядов атомов не более чем на одно межатомное расстояние. В результате прохождения этой волны экстраплоскость перемещается из ряда 2 в ряд 3, из ряда 3 в ряд 4 и т.д. до положения, показанного на рис. 13.1, б. Далее дислокация выйдет на поверхность и исчезнет ( рис. 13.1, в). Все способы обработки давлением основаны на пластичности металлов и сплавов. Пластичность - это свойство металлов и сплавов под внешним воздействием необратимо изменять формы и размеры без разрушения. Разрушение - это процесс, в результате которого происходит нарушение сплошности деформируемого тела вследствие движения (образования и распространения) одной или множества трещин. Разрушению, как правило, предшествует пластическая деформация. Если пластическая деформация до разрушения незначительная, металл называют хрупким, если значительная - пластичным. Пластичность р измеряют значением пластической деформации до момента появления первой макротрещины. От пластичности зависит возможность получения заданной формы, интенсивность формоизменения, качество операций, производительность процесса обработки давлением. Технологическим свойством при обработке давлением, кроме пластичности, является сопротивление деформации. Сопротивление деформации определяет величину деформирующей силы, а, следовательно, силовые и энергетические параметры оборудования, стоимость инструмента и его стойкость. Сопротивление деформации измеряют значением напряжения текучести, которое равно отношению силы, действующей на деформируемое тело, к площади сечения тела в один и тот же момент времени. Таким образом, напряжение текучести является действительным или истинным 264 напряжением. Пластичность и сопротивление деформации металла или сплава определяют из испытаний на растяжение, сжатие и кручение, в условиях, соответствующих стандарту. Пластическая деформация поликристалла сопровождается упрочнением. Если необходимо упрочнение при пластической деформации отличить от упрочнения при термической и других видах обработки, его называют деформационным упрочнением. Деформационное упрочнение - сложный физико-химический процесс, при котором изменяются структура и все свойства металла. Зерна вытягиваются в направлении наибольшей деформации растяжения, и структура становится волокнистой. Происходит переход от беспорядочного расположения зерен к упорядоченному. Плоскости скольжения постепенно занимают некоторое определенное положение по отношению к направлению действующих сил, и появляется ориентировка или текстура. Ориентировка (текстура) и волокнистость ведут к анизотропии свойств. Прочность при растяжении и сжатии в направлении волокна больше, чем поперек волокна. Сопротивление срезу поперек волокна больше, чем вдоль. Анизотропия свойств деформированного тела должна учитываться при конструировании деталей машин и приборов и выборе технологии их изготовления. Направление максимальных (растягивающих и сжимающих) напряжений, возникающих при работе деталей, должно совпадать с направлением волокон, а направление максимальных касательных напряжений должно быть перпендикулярно. Волокна, полученные при обработке давлением, должны огибать контур детали. При обработке резанием волокна надрезаются, прочность и надежность в работе деталей уменьшаются. Если анизотропия нежелательна, то для ее уменьшения деформацию производят в различных направлениях. Значительное снижение анизотропии, а иногда и её полное устранение, может быть достигнуто при рациональном режиме термической обработки. Волокнистость структуры может быть также результатом неправильного расположения примесей и оксидных пленок, находящихся на границах зерен. 265 В этом случае следствием резко выраженной волокнистости (строчечности структуры) может быть слоистость (шиферность) излома, что снижает качество деталей. Процесс пластической деформации сопровождается искажением кристаллической решетки и накоплением внутризеренных и межзеренных дефектов. Это вызывает увеличение твердости, прочности, сопротивления деформации, уменьшение пластичности. При достижении некоторого предела упрочнения, зависящего от природы металла и условий деформации, происходит разрушение. Накопление дефектов ведет к уменьшению плотности, снижению тепло- и электропроводности. Пластическая деформация неравномерна, вследствие чего после пластической деформации в теле остаются остаточные напряжения, взаимно уравновешивающиеся внутри тела. Остаточные напряжения в большинстве случаев нежелательны, так как снижают сопротивление коррозии и со временем самопроизвольно снимаются, вызывая изменения форм и размеров, коробление деталей. Однако в некоторых случаях в поверхностных слоях деталей создают остаточные напряжения сжатия (дробеструйной обработкой, обкаткой и др.), что существенно увеличивает срок службы. В результате упрочения изменяются магнитные свойства: коэрцитивная сила и потеря на гистерезис увеличиваются, максимальная магнитная проницаемость уменьшается. Волокнистость и текстура повышают электропроводность в определенных направлениях. Повышает ее также и строчечность. Химическая устойчивость в различных средах уменьшается. Если деформированное, т.