Пластичността зависи от естеството на веществото (химичния му състав и структурна структура), температурата, скоростта на деформация, степента на работно втвърдяване и от условията на напрегнатото състояние в момента на деформация.
Влияние на естествените свойства на метала.Пластичността е пряко пропорционална на химичния състав на материала. С увеличаване на съдържанието на въглерод в стоманата, пластичността намалява. Елементите, които съставляват сплавта като примеси, имат голямо влияние. Калай, антимон, олово, сяра не се разтварят в метала и, като са разположени по границите на зърното, отслабват връзките между тях. Точката на топене на тези елементи е ниска, при нагряване при гореща деформация те се топят, което води до загуба на пластичност. Заместващите примеси намаляват пластичността по-малко от интерстициалните примеси.
Пластичността зависи от структурното състояние на метала, особено по време на гореща деформация. Нехомогенността на микроструктурата намалява пластичността. Еднофазните сплави, при равни други условия, винаги са по-пластични от двуфазните сплави. Фазите имат нееднакви механични свойства, а деформацията е неравномерна. Дребнозърнестите метали са по-пластични от едрозърнестите. Металът на слитъците е по-малко пластичен от метала на валцувана или кована заготовка, тъй като отлятата структура има рязка нехомогенност на зърна, включвания и други дефекти.
Влияние на температурата... При много ниски температури, близки до абсолютната нула, всички метали са крехки. При производството на конструкции, работещи при ниски температури, трябва да се има предвид ниската пластичност.
С повишаване на температурата пластичността на нисковъглеродните и средно въглеродните стомани се увеличава. Това е така, защото нарушенията на границите на зърното се коригират. Но увеличаването на пластичността не е монотонно. В интервалите на някои температури се наблюдава "пропадане" на пластичността. Така че за чистото желязо крехкостта се установява при температура 900-1000 o C. Това се обяснява с фазовите трансформации в метала. Намаляване на пластичността при температура 300-400 ° C се нарича крехкост, при температура 850-1000 о С - червена чупливост.
Високолегираните стомани имат голяма студена пластичност . За стоманите със сачмени лагери пластичността е практически независима от температурата. Отделните сплави могат да имат диапазон на повишена пластичност .
Когато температурата се приближи до точката на топене, пластичността рязко спада поради прегряване и изгаряне. Прегряването се изразява в прекомерен растеж на предварително деформирани метални зърна. Прегряването се коригира чрез нагряване до определена температура и последващо бързо охлаждане. Burnout е непоправим брак. Състои се в окисляване на границите на едри зърна. В този случай металът е крехко унищожен.
Ефект от работното втвърдяване и скоростта на деформация... Работното втвърдяване намалява пластичността на металите.
Ефектът от скоростта на деформация върху пластичността е двоен. При горещо формоване увеличаването на скоростта води до намаляване на пластичността, т.к работното втвърдяване предстои пред прекристализация. При студена обработка увеличаването на скоростта на деформация най-често повишава пластичността поради нагряването на метала.
Влияние на естеството на стресовото състояние.Естеството на напрегнатото състояние оказва голямо влияние върху пластичността. Нарастващата роля на напреженията на натиск в общата схема на напрегнатото състояние повишава пластичността. При условия на изразена всестранна компресия е възможно да се деформират дори много крехки материали. Схемата на всестранно компресиране е най-благоприятна за проява на пластични свойства, тъй като в този случай се възпрепятства междугрануларната деформация и всяка деформация протича поради вътрешногрануларна деформация. Нарастващата роля на опънните напрежения води до намаляване на пластичността. При условия на равномерно напрежение с малка разлика в главните напрежения, когато напреженията на срязване са малки за началото на пластичната деформация, дори най-пластичните материали се разрушават.
Можете да оцените пластичността чрез. Ако се увеличи, тогава пластичността също се увеличава и обратно. Опитът показва, че чрез промяна на напрегнатото състояние е възможно всички твърди тела да станат пластични или чупливи. Ето защо пластичността не се счита за свойство, а за специално състояние на материята.
