Самый страшный враг железных конструкций – коррозия металла . Она разрушает любое металлическое изделие, особенно в условиях повышенной влажности. Коррозии подвержено не только железо, но и другие металлы, хотя время разрушения изделий из них существенно больше. Человечество постоянно борется с разрушениями, вызванными коррозией металла , и создаёт разнообразные способы защиты от неё, но глобального решения проблемы пока не найдено, и каждый год десятая часть металла оказывается разрушенным коррозией.

Более всего подвергаются коррозионному разрушению разнородные металлы, собранные в одном изделии. Если металлы имеют различные электрохимические потенциалы, то при воздействии влаги они превращаются в электроды, и быстро разрушаются. Так свойства меди оказываются несовместимыми со свойствами железа и алюминия. Несовместим алюминий с оловом, а цинк с медью.

Упругость и пластичность металлов

Помимо коррозионной устойчивости и совместимости друг с другом, важны для использования и другие механические свойства, такие как, например, прочность, пластичность металлов , их упругость. Сравним проволоку одинакового сечения, но сделанную из различных металлов. Проволока из алюминия рвётся достаточно легко, а медная и железная - способны противостоять большим нагрузкам. Недаром струны музыкальных инструментов, функции которых как раз и заключаются в способности выдержать высокие нагрузки, делают из стали. Повышенная прочность металла на растяжение необходима также проводам ЛЭП, тросам, и многим другим конструкциям. Помимо прочности металла на растяжение имеет значение прочность на сжатие, изгиб, и другие.

Если тонкую стальную пластину согнуть, и затем отпустить, она распрямится, проявляя такое свойство, как упругость металлов . Часто металлоконструкции специально проектируются так, чтобы они проявляли упругость. Так упругая деформация требуется пружинам, булавкам, амортизаторам. Другие изделия проектируются так, чтобы упругость была минимальной. Это характерно в первую очередь для балок или различных механизмов.

Свойство, обратное упругости металлов , называется пластичностью. Оно проявляется в том, что изделие под влиянием нагрузки меняет свою форму - деформируется, но не разрушается при этом. А после того, как нагрузка снята, сохраняет эту новую форму. Примером может служить гвоздь, согнутый при ударе, и так и остающийся в согнутом состоянии.

Пластичность металлов особенно важна при их художественной обработке методами, чеканки, скани, выколотки и многими другими. Прочность, пластичность металлов возрастает при термической их обработке, а также в результате термохимических воздействий; например цементации стальных сплавов или азотирования. Испокон века использовался для увеличения прочности такой способ, как поверхностный наклёп. Мы все знаем такое выражение, как "отбивать косу". А означает это - упрочнение рабочей поверхности косы способом проковывания наружного слоя металла.

Сложности выбора идеального металла

Невозможно найти металл, свойства которого оказались бы идеально подходящими для какой-либо конкретной конструкции. В качестве примера можно взять обычную посуду - кастрюлю. Издавна для её изготовления брали медь и медные сплавы, отличающиеся хорошей теплопроводностью. Однако медные изделия слишком быстро окислялись и приходили в негодность. В 18-ом веке внутреннюю поверхность кастрюль и другой посуды научились лудить - наносить слой олова, препятствовавший окислению.

Новейшая разработка исследователей из Швеции - трёхслойная посуда особой долговечности: внешний слой её из теплоёмкой и теплопроводной меди, средний - из алюминия, а внутренний - из устойчивой к окислению нержавейки.

О пластичности металла при любых условиях его деформа­ции до последнего времени судили по результатам испыта­ний образцов на растяжение. На основании этих данных считают, что пластичность всех металлов тем выше, чем выше температура, при кото­рой он подвергается обработ­ке. В действительности такое влияние температуры не явля­ется общим.

Ю. М. Чижиков рекоменду­ет пять типовых закономерно­стей влияния температуры на предел пластичности Δh/H, ха­рактеризуемый относительным обжатием (рис. 51). Кривая 1 характеризует металлы и спла­вы, пластичность которых с по­вышением температуры увели­чивается. Эта кривая типична для углеродистых и легирован­ных конструкционных сталей и др. Кривая 2 приведена для металлов и сплавов, пластичность которых с повышением температуры понижается. Эта кривая годна только для некоторых высоколегированных сплавов, но она представляет больший инте­рес, показывая, что с повышением температуры пластич­ность не всегда повышается. Кривая 3 характеризует ме­таллы и сплавы, пластичность которых очень мало изме­няется с повышением температуры. К ним относятся мно­гие качественные легированные стали. Согласно кривой 4 при повышении температуры до какой-то средней пластич­ность возрастает; при дальнейшем увеличении температу­ры она снижается. Кривая 5 показывает, что при каких-то средних температурах происходит снижение пластичности; при более высоких или более низких температурах пластич­ность получается более высокой. Эта кривая типична для технически чистого железа.

