Скоростное пластическое деформирование металлов

Радзивончик В.Ф.

Харьков, 1967 г.

Известно, что температура деформирования влияет на сопротивление металлов деформации. Изучению этого влияния посвящено много работ. Детальный анализ его будет дай в главе II.

Пластическое деформирование металлов в ряде случаев сопровождается немеханическими явлениями типа аллотропических и фазовых превращений, деформационного старения и т. п. Эти явления ведут к изменению энтропии деформируемого металла, а следовательно к увеличению или уменьшению его сопротивления деформации.

В результате нейтронной бомбардировки часть атомов металлов выбивается из узлов кристаллической решетки и занимает места в междоузлиях, что влечет за собой повышение потенциальной энергии связи и рост сопротивления деформированию.

Проведенный анализ показывает, что сопротивление металлов деформированию зависит от степени, скорости и температуры деформации, наличия немеханических явлении типа аллотропических и фазовых превращений, деформационного старения и т. п., от степени нейтронного облучения, а также других физико-химических воздействий и явлений.

Учет всех этих факторов либо части их в современных теориях малых упруго-пластических деформации и пластического течения связан со значительными математическими трудностями. Кроме того, математический аппарат этих теорий не дает возможности получить хотя бы в общей феноменологической форме зависимости, выражающие связь сопротивления металлов деформированию с указанными выше факторами.

Целесообразнее было бы решать задачи теории пластичности, исходя из дискретности строения, т. е. рассматривая взаимодействие каждого структурного элемента среды со всеми остальными ее структурными элементами. Такая задача сводится к проблеме многих тел в квантовой механике. На современном этапе развития науки этот подход встречает значительные математические трудности, а полученные результаты малопригодны для практического использования.

Пластическое деформирование, как и любой другой процесс в материальном мире, сопровождается изменением энергетического состояния металлов. Установлено, что после пластической деформации электрическое сопротивление, гальванический потенциал, коэрцитивная сила резко изменяются. В таких металлах легче протекают процессы рекристаллизации, распада твердых растворов, диффузии и т. п.

Экспериментальные исследования, выполненные Н. В. Тыжновой [661, Ю. А. Студенок [671, Μ. М. Дегтяревым [68], С. Сато [69], П. Гордоном [701, Л. Клэрборо [711 и др., подтвердили, что при пластическом деформировании металлов не вся энергия, переданная им в виде работы, рассеивается. Некоторое количество ее накапливается в виде скрытой потенциальной энергии, большая часть которой при деформировании с малыми скоростями обусловливается искажениями кристаллической решетки, а при деформировании с высокими скоростями — недостаточной, по сравнению со скоростью деформации, быстротой снятия этих искажений. Количество скрытой потенциальной энергии, появляющейся при пластическом деформировании металлов, фазовых и т. п. превращениях, а также при нейтронном облучении, сравнительно невелико. Однако наличие этого вида энергии при дальнейшем деформировании приводит к резкому повышению уровня рассеиваемой механической энергии. Поэтому желательно анализировать процессы пластического деформирования металлов, исходя не из закономерностей движения сплошных сред, а из более общего закона природы — закона сохранения энергии.

Изменение плотности полной энергии в любой точке деформируемой среды можно представить в виде суммы двух слагаемых.

Как известно, изучением влияния немеханических факторов на изменение внутренней энергии различных сред занимается термодинамика. Энергетический подход позволяет привлечь к анализу пластического деформирования металлов мощный математический аппарат термодинамики необратимых процессов. С помощью этого аппарата можно учесть в общей феноменологической форме влияние таких факторов, как степень, скорость и температура деформации, а также явлений типа аллотропических и фазовых превращений и им подобных па скорость изменения плотности внутренней энергии, а через нее — на поле напряжений при обычных и высокоскоростных процессах обработки металлов давлением.

Ряд технологических процессов такой обработки (ковка на молотах и др.) рассчитывается по энергиям, необходимым для осуществлеиия заданных деформаций. При этом нет смысла определять поле напряжений.

Величина потребной работы может быть найдена интегрированием по объему значений изменения плотности полной энергии, вызванного деформированием. Энергетический метод должен обеспечить расчет потребных работ с учетом температурно-скоростных условии деформирования без определения поля напряжений.

Проектирование высокоскоростных процессов обработки металлов давлением производится по схеме, представленной на рис. 1.

При этом одним из важнейших этапов является расчет усилий или работ, необходимых для получения заданных деформаций металлов в определенных температурно-скоростных условиях. Для этого необходимо провести широкие теоретические и экспериментальные исследования пластической деформации металлов при разных условиях высокоскоростного деформирования.

Рассматриваемый в настоящей работе метод анализа пластического деформирования металлов базируется на законе сохранения энергии и назван энергетическим методом. В полученных с его помощью зависимостях скорость изменения плотности внутренней энергии входит в качестве слагаемого только в уравнение неразрывности потока полной энергии. Это позволяет без особых математических трудностей оценить влияние указанных выше факторов на сопротивление металлов деформированию и через него — на величину потребных усилий и работ. Энергетический подход к анализу процессов пластического деформирования металлов позволяет разработать стройную и цельную методику расчета этих процессов в широком диапазоне скоростей деформирования и деформации с учетом ряда факторов механического и немеханического характера.