Състоянието на пластичността се нарича условие за преминаване на еластичната деформация към пластична, т.е. той определя точката на огъване в диаграмата напрежение-деформация.
В линейно напрегнато състояние, например, когато образецът е разтегнат, пластичната деформация започва, когато нормалното напрежение достигне точката на провлачване. Тоест за състояние на пластичност на линейно напрегнато състояниеизглежда като:.
Сен-Венан, въз основа на тези експерименти, извежда условието за пластичност. Той установи, че пластичната деформация възниква, когато максималното напрежение на срязване достигне стойност, равна на половината от границата на провлачване, т.е.
... Но 
... От тук получаваме.
По този начин, условието за пластичност Сен-Венанизглежда като:
Пластичната деформация възниква, когато максималната разлика между основните нормални напрежения достигне устойчивостта на деформация, т.е.
Най-ужасният враг на железните конструкции - корозия на метала... Унищожава всеки метален продукт, особено при условия на висока влажност. Не само желязото е податливо на корозия, но и други метали, въпреки че времето за унищожаване на продуктите от тях е много по-дълго. Човечеството непрекъснато се бори с разрушенията, причинени от метална корозия, и създава различни начини за защита срещу него, но глобално решение на проблема все още не е намерено и всяка година една десета от метала се унищожава от корозия.
Най-вече разнородните метали, събрани в един продукт, са подложени на корозионно разрушаване. Ако металите имат различни електрохимични потенциали, тогава, когато са изложени на влага, те се превръщат в електроди и бързо се разрушават. Така свойствата на медта се оказват несъвместими със свойствата на желязото и алуминия. Алуминият е несъвместим с калай, а цинкът с мед.
Еластичност и пластичност на металите
В допълнение към устойчивостта на корозия и съвместимостта една с друга, други механични свойства също са важни за употреба, като напр. якост, пластичност на металите, тяхната еластичност. Нека сравним проводник със същото напречно сечение, но изработен от различни метали. Алуминиевият проводник се счупва достатъчно лесно, докато медните и железните проводници са в състояние да издържат на тежки товари. Не е за нищо, че струните на музикалните инструменти, чиито функции са именно способността да издържат на високи натоварвания, са изработени от стомана. Повишената якост на опън на метала е необходима и за електропреносни линии, кабели и много други конструкции. Освен якостта на опън на метала са важни якостта на натиск, якостта на огъване и други.
Ако тънка стоманена плоча бъде огъната и след това освободена, тя ще се изправи, проявявайки свойства като еластичност на металите... Често металните конструкции са специално проектирани, така че да проявяват еластичност. Така че еластичната деформация се изисква от пружини, щифтове, амортисьори. Други продукти са проектирани така, че устойчивостта да е сведена до минимум. Това важи преди всичко за греди или различни механизми.
Имот отсреща еластичност на металитесе нарича пластичност. Проявява се във факта, че продуктът под въздействието на натоварването променя формата си - деформира се, но не се разрушава в същото време. И след като товарът бъде премахнат, той запазва тази нова форма. Пример е пирон, който се огъва при удар и остава огънат.
Пластичност на металитеособено важно е за художествената им обработка чрез методи на щамповане, пилене, щанцоване и много други. Якост, пластичност на металитеувеличава се по време на термичната им обработка, както и в резултат на термохимични ефекти; например карбуризиране на стоманени сплави или азотиране. От незапомнени времена се използва такъв метод като повърхностно втвърдяване за увеличаване на здравината. Всички знаем такъв израз като „удряне на ятаган“. А това означава - укрепване на работната повърхност на коса чрез изковаване на външния слой метал.
Трудности при избора на идеалния метал
Невъзможно е да се намери метал, чиито свойства биха били идеално пригодени за всеки конкретен дизайн. Като пример можете да вземете обикновено ястие - тенджера. Дълго време за производството му са използвани мед и медни сплави, които се отличават с добра топлопроводимост. Въпреки това, медните продукти се окисляват твърде бързо и се разпадат. През 18-ти век вътрешната повърхност на тенджери и други прибори се научи да калайдисва – нанася се слой калай, за да се предотврати окисляването.