Влияние химического состава стали

Содержание углерода в стали до 0,8-1 % незначительно уменьшает пластичность металла. Повышение содержания углерода в стали приводит к тому, что металл в литом со­стоянии можно обрабатывать только ковкой. Так, стали, содержащие около 1,5 % С, в литом состоянии обрабатыва­ют ковкой. После ковки или после дробления первичной структуры и превращения ее во вторичную их можно про­катывать.

Углерод принадлежит к активным элементам, влияю­щим на изменение сопротивления деформации. Особенно заметное влияние углерода на повышение сопротивления деформации начинается при содержании его 0,5 % и выше.

Марганец повышает способность металла пластически деформироваться благодаря тому, что он с серой образует сульфид, который находится в металле в виде шарообраз­ных включений. При повышенном содержании марганца (12% и более) пластичность металла зависит от условий разливки стали. Так, горячоотлитый металл вследствие гру­бозернистой структуры прокатывается и куется хуже. Ме­талл, отлитый при низкой температуре, имеет мелкозерни­стое строение и хорошо поддается обработке давлением, но сопротивление его деформации резко повышается.

Никель является хорошим поглотителем газов, находя­щихся в расплавленном металле. Это свойство никеля осо­бенно существенно при наличии в стали водорода. В отли­чие от марганца никель и соединении с серой (сульфид ни­келя) располагается в стали по границам зерен, что способ­ствует появлению красноломкости. Сульфиды никеля, об­ладая пониженной температурой плавления, увеличивают склонность сталей к пережогу. Влияние никеля на сопро­тивление деформации незначительное.

Хром способствует образованию крупнокристаллической структуры. Крупнозернистая столбчатая структура в круп­ных слитках при охлаждении может вызвать появление межкристаллических трещин. Особенно это заметно в хро­мистых сталях с большим содержанием углерода. В неко­торых высокоуглеродистых сталях типа ЭХ12 или хромонн- келсвых (3-4 % Ni, 1-5 % Cr) указанные трещины могут выходить даже на поверхность. Хром в стали, особенно при содержании никеля или повышенном содержании углерода, резко повышает сопротивление деформации вследствие на­личия карбидов хрома, стойких даже при высоких темпе­ратурах.

Ванадий , как и марганец, имея сродство к кислороду, является хорошим раскислителем. Кроме того, ванадий, по­добно кремнию, служит хорошим дегазификатором. Прак­тикой и исследованиями установлено, что ванадий способ­ствует образованию мелкозернистой структуры слитка, при этом пластичность стали повышается.

Вольфрам уменьшает пластичность стали в горячем со­стоянии и увеличивает сопротивление деформации. Некото­рые марки стали с содержанием вольфрама в литом состо­янии сначала обрабатывают ковкой и только после вторич­ного нагрева слитка прокатывают его в валках.

Стали с содержанием молибдена относятся к самозака­ливающимся. Содержание в стали молибдена не уменьша­ет способность пластического изменения формы при ковке или прокатке. В то же время сопротивление деформации не­сколько повышается. Недостаток сталей, содержащих мо­либден в большом количестве (до 1,5% и более), состоит в свойстве их при охлаждении подвергаться воздушной за­калке, что иногда сопровождается появлением трещин. В сталях с малым содержанием молибдена (0,25-0,3%) это явление не наблюдается.

В металле сера находится чаще всего в виде соединений FeS и MnS. При наличии в стали легирующих элементов (Cr, W и особенно Ni сера, соединяясь с ними, образует сульфиды, которые выделяются по границам зерен метал­ла. Эти сульфиды, обладая пониженной температурой плав­ления и прочностью, обусловливают красноломкость стали при пластической обработке в области температур 800- 1000°С. Кроме того, сульфиды создают опасность пережо­га металла при температурах, близких к 1200°С.

Наличие водорода в стали способствует образованию внутренних трещин-флокенов. Прямого влияния на пластич­ность и сопротивление деформации водород не оказывает.