е. упрочненное тело нагреть, то происходит процесс, обратный деформационному упрочнению - разупрочнение. Для разупрочнения производят низкотемпературный отжиг и рекристаллизационный отжиг. При низкотемпературном отжиге значительно уменьшаются остаточные напряжения, увеличивается пластичность, незначительно уменьшаются твердость, прочность, сопротивление деформации, повышается сопротивление коррозии. Частично 266 восстанавливаются другие свойства. Практически полное разупрочнение наступает при рекристаллизационном отжиге: зерна вытянутой формы становятся равноосными; уничтожается, а иногда изменяется текстура деформации и связанная с нею анизотропия свойств, значительно увеличивается пластичность и уменьшается сопротивление деформации. Полностью снимаются остаточные напряжения, повышается химическая устойчивость и другие свойства изменяются в обратном, по сравнению с упрочнением, направлении. Рекристаллизационный отжиг основан на процессе рекристаллизации. Рекристаллизация - это процесс образования новых, т.е. неупрочненных зерен из ориентированных вытянутых, т.е. упрочненных, зерен деформированного поликристалла. Температура начала рекристаллизации (Тн.р) для металлов высокой чистоты Тн.р. = (0,1...0,2) Тпл, для обычных металлов Тн.р = (0,3...0,4) Тпл, для сплавов гомогенных Тн.р = (0,4...0,6) Тпл, для сплавов гетерогенных Тн.р = (0,6...0,8) Тпл, где Тпл - температура плавления в абсолютных градусах (градусах Кельвина). Различают две основных стадии рекристаллизации, которые практически происходят одновременно: первичная и собирательная. Первичная рекристаллизация - это процесс образования зародышей, из которых растут новые (неупрочненные) зерна. Собирательная рекристаллизация - это процесс роста зерен из образовавшихся зародышей. Процесс роста происходит до достижения равновесного состояния, определяемого температурой нагрева. Интенсивность протекания процессов рекристаллизации и разупрочнения в целом зависит от физической природы металла или сплава, увеличивается с повышением температуры разупрочняющей термообработки и увеличением деформации тела перед термообработкой. Поскольку процесс рекристаллизации не мгновенный, то для завершения рекристаллизации требуется определенное время. Если время недостаточно, то процессы рекристаллизации, а соответственно и разупрочнения, пройдут не полностью. 267 Большая часть механической энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию ( 75…90 %) переходит в тепловую. Это явление называется тепловым эффектом. Следовательно, фактическая температура тела, его деформации Тдеф = Тн + ∆Т, где Тн - температура деформируемого тела до деформации (температура окружающей среды или температура нагрева); Т - повышение температуры тела из-за теплового эффекта (температурный эффект). Если Тдеф Тн.р, то пластическая деформация тела сопровождается протеканием двух противоположных процессов: упрочнения и разупрочнения. Величина упрочнения определяется физической природой вещества и степенью деформации, степень разупрочнения - полнотой процесса рекристаллизации. Рекристаллизация происходит во времени с определенной скоростью, зависящей от температуры и природы вещества (содержание примесей). Чем выше температура и степень деформации, тем больше скорость рекристаллизации. Время разупрочнения определяется скоростью деформации. Чем выше скорость деформации, тем меньше времени для разупрочнения. Кроме того, процесс усложняется тем, что увеличение скорости деформации уменьшает время для рассеивания тепла. Таким образом, факторы температуры, скорости и степени деформации неотделимы и их следует рассматривать совместно. Совокупность значений температуры, скорости и степени деформации называют термомеханическим режимом обработки давлением. Так как условия рекристаллизации при отжиге и в процессе пластической деформации отличаются, то рекристаллизацию при отжиге называют статической рекристаллизацией, в процессе деформации - динамической рекристаллизацией. В зависимости от термомеханического режима деформации различают следующие виды пластической деформации: Холодная деформация, при которой происходит упрочнение и отсутствует разупрочнение. Неполная холодная или подобная холодной, при которой происходит упрочнение и разупрочнение вследствие возврата. Неполная горячая деформация, при 268 которой происходят упрочнение и частичная (неполная) рекристаллизация, т.