Най-новата разработка на изследователи от Швеция е трислоен съд за готвене със специална издръжливост: външният му слой е изработен от топлоемка и топлопроводима мед, средният е изработен от алуминий, а вътрешният е изработен от неръждаема стомана, устойчиви на окисляване.
Основните фактори, които оказват много съществено влияние върху пластичността и устойчивостта на метала към деформация са химичният състав, температурата на метала, скоростта на деформация, диаграмата на състоянието на напрежение-деформация, контактното триене и др.
Влиянието на химичния състав е голямо. Чистите метали и сплави, които образуват твърди разтвори, имат най-висока пластичност. Най-лошите пластични свойства притежават сплавите, които образуват химични съединения и механични смеси. И черните, и цветните сплави се обработват под налягане. От черни сплави се обработват въглеродни и легирани стомани под налягане, от цветни сплави - бронз, месинг, дуралуминий и др.
Най-голям брой части се произвеждат чрез обработка под налягане от стомана. В тази връзка е необходимо да се вземе предвид ефектът на някои примеси върху пластичността на стоманата и нейната устойчивост на деформация.
Въглеродът е основният примес, който влияе върху свойствата на стоманата. С увеличаване на съдържанието на въглерод в стоманата пластичността намалява и устойчивостта на деформация се увеличава. Стоманите със съдържание на въглерод до 0,5% имат добра пластичност, така че обработката под налягане на такива стомани не е трудна. Въпреки това, обработката под налягане на стомана, съдържаща повече от 1% въглерод, е много трудна. Силицият и манганът, в границите, в които се съдържат в обикновените стомани (съответно 0,17–0,35% и 0,3–0,8%), не влияят значително върху пластичността на стоманата. По-нататъшното увеличаване на съдържанието на силиций и манган в стоманата понижава нейните пластични свойства, повишавайки нейната устойчивост на деформация.
Сярата се намира в стоманата под формата на химични съединения FeS или MnS. Това причинява червената крехкост на стоманата. Феноменът на червена чупливост е свързан с образуването на евтектика FeS + Fe по границите на зърната, която се топи при температура 985 ˚С. При нагряване на стоманата до температури от 1000–1200 ˚C за коване, валцуване, евтектиката се стопява, непрекъснатостта на границите на зърната се нарушава и на тези места се образуват пукнатини по време на деформация. При наличие на MnS в стоманата, диапазонът на червената крехкост се измества в областта на по-високи температури (1200 ˚С). В тази връзка съдържанието на сяра в стоманата (под формата на FeS съединение) трябва да бъде минимално (0,03–0,05%). Фосфорът в стоманата присъства в твърд разтвор (ферит). Това причинява студената крехкост на стоманата. Увеличаването на съдържанието на фосфор в стоманата повишава устойчивостта на пластична деформация и следователно затруднява извършването на обработка под налягане. Следователно съдържанието на фосфор в стоманата трябва да бъде не повече от 0,03–0,04%.
Легиращите елементи (хром, никел, волфрам, молибден, ванадий и др.) намаляват пластичността и повишават устойчивостта на деформация и колкото по-силни са, толкова повече въглерод има в стоманата.
Температурата оказва значително влияние върху механичните свойства на металите и сплавите. Повишаването на температурата до около 100 ° C причинява леко повишаване на пластичността и намаляване на якостните характеристики. При по-нататъшно повишаване на температурата до около 300 ° C се наблюдава значително увеличение на якостните характеристики и намаляване на характеристиките на пластичност. Това явление се нарича синя чупливост (от цвета на потъмняването). Предполага се, че крехкостта, наблюдавана при тези температури, е причинена от отделянето на диспергирани частици карбиди, нитриди и др. по равнините на приплъзване. По-нататъшното повишаване на температурата причинява интензивно намаляване на якостните характеристики. При температури от около 1000 ° C крайната якост σ намалява с повече от 10 пъти. Що се отнася до индексите на пластичност, те намаляват в диапазона 800–900 ° C поради фазови трансформации и непълен процес на рекристализация в стоманата; при по-нататъшно повишаване на температурата може да се наблюдава тяхното интензивно повишаване. По този начин опасните зони на температурите по отношение на намаляването на пластичността са зоната на синя крехкост и зоните, в които настъпва непълна рекристализация и фазови трансформации. Този модел се наблюдава и при други метали и сплави.