В металле азот находится в виде соединений с другими элементами. Содержание нитридов в пределах 0,002- 0,005 % заметного влияния на пластичность металла не оказывает. При повышении содержания нитридов до 0,03 % и выше металл становится хладноломким и красколомким. Однако добавление азота, в частности в коррозионно-стой­кую сталь, уменьшает размеры первичного зерна при от­ливке. Так, содержание азота в пределах 0,15-0,2 % в кор­розионно-стойкой стали при содержании хрома до 25 % способствует получению мелкозернистой структуры и улуч­шению пластичности с одновременным повышением сопро­тивления деформации. Неметаллические включения в виде оксидов (особенно FeO) отрицательно влияют на пластичность металла при высоких температурах. По данным ряда исследований, количество оксидов не должно превышать 0,01 %. При большем содержании в металле оксидов неза­висимо от их формы и природы даже при деформации ков­кой получаются трещины.

Кроме рассмотренных общих технологических свойств (пластичности и сопротивления деформации), каждый ме­талл или сплав имеет еще специфические особенности, ко­торые нужно знать и учитывать при разработке технологи­ческих режимов. Так, автоматная сталь (углеродистая сталь с повышенным содержанием серы) обладает низким коэффициентом трения, что затрудняет ее захват валками при прокатке.

Многие легированные стали склонны к образованию трещин, чрезмерному обезуглероживанию, перегреву. Все эти и другие особенности каждого металла необходимо учитывать, чтобы правильно вести технологический про­цесс.

Процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлических материалов под действием приложенной нагрузки переходить в пластическое состояние. Поэтому для наиболее рационального выбора технологического процесса необходимо знать факторы, с помощью которых можно управлять пластичностью.

Пластичность - способность металла под действием нагрузки менять свою форму без разрушения и сохранять ее после снятия нагрузки.

Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при обработке давлением, являются:

• состав и структура деформируемого металла;
• схема напряженного состояния при деформации;
• температура деформации;
• неравномерность деформации;
• скорость деформации;
• степень деформации;
• режим термической обработки.

Рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов.

Состав и структура деформируемого металла. Как правило, максимальную пластичность имеют чистые металлы. Однако из-за невысокой прочности в чистом виде металлы для получения изделий почти не используются. Поэтому в металлы с целью создания в них комплекса требуемых свойств добавляют другие химические элементы (легирующие добавки). Кроме того, в металлах обычно присутствуют примеси - химические элементы, которые попадают в металл при извлечении из руды, плавлении, нагревании и т. д. Процесс очистки от примесей часто сложен или экономически невыгоден, поэтому их содержание в сплавах обычно ограничивают и фиксируют их допустимое содержание в марке соответствующего сплава. В сталях, например, резко снижают пластичность такие примеси, как Бп, РЬ, БЬ, Б, Р, Н, О и др. Они почти не растворяются в железе, располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Кроме того, температуры плавления этих элементов и их эвтектических соединений с железом значительно ниже, чем у самого железа. Поэтому при горячей деформации содержание указанных примесей выше допустимых пределов из-за расплавления может привести к полной потере пластичности стали. Так, повышенное содержание серы в стали вызывает при горячей обработке давлением возникновение трещин. Это явление называют «красноломкостью». Следует учитывать, что различие между легирующим элементом и вредной примесью достаточно условно. Даже для одного металла, составляющего основу сплава, один и тот же элемент может выступать в сплаве как в качестве легирующего элемента, так и являться примесью. Например, в ряде деформируемых алюминиевых сплавов кремний вреден, и его содержание ограничивают, однако существуют алюминиевые сплавы, в которых кремний является основной легирующей добавкой, например, литейные сплавы силумины.

Большое влияние на пластичность сплавов оказывает их структура. Наибольшей пластичностью среди сплавов обычно отличаются твердые растворы. Неоднородность (гетерогенность) структуры сплавов приводит к снижению пластичности. При одинаковом химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного, так как в двухфазном сплаве фазы имеют разные механические свойства и деформация протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, так как литая структура последнего более грубая, неоднородная по химическому составу, имеет включения и другие дефекты литейного происхождения.