е. неполное разупрочнение. Горячая деформация, при которой происходят упрочнение и практически полная рекристаллизация, т.е. полное разупрочнение. Наиболее распространена в технике горячая деформация, которая, как правило, предшествует холодной. При горячей деформации слитка литая (дендритная) структура разрушается, уменьшается химическая и структурная неоднородность. По сравнению с литым, горячедеформированный металл имеет большую прочность, и, особенно, пластичность, большую ударную вязкость. Пластичность в ряде случаев возрастает в 1,5…2 раза и более, что позволяет вести дальнейший процесс с большими степенями деформации, т.е. более производительно. При применении высоких степеней деформации (отношении сечений до и после деформации, равном 10 или более) увеличивается прочность не только при обычных, но и знакопеременных нагрузках. Структура после деформации получается практически полностью рекристаллизованной. Однако вытянутость примесей и структурных неоднородностей в направлении максимальной деформации растяжения ведет к волокнистости и в некоторых случаях к слоистости (шиферности излома). В случае объемного сжатия происходит частичное заваривание неокисленных пустот и раковин. Сопротивление деформации при горячей обработке, по сравнению с холодной, меньше в 5…15 раз. Благодаря этому уменьшаются затраты энергии на обработку, повышается в 2…3 раза производительность и сокращается потребная мощность оборудования. К недостаткам горячей деформации относятся окисление поверхности, окисление и возгонка окисляющихся и летучих компонентов в поверхностном слое, меньшая точность размеров, что увеличивает расход металла и объем отделочных операций обработкой резанием. Холодная деформация по сравнению с горячей имеет следующие преимущества: Высокое качество поверхности и значительная точность размеров, что сокращает расход материала и удешевляет, а иногда и 269 полностью исключает отделочные операции обработки резанием. Повышаются прочность и упругость, равномерность и стабильность свойств и структуры. В сочетании с термической обработкой обеспечивается возможность получения заданных физико-механических свойств (ударной вязкости, штампуемости, постоянства удельного электросопротивления и т.д.). Для рационального выбора вида деформации необходимо знание зависимости пластичности и сопротивления деформации от температуры. Губкиным С.И. на основе фундаментальных исследований и обобщения передового производственного опыта предложено все металлы, обрабатываемые давлением, разделить на три группы: 1. Металлы, имеющие высокую пластичность и обрабатываемые давлением в условиях холодной и горячей деформации (медь, алюминий, никель, конструкционная сталь и алюминиевые сплавы, большинство латуней и бронз, медноникелевые сплавы и др.). 2. Металлы, имеющие высокую пластичность и обрабатываемые давлением только в условиях холодной и неполной холодной деформации (горячеломкие металлы и сплавы). Это металлы и сплавы, содержащие легкоплавкие составляющие, располагающиеся по границам зерен. К горячеломким сплавам относятся бронзы, содержащие фосфор, олово, свинец и др. 3. Металлы, имеющие высокую пластичность и обрабатываемые давлением только в горячем состоянии (холодноломкие металлы и сплавы). К группе холодноломких металлов и сплавов относятся магний и магниевые сплавы. Сопротивление деформации с повышением температуры монотонно уменьшается. Исключение составляют низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием азота. У этих сталей при нагревании до 300 С и незначительной скорости деформации сопротивление деформации увеличивается. Пластичность в этом интервале температур уменьшается. При повышении скорости деформации максимум для сопротивления деформации 270 и минимум для пластичности смещается с 300 С до 500 С. Эти стали не рекомендуется применять для холодной деформации и недопустимо применять для листовой штамповки крупногабаритных деталей, в том числе кузовных деталей автомобилей. На пластичность и сопротивление деформации существенно влияет напряженное состояние деформируемого тела и его неравномерность. Чем больше сжимающие напряжения, тем больше пластичность. Создавая всестороннее неравномерное сжатие и исключая концентрацию напряжений можно обрабатывать хрупкие в обычных условиях материалы. Наличие растягивающих напряжений снижает пластичность (сравните при дальнейшем изучении курса процессы выдавливания, волочения и вытяжки при листовой штамповке). При действии одноименных напряжений (только растягивающих или только сжимающих) сопротивление деформации увеличивается, разноименных (растягивающих и сжимающих) сопротивление деформации уменьшается. |