Пластичността се влияе и от скоростта на деформация. При деформиране на метали трябва да се разграничат две скорости: скоростта на деформация, която е скоростта на движение на работното тяло на машината (глава на чука, пресовка, работни ролки и др.), и скоростта на деформация, която е промяната в степента на деформация ε за единица време T.
Скоростта на деформация ω се изразява по формулата:
При постоянна скорост, както и при средна скорост:
При обработка чрез натиск върху преси скоростта на деформация е приблизително 0,1–0,5 m / s, а скоростта на деформация е 1–5 sˉ¹. При работа с натиск върху чукове скоростта на деформация в момента на удара достига 5–10 m / s; в този случай целият процес на деформация при един удар продължава стотни от секундата, скоростта на деформация може да достигне 200–250 sˉ¹. Когато металите се деформират от експлозия, се получават дори по-високи скорости, измерени в стотици метри в секунда.
Като първо приближение можем да кажем, че с увеличаване на скоростта на деформация устойчивостта на метала към деформация се увеличава и пластичността намалява. Особено рязко спада пластичността на някои магнезиеви и медни сплави, както и на високолегираната стомана, което се обяснява с ниските скорости на рекристализация.
Скоростта на деформация при гореща обработка под налягане има по-голям ефект върху метала, отколкото при студена обработка. Въпреки това, с подробно изследване на ефекта от скоростта на деформация върху посочените характеристики, това явление е по-сложно. Факт е, че по време на деформация има термичен ефект, който може да бъде различен при различни скорости и условия на деформация. В някои случаи на деформация в метала може да настъпи значително локално повишаване на температурата (до 200–300 ˚С), което незабавно се отразява на пластичността и устойчивостта на неговата деформация. Ако деформацията се извършва при температури, близки до максималните за даден метал, пластичността може значително да намалее и устойчивостта на деформация да се увеличи. Ако деформацията настъпи при температури, близки до минималните, тогава, напротив, поради топлинния ефект, пластичността на метала ще се увеличи и устойчивостта на деформация ще намалее. По този начин е невъзможно да се разгледа изолирано ефекта от скоростта на деформация и температурата върху механичните характеристики на метала, тъй като скоростта и температурата по време на обработката под налягане са тясно свързани една с друга. В резултат на тази връзка е обичайно да се говори за температурно-скоростните условия на деформация, т.е. относно така наречената термомеханична обработка под налягане.
Контактното триене е триенето, което възниква в контактната повърхност на деформиращия инструмент с метал. Появата по време на обработка под налягане на значителни сили на триене върху контактните повърхности драстично променя схемата на напрегнато състояние и по този начин оказва значително влияние върху пластичността на метала и неговата устойчивост на деформация. Например, ако няма контактно триене, когато цилиндърът се утаи под плоските накрайници, тогава възниква линейна диаграма на напрежението; при наличие на триене се получава обемна диаграма на напрежението.
Контактното триене зависи от редица фактори, които включват: състоянието на повърхността на деформиращия инструмент и деформируемата сплав, химичния състав на сплавта, смазката, температурата на метала и инструмента и скоростта на деформация. Коефициентът на триене по време на обработка под налягане може да бъде от 0,1 до 0,5. За намаляване на коефициента на триене и облекчаване на условията на деформация се използват различни смазки и инструменти с полирана повърхност. Имайте предвид, че по време на валцуване триенето е полезен фактор, поради което се създават условия за увеличаване на коефициента на триене за по-добро сцепление на метала.
За гореща обработка под налягане, металът се нагрява до определена температура и се деформира, докато температурата му спадне до точка, при която по-нататъшната деформация е невъзможна. По този начин металът може да бъде деформиран в строго определен температурен диапазон. Максималната температура на нейното нагряване се нарича горна граница, а минималната - долна. Всеки метал има свой строго определен температурен диапазон за гореща обработка с налягане.