Схема напряженного состояния при деформации. Установлено, что металлические материалы при изменении условий деформирования могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Поэтому правильнее считать, что в природе не существует тел с постоянным уровнем свойств, а есть хрупкое и пластичное состояния вещества, определяемые условиями нагружения при деформировании. При этом увеличение доли сжимающих напряжений при деформировании повышает пластичность обрабатываемого металла. Наибольшую пластичность металлические материалы проявляют при всестороннем сжатии. В этом случае затрудняются межзеренные перемещения, и вся деформация осуществляется за счет внутризеренного перемещения дислокаций. С появлением в схеме растягивающих напряжений пластичность снижается. Самую низкую пластичность металлы имеют при всестороннем растяжении. В технологических процессах обработки металлов давлением, за редким исключением, такой схемы напряженного состояния стараются избегать.

Температура деформации. Минимальная пластичность металлов наблюдается при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина из-за низкой тепловой подвижности атомов. Приблизительно в интервале температур от 0 до (0,2-0,25)Г ш „ где Г пл - температура плавления по абсолютной шкале, деформацию называют холодной. При этих температурах восстановительные процессы в металлах, такие как возврат, можно не учитывать. С повышением температуры пластичность металлов увеличивается. При этом деформация металла при повышенных температурах характеризуется одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения. Восстановительными, уменьшающими плотность дислокаций во время горячей деформации, и приводящими к снижению прочности процессами, могут являться только возврат или возврат и рекристаллизация. Процессы разупрочнения во время горячей деформации аналогичны процессам разупрочнения при отжиге после холодной деформации. Так, при возврате плотность дислокаций уменьшается в результате увеличения их подвижности и сопровождается выстраиванием дислокаций в стенки (полигонизация), а при рекристаллизации происходит вытеснение дислокаций мигрирующими высокоугловыми границами. Так как восстановительные процессы, идущие в процессе деформации, имеют свои особенности, то правильнее пользоваться терминами динамический возврат (в том

числе, динамическая полигонизация ) и динамическая рекристаллизация, в отличие от статических процессов возврата и рекристаллизации, протекающих при отжиге после деформации. Для чистых металлов возврат проявляется при температурах превышающих (0,25 - 0,30)Г ПЛ. Присутствие примесей в металле затрудняет движение дислокаций и увеличивает температуру возврата. Протекание возврата в процессе деформации уменьшает сопротивление деформации металла и увеличивает его пластичность, но при этом упрочнение металла все равно наблюдается, хотя интенсивность его меньше, чем при холодной деформации.

Процесс рекристаллизации, согласно формуле А. А. Бочвара, для чистых металлов начинается с температуры приблизительно 0,4Г 11Л. Примеси повышают эту температуру. Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рскристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокации во время своего роста постепенно наклепываются, так как из-за продолжающейся деформации в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшисся в первую очередь, начинают наклепываться раньше, и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рек-ристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократное повторение циклов динамической рекристаллизации и наклепа рскристаллизованных зерен характеризуется неизменным средним размером зерна. Графики зависимости истинного напряжения от истинной деформации, представленные, как для динамического возврата, так и для динамической рекристаллизации (рис. 2.6), характеризуются после стадии деформационного упрочнения стадией установившегося течения.

При выборе режима деформации необходимо учитывать, что при температурах, близких к температуре плавления металла, возможны перегрев или пережог. Первое явление заключается в том, что, достигнув максимальных значений в области собирательной рекристаллизации, пластичность начинает плавно снижаться из-за далеко зашедшей собирательной рекристаллизации, приводящей на этой стадии к образованию чрезмерно крупного зерна. При очень высоких температурах могут резко снизиться и прочность и пластичность, что вызывается пережогом - сильным меж-кристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесеи на границе зерен. Если первый вид брака можно исправить повторной термообработкой заготовки, то пережог считают неисправимым браком, и такую заготовку отправляют на переплавку. Таким образом, наибольшую пластичность металлы имеют в интервале от температуры рекристаллизации до температуры плавления. Однако верхний предел должен быть ниже температуры окисления границ зерен. Важным параметром структуры в изделии, полученном деформированием при температуре выше темпера-

туры рекристаллизации, является размер зерна, который сильно влияет на механические свойства изделий. Зависимость размера зерна в металлах после деформации с последующей рекристаллизацией, с одной стороны, от температуры, а с другой, - от степени деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 2.7), которые строят по результатам специально проводимых экспериментов. Эти диаграммы характерны для каждого металла и сплава и используются для выбора температурного режима деформации.

Б, МПа

Б, МПа

Рис. 2.6. Зависимость истинного напряжения 5 от истинной деформации е (цифры на кривых - скорости деформации, с -1): а - армко-железо, 700 °С;

6 - сталь с 0,25% С

Неравномерность деформации. Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в обрабатываемом теле, считают неоднородность физических свойств обрабатываемого материала, контактное трение, форму заготовки и рабочего инструмента.

