Теория обработка металлов давлением

Теория обработка металлов давлением

Сторожев М.В., Попов Е.А.

Машиностроение, 1977 г.

 2.8. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИДЕФОРМАЦИИ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЮ

Обычно определения механических свойствметаллов производят на испытательных машинах со скоростями деформирования, не превышающими 10 мм/с. Обработкадавлением на прессах и ковочных машинах ведется при среднейскоростидвижения 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 процессДЕФОРМАЦИИ за один удар длится лишь сотые доли секунды. Еще более высокие скоростидеформирования возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (20—30 м/с и выше), а также при штамповке взрывом, электрогидравлическим разрядом, магнитоимпульсным и другими видами импульсного нагружения, ныне с успехом внедряющимися в промышленность. Поэтому весьма важно знать, можно ли при анализе и проектировании процессовобработкидавлением пользоваться данными о механических свойствах металлов, полученными путем обычных испытаний. Иначе говоря, очень важно знать, как влияет скоростьДЕФОРМАЦИИ на пластичность и напряжение текучести.

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

С увеличением скоростиДЕФОРМАЦИИ особенно резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скоростиДЕФОРМАЦИИ большинство алюминиевых сплавов, низколегированная и углеродистая конструкционная стали 139]. Последние обладают при горячей обработке вполне достаточной пластичностью при любых практически применяемых скоростяхдеформирования [12].

Влияние скоростиДЕФОРМАЦИИ при холодной обработкедавлением 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. О возврате и рекристаллизации говорилось ранее. Тепловой эффект выражается в том, что энергия, расходуемая на пластическую деформацию, превращается в основном в теплоту. Коэффициентвыхода теплоты, по данным С. И. Губкина, составляет для чистых металлов 0,85—0,90, для сплавов 0,75—0,85. Остальная часть работыДЕФОРМАЦИИ идет на повышение внутренней энергии металла. Тепловой эффект при прочих равных условиях уменьшается с увеличением температуры деформации, так как с повышением температуры падает напряжение текучести и снижается энергия, необходимая для деформации. Поэтому при одной и той же степениДЕФОРМАЦИИ данного образца в холодном и горячем состоянии в последнем случае теплоты выделится меньше. Если скоростьДЕФОРМАЦИИ малая, то теплота будет рассеиваться и процесс будет протекать почти изотермически. Наоборот, при больших скоростяхДЕФОРМАЦИИ выделяющаяся теплота повысит температуру тела, иначе говоря, будет наблюдаться температурный эффект. На основании сказанного температурныйэффект при горячей ДЕФОРМАЦИИ меньше как вследствие выделения меньшего количества теплоты, так и потому, что количество выделившейся теплоты мало по сравнению с теплосодержанием нагретого металла.

При холодной обработкедавлением разупрочняющне процессы не происходят. Напряжение текучести растет со степеньюдеформации в результате упрочнения, изменение скорости в некоторых пределах мало влияет на ход процесса. В отдельных же случаях холодной обработкидавлением при высоких скоростяхдеформирования в результате температурного эффекта может возникнуть явление возврата; напряжение текучестистанет меньше, а пластичность больше, чем это было при более низкой скорости.

При горячей ДЕФОРМАЦИИ идет процесс рекристаллизации. Чем выше скоростьДЕФОРМАЦИИ и чем меньше скорость рекристаллизации, тем больше напряжение текучести и тем меньше пластичность.

Сталь при низких температурах нагрева и магниевые сплавы при нормальном температурноминтервалековки имеют очень малую скорость рекристаллизации, поэтому повышение скоростиДЕФОРМАЦИИ может изменить характер обработки: из горячей она обратится в неполную горячую, что и вызовет резкое уменьшение пластичности при одновременном росте напряжения текучести.

2.9. СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ

Явление сверхпластичности характеризуется резким (на один-два порядка) увеличением удлинения при испытании на растяжение при значительном (иногда более чем на два порядка) уменьшении сопротивлениядеформированию по сравнению со значениями, характерными для обычных условий деформирования.

Особенностью деформирования при линейном растяжении в состоянии сверхнластичности является резкое увеличение равномерной (без образования шейки) деформации. Впервые такой необычный процессдеформирования был отмечен в работах Розенхейма, А. А. Бочвара и др.. В настоящее время это явление изучается достаточно интенсивно, а деформирование в состояниисверхпластичности начинает получать промышленное применение.