Горна граница на температурния диапазон t c.p... е избран по такъв начин, че да няма изгаряне, интензивно окисляване и обезвъглеродяване, както и прегряване. При избора на горната граница на температурния диапазон за високовъглеродни и легирани стомани е необходимо да се има предвид високата им склонност към прегряване. Долна гранична температура t n.p.трябва да бъде такъв, че след деформация при тази температура металът да не получи втвърдяване (работно втвърдяване) и да има необходимия размер на зърното. Изборът на долната граница е от особено значение за легирани стомани и сплави, които нямат фазови и алотропни трансформации, например за аустенитни и феритни стомани. Крайните свойства на тези стомани се определят основно от долната граница на температурния диапазон (тъй като те не са термично обработени).
За да се определят силите при различни видове формоване на метал, е необходимо да се знае напрегнатото състояние на метала, т.е. да може да намери напрежението, което възниква във всяка точка на деформируемо тяло, в зависимост от действието на външни сили. Освен това естеството на напрегнатото състояние силно влияе върху пластичността на метала. Напрегнатото състояние на тялото в най-общия случай може да се определи напълно от три нормални и шест напрежения на срязване, т.е. девет компонента на стреса. Ако в тяло, подложено на действие на външни сили, е избран елементарен паралелепипед, тогава върху лицата на този паралелепипед перпендикулярно на осите X, Y, Zпоявяват се нормални напрежения ( σ х, σ y, σ z) и напрежения на срязване, разположени в равнината на самите лица ( τ xy, τ zx, τ yx, τ зи, τ yz, τ yx), както е показано на фиг. 4.
В условия на равновесие на елементарен паралелепипед има по двойка равенство на компонентите на тангенциалните напрежения, т.е. τ xy = τ yx, τ zx = τ xz, τ zy = τ yz.
Оттук следва, че състоянието на напрежение на всяка точка от деформируемо тяло може да се определи от шест компонента: три нормални σ х, σ y, σ z и три напрежения на срязване τ xy, τ zx, τ zy.
Ако обаче координатните оси са избрани по такъв начин, че само нормалните напрежения действат върху областите, перпендикулярни на тези оси, а напреженията на срязване са равни на нула, състоянието на напрежението може да се установи, ако са известни само нормалните компоненти на напрежението. Такива напрежения се наричат главни напрежения и се означават съответно с σ 1 , σ 2 , σ 3. При което σ 1 означава най-високото напрежение в алгебричната стойност, σ 3 - най-малкият и σ 2 - средно. При решаване на практически задачи една от главните оси обикновено се комбинира с посоката на силата.
Напрегнатото състояние на тялото може да бъде линейно, плоско и обемно.
Ориз. 4. Нормални и срязващи напрежения върху лицата на елементарен паралелепипед
В състояние на линейно напрежение две главни напрежения са нула, в плоско състояние едно от главните напрежения е нула, а в обемно състояние и трите главни напрежения са различни от нула, което е показано на фиг. 5. Линейни модели на опън и компресия (поради наличието на контактно триене в краищата на детайла) не се срещат по време на обработка под налягане. Плоско напрегнато състояние възниква при някои процеси на щамповане на листове - огъване, фланциране и др. В повечето случаи при обработка под налягане металът е в обемно напрегнато състояние. В този случай усилията и напреженията, действащи в различни посоки, могат да бъдат както равни ( σ 1 =σ 2 =σ 3 - равномерно напрегнато състояние) и неравномерно ( σ 1 ≠σ 2 ≠σ 3 - неравномерно напрегнато състояние). Обемни и плоски вериги с напрежения от един и същи знак се наричат едноименни вериги, а вериги с напрежения с различни знаци се наричат несходни.
Разграничете схемите на всестранно напрежение, всестранно компресиране, както и напрежение на ставите и компресия.