В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошной средой, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения, которые не определяются схемой напряженного состояния, вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные напряжения могут при определенных

условиях обработки изменять схему напряженного состояния деформируемого тела. Особенно опасным является то, что в некоторых участках тела появляются растягивающие напряжения, что может привести к разрушению заготовки, хотя при этом общая схема напряженного состояния выражается благоприятной для проявления пластичности схемой всестороннего сжатия.

Рис. 2.7.

Дополнительные напряжения, которые взаимно уравновешиваются в объеме деформируемого тела (заготовки), можно разделить на три вида: напряжения первого рода (зональные), уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями заготовки; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами заготовки; напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в одном зерне. Примером неравномерности деформации может служить бочкообразование при осадке, возникающее в результате трения между инструментом и образцом.

Скорость деформации. В обработке металлов давлением различают две скорости: скорость деформирования или скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса и т. д.) и скорость деформации со или изменение степени деформации г в единицу времени, которую можно рассчитать по следующей формуле:

При этом в традиционных видах обработки металлов давлением диапазон скоростей деформации изменяется в интервале от 10 1 до 10 5 с" . Этой величиной удобнее описывать влияние скоростных условий деформации на пластичность, так как она не зависит от размеров обрабатываемой заготовки. В связи с этим можно корректно сравнивать разные процессы обработки металлов давлением, в которых возможно деформирование заготовок массой, составляющей несколько граммов, и, например, многотонных слитков. В первом приближении, чем больше скорость деформации, тем ниже пластичность. Однако при этом следует учитывать разогрев металла из-за тепла, выделяемого при деформации. Причем интенсивность разогрева тем выше, чем выше скорость деформации. Поэтому при холодной обработке малые скорости деформации слабо влияют на пластичность. Высокие скорости обеспечивают нагрев деформируемого тела, что способствует развитию диффузионных процессов и, следовательно, некоторому восстановлению пластичности металла.

При горячей обработке скорость деформации слабее влияет на пластичность, чем при холодной, так как на упрочнение из-за действия деформации накладывается действие высокой температуры, способствующей протеканию процессов разупрочнения за счет ускорения диффузионной подвижности атомов.

?= Нлр.*100%

Рис. 2.8. Зависимость механических свойств алюминиевого сплава Д1 от степени обжатия при холодной прокатке

Степень деформации. Обычно под наклепом принято понимать упрочнение при обработке давлением.

В более широком понимании наклеп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации. При холодной обработке давлением с увеличением степени деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление разрыву, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 2.8). При деформировании металла со степенью деформации более 50-70 % временное сопротивление и твердость обычно увеличиваются в полтора-два, а иногда и в три раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Небольшие деформации (до Ю %), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на временное сопротивление разрыву. При больших степенях деформации у ряда сплавов предел текучести может возрасти в 5-8 раз и более.

Относительное удлинение резко уменьшается уже при сравнительно небольших деформациях. Сильная деформация, сопровождающаяся увеличением временного сопротивления и твердости в 1,5-2 раза, способна снизить относительное удлинение в 10-20, а иногда и в 30-40 раз и более.

Возрастание показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходит в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также возникновение (генерирование) и скольжение «новых» дислокаций.

Горячая обработка влияет на пластичность слабее, так как при повышении температуры активизируются диффузионные процессы, сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, которые приводят к частичному или полному восстановлению пластичности.

Режим термической обработки. Чтобы получить конкретное изделие обработкой давлением требуется продеформировать заготовку на определенную степень деформации. Бывают случаи, когда достижение такой степени деформации за одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при листовой штамповке и т. д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому технологический процесс разбивают на несколько операций, например, делают несколько переходов при листовой штамповке или несколько проходов при прокатке и т. д. Для частичного или полного восстановления пластичности после операции обработки давлением используют разные виды промежуточной термообработки. Для сталей это может быть отжиг: дорекристаллизационный или рекристалли-зационный. Для некоторых алюминиевых деформируемых сплавов можно использовать закалку. Вид термообработки и ее режим выбирают в зависимости от природы сплава, степени деформации, температуры деформации и т. д.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Теория омд

Введение.. обработка металлов давлением омд базируется на основных положениях механики.. основные способы омд..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Упругая и пластическая деформация
Деформация – изменение формы и размеров тела в результате действия на него внешних сил. Деформация представляет собой совокупность трех взаимно накладывающихся и по