Было установлено, что явление сверхпластичности чаще наблюдается у эвтектических и эвтектоидных сплавов, таких, как сплавы олова со свинцом и висмутом, сплавы 78% цинка и 22% алюминия и т. п. В несколько меньшей степени явление сверхпластичности проявляется при определенных условиях в сплавах и металлах, имеющих полиморфные превращения (переход феррита в аустенит, аустенита в мартенсит и т. п.), таких, как железо, сплавы железа с никелем, марганцем, хромом. Также было установлено, что возможность возникновения сверхпластичности зависит от размеров зерен и температурно-скоростных условий деформирования.

Для возникновения сверхпластичности желательно, чтобы зерна были равноосными, а размеры их были порядка 1—2 мкм (размеры зерен в обычных деформируемых металлах порядка 10—100 мкм).

В экспериментах было установлено, что при сверхпластичности относительное удлинение при линейном растяжении, превышающее даже 1000%, не приводит к заметному изменению микроструктуры. Это свидетельствует о том, что механизм пластической ДЕФОРМАЦИИ при сверхпластичности существенно отличается от механизма обычной пластической ДЕФОРМАЦИИ (скольжение и двойникование).

Исследования показали, что в явлении сверхпластичности определяющую роль играют процессы, протекающие вблизи межфазовых или межзеренных границ, а пластическая деформация осуществляется главным образом путем межкристаллитной деформации, а также вакансионной и дислокационной ползучестью. Для реализации такого механизма пластической ДЕФОРМАЦИИ необходимо увеличение потенциальной энергииполикристалла за счет энергии .пограничных участков зерен (с уменьшением размеров зерен увеличивается их суммарная поверхность) и энергиидефектов строения зерен (дислокаций, вакансий и т. п.).

Раздробление зерен может осуществляться холодной пластической деформацией со степенями деформации, превышающими 50%. При таких деформациях существенно развиваются межзеренные границы как по протяженности, так и по уровню потенциальной энергии пограничных участков вследствие скопления дислокаций у границ зерен. Кроме того, указанная холодная деформация увеличивает фрагментацию зерен путем образования блоков мозаики и увеличения степени их разориентировки (накопление дислокаций по границамблоков мозаики).

5.9. КОНТАКТНОЕ ТРЕНИЕ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

5.9.1. Особенности пластического трения

Подавляющее числооперацийобработкиметалловдавлением осуществляется в условиях соприкосновения обрабатываемого металла с давящим инструментом. При этом частицы деформируемого металла скользят по поверхности инструмента, в результате чего возникают силы контактного трения, затрудняющие это скольжение.

Трение при обработкеметаллов давлением, за исключением отдельных операций, когда оно играет активную роль (например, прокатка, вальцовка, некоторые операции листовой штамповки и др.), является вредным фактором.

1. Контактное ТРЕНИЕ ведет к возникновению неоднородности ДЕФОРМАЦИИ или усиливает эту неоднородность, если последняя определяется самим характером осуществляемой операции. Это объясняется тем, что в каждой точкеповерхности контакта возбуждаются элементарные касательные силы трения, что вызывает появление касательных напряжений на контактных поверхностях деформируемого тела, направленных противоположно направлению скольженияметалла относительно поверхностиинструмента в каждой данной точке. В результате может измениться и сама схема напряженного состояния. Например, наличие сил трения при осадке создает объемнуюсхему напряжений, в то время как при отсутствии трения напряженное состояние было бы линейным. Действие трения от контактных поверхностей распространяется в глубину деформируемого тела, и создаются зоны затруднен ной деформации. Неоднородность ДЕФОРМАЦИИ нарушает идентичность условий протекания упрочняющих и разупрочняющих процессов в объеме тела, в результате чего может возникать неоднородность металла (различная степеньупрочнения по объему поковки, различная величина зерна и т. п.).

2.                     Контактное ТРЕНИЕ в конечном итоге преодолевается активной нагрузкой. Следовательно, контактное ТРЕНИЕ увеличивает необходимое деформирующее усилие и работу деформации. Увеличение усилия бывает весьма заметным •— в несколько раз.

3.                     Контактное ТРЕНИЕ снижает стойкостьинструмента как в результате непосредственного износа контактной поверхности, так и вследствие дополнительного нагрева поверхности и увеличения напряжений в связи с ростом деформирующего усилия.

4.                     Контактное ТРЕНИЕ вызывает необходимость применения технологических смазок. Это усложняет технологический процесс, а также иногда требует предварительной обработки исходного материала (например, нанесения пластмассовых пленок, фосфатирования).

Трение при пластическом деформировании существенно отличается от тренияскольжения в кинематических парах.

Большое внимание особенностям пластического трения уделил И. М. Павлов, которым и сформулированы основные отличия его от непластического («машинного») трения, излагаемые далее [64].