При всестранно равномерно напрежение пластичната деформация е невъзможна, тъй като се получава крехко счупване. При всестранно равномерно компресиране пластичната деформация няма да възникне поради невъзможността за срязване, тъй като напрежението на срязване тук е равно на нула. При равномерно и неравномерно цялостно компресиране и опън на ставите е възможна пластична деформация. Схемата с наличие на две напрежения на натиск е най-благоприятна от гледна точка на по-малката възможност за поява на крехко счупване на метала.
Повечето от процесите на формоване на метал - валцуване, пресоване, коване и коване - протичат при условия на всестранно неравномерно компресиране.
Ориз. 5. Диаграми на напрегнато-деформирано състояние:
а - линеен; b - плосък; в - обемна
При нормално търкаляне има условия, при които σ 1 >σ 2 >σ 3 (в абсолютна стойност), при чертане σ 1 >σ 2 =σ 3, при натискане σ 2 =σ 3 , σ 1 <σ 2; с отворено коване - разместване на цилиндрични образци σ 1 >σ 2 =σ 3 и др.
По-благоприятният ход на обработка на метал под налягане в условия на всестранно неравномерно компресиране се обяснява с факта, че напреженията на натиск предотвратяват разрушаването на междукристалните връзки и допринасят за развитието на интракристални срязвания. Един и същ метал може да се окаже пластичен при някои условия и крехък при други. Чрез промяна на състоянието на напрежение на деформируемо тяло по време на деформация е възможно да се промени неговата пластичност в широк диапазон.
По този начин може да се установи, че чрез създаване на благоприятна диаграма на напреженото състояние, както и чрез избор на температура и скорост на деформация, е възможно да се създадат условия, при които става възможна пластична деформация дори на крехки метали.
Според схемите на главните напрежения съществуват схеми на главни деформации ε 1, ε 2, ε 3. Диаграмите на основните деформации са показани на фиг. 6.
Ориз. 6. Схеми на основните деформации
Деформациите, които характеризират увеличаване на първоначалния размер (удължаване), се определят със знак плюс, а скъсяването (компресия) - знак минус. Деформираното състояние във всяка точка на тялото се характеризира с три основни деформации и три посоки на главните деформационни оси. Според условието за постоянство на обема (обемът на метала не се променя при обработката под налягане) една от трите основни действащи деформации е равна на сбора от другите две и е противоположна на тях по знак. Въз основа на това положение има само три схеми на основните деформации. От тези три схеми едната е обемна с две деформации на натиск, другата е обемна с две деформации на опън, а третата е плоска с деформации на натиск и опън.
Видът на диаграмата на основните деформации, както и естеството на напрегнатото състояние оказват влияние върху пластичността. Най-добрите условия за проява на пластични свойства създава обемната диаграма на деформираното състояние с две деформации на натиск, най-лошите условия - обемната диаграма с две деформации на опън.
Процесите на формоване на метал се основават на способността на металните материали да се трансформират в пластично състояние под действието на приложено натоварване. Следователно, за най-рационалния избор на технологичния процес е необходимо да се познават факторите, чрез които може да се контролира пластичността.
Пластичност -способността на метала под действието на натоварване да променя формата си без разрушаване и да я поддържа след отстраняване на товара.
Основните фактори, влияещи върху пластичността на металите по време на обработка под налягане са:
- състав и структура на кования метал;
- диаграма на напрегнатото състояние по време на деформация;
- температура на деформация;
- неравномерна деформация;
- скорост на деформация;
- степента на деформация;
- режим на топлинна обработка.
Нека разгледаме влиянието на всеки от изброените фактори.