Дефекты в кристаллах
Дефекты делятся на точечные, линейные и объемные. Точечные дефекты: Вакансия (дырка) – простейший дефект кристаллической решетки, когда вышедший из положен

Дислокации
Дислокация – линейный дефект кристаллической решетки, вдоль которого нарушены связи между соседними атомами и число ближайших соседей каждого атома не соответствует необходимому. Д

Изменение свойств наклепанного металла при нагреве
При нагревании металлов до сравнительно низких температур (~0.3Tпл.) в металлах происходит процесс возврата или отдыха, при котором наклепанный металл частично разупрочняется. В процессе

Величины, характеризующие деформацию тела
О величине деформации судят по изменению размеров деформируемого тела. Существует несколько вариантов характеристики деформации. Пусть размеры тела до деформации L0 – дли

Объем тела при пластической деформации остается постоянным
В случае прямоугольной заготовки закон постоянства объема имеет вид:

Смещенный объем
Смещенный объем – прибавленный или удаленный в процессе деформации объем в направлении одной из осей. Если рассматривать деформацию по высоте, смещенный объем – произведение началь

Общий случай деформации
В общем случае деформация нелинейная, а значит, кроме растяжения или сжатия в металле имеется и углова

Скорость деформации
Скорость деформации – изменение степени деформации в единицу времени. Совокупность всех скоростей деформации описывается тензором скоростей деформации:

Правило наименьшего сопротивления
При ОМД иногда необходимо определить соотношение между перемещениями металла в разных направлениях. Иногда это сделать достаточно просто на основании закона постоянства объема. Например, при плоско

Величины, характеризующие напряженное состояние тела
Если к телу приложены внешние силы и создано препятствие его свободному движению, то тело находится в напряженном состоянии. На тело действуют внешние силы; реакции связей, ограничивающие движение

Главные нормальные и главные касательные напряжения
Через точку тела, находящегося в напряженном состоянии, можно провести бесконечное мно

Октаэдрические напряжения
Наряду с площадками, по которым действуют главные нормальные и главные касательные напряжени

Связь между напряжениями и деформациями
Экспериментально зависимость между деформациями и напряжениями в условиях линейного напряжен

Связь обобщенного напряжения с обобщенной деформацией
Механические свойства большинства металлов и сплавов характеризуются кривыми упрочнения, не имеющими ярко выраженной площадки текучести. Такие кривые аппроксимируются степенной функцией. В самом об

Плоское напряженное и плоское деформированное состояние
При плоском напряженном состоянии напряжение по одной из осей отсутствует. Деформация при этом может происходить по всем трем осям. В других случаях пренебрегают деформацией по одно

Плоское напряженное состояние
Признаком плоского напряженного состояния является: равенство нулю одного из нормальных напряжений и равенство нулю соответствующих ему касательных напряжений. Пусть

Плоское деформированное состояние
Признаком плоского деформированного состояния является отсутствие деформаций по одной из осей, например по оси X:

Понятие сопротивления деформации и пластичности
Сопротивление деформации характеризует податливость обрабатываемого металла

Сверхпластичность
Все предыдущие закономерности относятся к обычным, промышленным условиям. Но при ряде условий наблюдается явление сверхпластичности, т.е. необычайно высокой для данного материала пластичности, хара

Методы оценки пластичности
Для сравнения пластичности образцы металлов подвергают деформации в одинаковых условиях. Доведя деформацию до разрушения (или до первых ее признаков), измеряют полученную остаточную деформацию, кот

Факторы, влияющие на сопротивление деформации
Сопротивление деформации зависит от природы деформированного металла, температуры, степени и скорости деформации и характера напряженного состояния. Опытным путем получают значение сопротивления де

Условие пластичности для линейного напряженного состояния
Условием пластичности называется условие перехода упругой деформации в пластическую, т.е. оно определяет точку перегиба на диаграмме растяжение-сжатие. В линейном напряженном состоя

Частные случаи условия пластичности
При ОМД встречаются частные виды напряженного и деформированного состояния: плоское напряженное, плоское деформированное и осесимметричное состояние. Ввиду сложности условий пластичности при решени

Влияние механической схемы деформации на усилие деформирования и пластичность
При пользовании уравнением пластичности необходимо учитывать не только абсолютную величину главных напряжений, но и их знак. При одноименной схеме напряженного состояния уравнение пластичности имее