В кинематических парах давление между соприкасающимися поверхностями относительно мало, и последние находятся в упругом деформированном состоянии. При пластическом деформированииповерхностьинструмента деформирована упруго, а обрабатываемое тело деформируется пластически, его поверхность подвергается смятию и стремится принять формуповерхности инструмента.

В результате действительная (фактическая) площадь контакта пластически деформируемой заготовки с инструментом увеличивается с повышением степени деформации, а равно и при выполнении процессов с высоким сжимающим средним нормальным напряжением. При этом действительная площадь контакта необратимо приближается к номинальной, т. е. к геометрической площади трущихся поверхностей. Так, например, эксперименты на сжатие в контейнере холодных образцов из чистого алюминия показали, что при давлении, превышающем пределтекучести в 4 раза, значение действительной площади контакта составляет 95% от номинальной при отсутствии смазки, 55% — при смазке минеральным маслом и 25% — касторовым маслом [133].

6.9. КРАТКОЕ СОПОСТАВЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ

Метод составления и совместного решения приближенных уравненийравновесия и пластичности для анализа силового режима процессовобработкиметалладавлением является наиболее простым и наглядным. Он позволяет находить непосредственным интегрированием уравнения, выражающие распределение напряжений на контактной поверхности, и получать уравнения зависимости удельных усилий от различных факторов, играющих роль в том или ином технологическом процессе. В известной мере этот метод пригоден и для решения простейших задач по формоизменению, например по нахождению разделов течения. Приемлемость получаемых решений подтверждается расчетами, проведенными с использованием других методов, например методалиний скольжения. Однако метод совместного решения приближенных уравненийравновесия и пластичности принципиально не пригоден для получения распределения напряжений по объему деформируемого тела. Кроме того, есть некоторые задачи, которые этим методом разрешить не удается, например определить усилие внедрения пуансона в полупространство, что выполнимо методомлиний скольжения.

Метод линийскольжения в инженерном его выражении является вполне доступным и часто позволяет находить распределение напряжений в объеме тела, решать некоторые вопросы, касающиеся формоизменения и распространения очага деформации. Однако получение замкнутых решений возможно лишь в отдельных случаях. Обычно после получения эпюры нормальных напряжений на поверхности необходимо подобрать подходящую алгебраическую зависимость для ее выражения.

Метод приближенных уравнений и методлинийскольжения не исключают друг друга, наоборот, вполне целесообразно их совместное использование.

Метод сопротивленияматериалов пластическим деформациям позволяет, как указывалось ранее (стр. 222), решать разнообразные задачи. В частности, его ценной особенностью является широкое использование экспериментальных данных, а также применение разнообразных вспомогательных таблиц. метод этот, кроме того, нагляден и вполне доступен для изучения.

Этого нельзя сказать про методбалансаработ с использованием экстремальных принципов, который вместе с тем требует многочисленных математических выкладок даже при введении ряда дополнительных упрощающих предпосылок и допущений. В дальнейшем область его полезного использования будет расширяться, особенно в связи с применением ЭВМ.

Таким образом, в теорииобработкиметалловдавлением находят применение разные и отнюдь не взаимно исключающие друг друга методыанализа технологических процессов.

7,3.1. Протяжка заготовки прямоугольного сечения под плоскими бойками

Протяжка представляет собой кузнечную операцию, посредством которой увеличивается длина заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения. Протяжка в общем случае осуществляется путем последовательных «обжимов» заготовки с кантовкой ее после каждого обжима. Два обжима с кантовкой заготовки между ними будем называть «переходом». Таким образом, в целом процессДЕФОРМАЦИИ при протяжке не является монотонным (см. стр. 222). На каждом обжиме процесспротяжки прямоугольного бруса можно в общем случае представлять как последовательную осадку смежных участков заготовки. При этом к каждому осаживаемому участку примыкают с концов его свободные участки заготовки, не находящиеся под воздействием инструмента — бойка. Последние задерживают течениеметалла в горизонтальной плоскости по направлению, перпендикулярному к оси заготовки, чем увеличивают неравномерность деформации, а равно и деформирующую силу.

В свою очередь, участок, непосредственно находящийся под бойками, воздействует на примыкающие к нему зоны свободных участков. Поэтому в этих переходных зонах возникают области пластической деформации, протяженность которых зависит от соотношения геометрических размеров, величины трения и других условий деформирования, но в общем случае незначительные. За областями пластической ДЕФОРМАЦИИ следуют области упругой деформации, а затем свободные участки заготовки становятся полностью недеформированными или, как говорят, следуя И. М. Павлову, «жесткими».