Състав и структура на кован метал.По правило чистите метали имат максимална пластичност. Въпреки това, поради ниската си якост в чиста форма, металите почти никога не се използват за получаване на продукти. Следователно, за да се създаде комплекс от необходими свойства в металите, се добавят други химични елементи (легиращи добавки). Освен това в металите обикновено присъстват примеси - химични елементи, които влизат в метала при извличане от руда, топене, нагряване и др. съдържание в степента на съответната сплав. В стоманите, например, такива примеси като Sn, Pb, Sb, B, P, H, O и др., рязко намаляват пластичността.Те почти не се разтварят в желязото, разположени са по границите на зърната, отслабвайки връзката между тях. Освен това точките на топене на тези елементи и техните евтектични съединения с желязо са значително по-ниски от тези на самото желязо. Следователно, по време на гореща деформация, съдържанието на тези примеси над допустимите граници поради топене може да доведе до пълна загуба на пластичност на стоманата. По този начин повишеното съдържание на сяра в стоманата причинява напукване по време на гореща обработка. Това явление се нарича "Червена крехкост".Трябва да се има предвид, че разликата между легиращ елемент и вреден примес е доста произволна. Дори за един метал, който е в основата на сплавта, един и същи елемент може да действа в сплавта както като легиращ елемент, така и като примес. Например, в редица ковани алуминиеви сплави, силицийът е вреден и съдържанието му е ограничено, но има алуминиеви сплави, в които силицийът е основната легираща добавка, например силициевите леярски сплави.
Тяхната структура оказва голямо влияние върху пластичността на сплавите. Твърдите разтвори обикновено имат най-висока пластичност сред сплавите. Хетерогенността (хетерогенността) на структурата на сплавите води до намаляване на пластичността. При същия химичен състав еднофазната сплав е по-пластична от двуфазната сплав, тъй като в двуфазната сплав фазите имат различни механични свойства и деформацията протича неравномерно. Дребнозърнестият материал е по-пластичен от едрозърнестия, а деформираната заготовка е по-пластична от слитъка, тъй като отлятата структура на последния е по-груба, нехомогенна по химичен състав, има включвания и други дефекти от леене.
Диаграма на състоянието на напрежението по време на деформация.Установено е, че металните материали могат да преминават от крехко състояние в пластмасово и обратно при промяна на условията на деформация. Ето защо е по-правилно да се приеме, че в природата няма тела с постоянно ниво на свойства, но има крехко и пластично състояние на материята, обусловено от условията на натоварване по време на деформация. В същото време увеличаването на дела на напреженията на натиск по време на деформация увеличава пластичността на обработвания метал. Металните материали проявяват най-голяма пластичност при всестранно компресиране. В този случай се възпрепятстват междугрануларните измествания и цялата деформация се извършва поради вътрешногрануларно изместване на дислокации. С появата на опънни напрежения в схемата пластичността намалява. Металите имат най-ниска пластичност при всестранно напрежение. В технологичните процеси на металообработване под налягане, с редки изключения, подобна схема на напрегнато състояние се опитва да се избягва.
Температура на деформация.Минималната пластичност на металите се наблюдава при температури, близки до абсолютната нула по скалата на Келвин, поради ниската термична подвижност на атомите. Приблизително в температурния диапазон от 0 до (0,2-0,25) Г w „където Г pl е точката на топене в абсолютна скала, деформацията се нарича студена. При тези температури процесите на редукция в металите, като връщане, могат да бъдат пренебрегнати. С повишаване на температурата пластичността на металите се увеличава. В този случай деформацията на метала при повишени температури се характеризира с едновременното протичане на процеси на втвърдяване и омекване. Процесите на възстановяване, които намаляват плътността на дислокациите по време на гореща деформация и водят до намаляване на якостта, могат да бъдат само възстановяване или възстановяване и рекристализация. Процесите на омекване при гореща деформация са подобни на процесите на омекване при отгряване след студена деформация. По този начин, при връщане, плътността на дислокациите намалява в резултат на увеличаване на тяхната подвижност и се придружава от изравняване на дислокациите в стени (полигонизация), а по време на рекристализация дислокациите се изместват чрез мигриращи граници с голям ъгъл. Тъй като процесите на възстановяване, протичащи в процеса на деформация, имат свои собствени характеристики, по-правилно е да се използват термините динамична възвръщаемост(там
номер, динамична полигонизация) и динамична рекристализация,за разлика от статичните процеси на възстановяване и рекристализация, които възникват при отгряване след деформация. За чистите метали възвръщаемостта се проявява при температури над (0,25 - 0,30) G PL. Наличието на примеси в метала възпрепятства движението на дислокациите и повишава температурата на връщането. Обратният поток по време на деформация намалява устойчивостта на деформация на метала и повишава неговата пластичност, но укрепването на метала все още се наблюдава, въпреки че неговата интензивност е по-малка, отколкото при студена деформация.