Особенности трения при ОМД
Условия трения играют в расчетах напряженного и деформированного состояния такую же роль, как и физические уравнения равновесия. Отличие лишь в том, что трение действует лишь по поверхности взаимод

Виды трения. Физико-химические особенности трения
Трение обрабатываемого металла и инструмента происходит с участием третьих веществ. К ним относятся окислы обрабатываемого металла и инструмента, продукты истирания взаимодействующих поверхностей и

Механизм сухого трения
Поверхность всякого тела имеет неровности – выступы и впадины при любом качестве отделки. Часть выступов поверхности одного тела попадает во впадины поверхности другого тела, в результате чего прои

Механизм граничного трения
Граничное трение имеет место при использовании смазок. Смазки, содержащие поверхностно-активные вещества, адсорбируются на трущихся поверхностях и образуют прочные пленки. Граничные молекулы таких

Механизм жидкостного трения
Природа жидкостного рения иная, чем сухого и граничного. Жидкостное трение – внутреннее трение в объеме смазки. Оно нашло применение при волочении проволоки. Смазка, экранирующая толстым слоем трущ

Смазка при ОМД
Для того чтобы смазка в достаточной степени изолировала деформируемое тело от инструмента, не разрывалась и не выдавливалась, она должна иметь достаточную активность и вязкость. Ак

Факторы, влияющие на сухое и граничное трение
Сила и напряжение трения зависят от прочностных свойств деформируемого тела и закономерностей изменения их в процессе деформации. Закономерности изменения прочностных свойств приконтактных слоев за

Влияние твердости металла и внешнего давления
Закон сухого трения в деталях машин имеет вид: сила трения Т пропорциональна нормальной нагрузке N и не зависит от площади контакта: T = f*N, где f – коэффициент трения (константа)

Факторы, влияющие на жидкостное трение
При прочих равных условиях сила гидродинамического трения на два порядка меньше трения граничного и сухого. Впрямую состояние поверхностей на силу гидродинамического трения не влияет, и понятия «ко

Трение при различных видах ОМД
1. Трение при прокатке В настоящее время горячую прокатку осуществляют в режиме сухого трения. Холодная прокатка осуществляется с применением смазок. При холодной прокатке листов и полосы

Неравномерность деформации
При равномерной (однородной) деформации напряженное состояние во всех точках тела одинаково, компоненты тензора напряжений и направление главных осей не изменяются при переходе от одной точки тела

Влияние формы инструмента и заготовки на неравномерность деформации
В большинстве процессов ОМД форма заготовки отличается от формы готового изделия, определяемой формой инструмента. Обычно форма заготовки проще формы изделия, что приводит к неодинаковому обжатию о

Влияние внешнего трения на неравномерность деформации
Внешнее трение затрудняет скольжение деформируемого тела по инструменту. Действие его распространяется неодинаково по объему тела, оно наиболее сильно вблизи поверхности контакта и минимально внутр

Влияние неоднородности свойств на неравномерность деформации
Неоднородность свойств может быть макроскопической (неравномерный прогрев, соединение разных металлов в одном слитке) или микроскопической (неоднородность свойств кристаллов). При неравном

Остаточные напряжения
Остаточные (внутренние) напряжения уравновешиваются внутри тела и присутствуют в нем без приложения внешней нагрузки. Внутренние напряжения могут возникнуть в результате фазовых превращений при нер

Методы устранения остаточных напряжений
Основной метод – предотвращение их появления правильным режимом обработки, при котором неравномерность сводится к минимуму, а дополнительные напряжения снимаются в процессе деформации и не приводят

На рис. 2.9 представлены графики влияния холодной деформации на пластичность S, предел прочности а в и твердость НВ низкоуглеродистой стали. Из графиков видно, что уже при деформации, равной 20 %, наблюдается снижение пластичности металла в 3 раза, увеличение твердости и прочности примерно в 1,3 … 1,4 раза. Следовательно, в холодном состоянии из этой стали нельзя получить поковки сложной формы, так как металл при деформировании будет разрушаться вследствие низкой пластичности.

Для увеличения ковкости обрабатываемые металлы нагревают. С повышением температуры увеличивается пластичность и снижается сопротивление металлов деформированию. В качестве примера рассмотрим влияние температуры на пластичность 5 и предел прочности а в стали с содержанием углерода 0,42 % (рис. 2.10). При повышении температуры деформирования с 0 до 300 °С сопротивление деформированию несколько увеличивается, а затем падает с 760 до 10 МН/м 2 при 1200 °С, т. е. уменьшается почти в 76 раз. Пластичность же этой стали, наоборот, при повышении температуры от 0 до 300 °С сначала уменьшается, затем до температуры 800 °С резко увеличивается, после этого незначительно падает, а при дальнейшем увеличении температуры снова. увеличивается. Явление снижения пластичности при 300 °С называется синеломкостью, а при 800 °С - красноломкостью. Синеломкость объясняют выпадением по плоскостям скольжения мельчайших частиц карбидов, которые увеличивают сопротивление деформированию и уменьшают пластичность. Красноломкость появляется вследствие образования в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью. Это состояние характерно для неполной горячей обработки давлением. При температурах синеломкости и красноломкости деформировать сталь особенно нежелательно, так как при ковке возможно образование трещин в заготовке и, как следствие, брак продукции.

Различные металлы и сплавы обрабатывают давлением во вполне определенном температурном интервале АТ = Т ъ ~ Т л, где Т в и Т н - соответственно верхний и нижний температурные пределы обработки металла давлением.

Деформирование металла при температуре ниже Т н вследствие снижения пластичности может привести к его разрушению. Нагрев металла выше температуры Т в ведет к дефектам структуры металла, снижению его механических свойств и пластичности. Температурные интервалы обработки давлением для разных металлов различны, однако общим для них является то, что наибольшую пластичность металлы имеют при температурах, превышающих температуры рекристаллизации.

Влияние степени и скорости деформации. Степень и скорость деформации оказывают сложное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию. Причем это влияние зависит как от их значений, так и от того, в каком состоянии деформируют металл - горячем или холодном.

Степень и скорость деформации одновременно оказывают на металл и упрочняющее, и разупрочняющее действия. Так, с увеличением степени деформации, с одной стороны, увеличивается наклеп металла, а следовательно, повышается и его сопротивление деформированию. Но, с другой стороны, увеличение степени деформации, интенсифицируя процесс рекристаллизации, ведет к разупрочнению металла и снижению его сопротивления деформированию. Что касается скорости деформации, то с ее увеличением уменьшается время протекания процесса рекристаллизации и, следовательно, увеличивается упрочнение. Однако с повышением скорости деформации увеличивается количество выделяющейся в металле в момент деформирования теплоты, которая не успевает рассеяться в окружающую среду и вызывает дополнительный разогрев металла. Увеличение же температуры сопровождается снижением сопротивления металла деформированию.

В большинстве случаев ручной ковки металл деформируют в нагретом состоянии и увеличение степени и скорости деформации ведет к уменьшению пластичности и увеличению сопротивления деформированию.

Влияние схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением.

Чем выще в деформируемом металле растягивающие напряжения, тем больше снижается его пластичность и тем вероятнее появление в нем трещин. Поэтому следует стремиться обрабатывать металл таким образом, чтобы в нем возникали сжимающие напряжения и отсутствовали растягивающие.

Так, металл имеет наименьшую пластичность в условиях деформирования по схеме линейного растяжения (см. рис. 2.6,/ и 2.7, а) и наибольшую - по схеме всестороннего неравномерного сжатия (см. рис. 2.6, iii и 2.11, а). Экспериментально установлено, что сплавы, непластичные в условиях одноосного растяжения, хорошо деформируются в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Чугун, например, при растяжении или открытой осадке (см. рис. 2.5) практически не деформируется, тогда как его можно подвергнуть значительным деформациям путем выдавливания с усилием Р и противодавлением Р п р по схеме, приведенной на рис.2.11 ,а.

Знание схем напряженного состояния имеет большое практическое значение. При ковке высоколегированных сталей на плоских бойках (см. рис. 2.5) на бочкообразной поверхности заготовки могут появляться трещины. Объясняется это тем, что в этой зоне напряженное состояние металла характеризуется наличием растягивающих напряжений о 3 . Если же эту заготовку осаживать в оправке (рис. 2.11, б) или ковать в вырезных бойках (рис. 2.11, в), то схема напряженного состояния металла будет соответствовать схеме всестороннего сжатия и, таким образом, можно избежать образования трещин.

В современном кузнечно-штамповочном производстве заготовки деталей из некоторых жаропрочных сплавов получают только выдавливанием, так как при других способах (осадка, гибка, открытая штамповка) наблюдается разрушение сплава.