Процесът на прекристализация, съгласно формулата на A. A. Bochvar, за чисти метали започва при температура приблизително 0,4G 11L. Примесите повишават тази температура. Динамичната рекристализация се различава от статичната по това, че новокристализираните зърна с ниска плътност на дислокация по време на растежа им постепенно се втвърдяват, тъй като плътността на дислокацията в тях се увеличава поради продължаващата деформация. Зоните, които са прекристализирали на първо място, започват да се втвърдяват по-рано и в тях по-бързо се постига критичната плътност на дислокация, необходима за зародиша на нови рекристализирани зърна, които след това се втвърдяват и т.н. Графиките на зависимостта на истинското напрежение от истинската деформация, представени както за динамично възстановяване, така и за динамична рекристализация (фиг. 2.6), се характеризират след етапа на деформационно втвърдяване от етапа на стационарно течение.
При избора на режим на деформация е необходимо да се вземе предвид, че при температури, близки до точката на топене на метала, прегряванеили изгоря.Първото явление е, че след достигане на максималните си стойности в областта на колективната рекристализация, пластичността започва да намалява плавно поради далеч напреднала колективна рекристализация, което на този етап води до образуването на прекалено едро зърно. При много високи температури както здравината, така и пластичността могат рязко да намалеят, което се причинява от прегаряне - силно междукристално окисление, а понякога и частично сливане на примеси по границата на зърното. Ако първият тип брак може да бъде коригиран чрез многократна термична обработка на детайла, тогава изгарянето се счита за непоправим брак и такъв детайл се изпраща за претопяване. По този начин металите имат най-висока пластичност в диапазона от температурата на рекристализация до температурата на топене. Въпреки това, горната граница трябва да бъде под температурата на окисляване на границата на зърното. Важен параметър на структурата в продукт, получен чрез деформация при температура над температурата е
рекристализационни кръгове, е размерът на зърното, който силно влияе върху механичните свойства на продуктите. Зависимостта на размера на зърното в металите след деформация с последваща рекристализация, от една страна, от температурата, а от друга, от степента на деформация обикновено се представя с обемни диаграми на рекристализация (фиг. 2.7), които са нанесени според резултатите от специално проведени експерименти. Тези диаграми са специфични за всеки метал и сплав и се използват за избор на температурен режим на деформация.
B, MPa
B, MPa
Ориз. 2.6. Зависимост на истинското напрежение 5 от истинската деформация e (числата на кривите са скоростта на деформация, s -1): а- армко желязо, 700 ° С;
6 - стомана с 0,25% C
Неравномерна деформация.Основните причини за неравномерното разпределение на напреженията и деформациите в детайла се считат за нехомогенност на физическите свойства на материала на детайла, контактното триене, формата на детайла и работния инструмент.
При условия на неравномерна деформация отделните елементи на тялото получават различни промени в размера. Тъй като обработеното тяло се приема като непрекъсната среда, тези области, които получават голяма деформация, имат известен ефект върху области с по-ниска деформация и обратно. В резултат на това в тялото възникват взаимно балансирани допълнителни напрежения, които не се определят от схемата на напрегнатото състояние, причинено пряко от действието на външни сили. Допълнителните напрежения могат при определени
при условия на обработка променяйте диаграмата на напрегнатото състояние на деформируемото тяло. Особено опасно е, че в някои части на тялото се появяват опънни напрежения, които могат да доведат до разрушаване на детайла, въпреки че в този случай общата схема на напрегнатото състояние се изразява чрез схема на всестранно компресиране, благоприятна за проявата на пластичност.
Ориз. 2.7.
Допълнителните напрежения, които са взаимно балансирани в обема на деформируемото тяло (заготовка), могат да се разделят на три вида: напрежения от първи вид (зонални), които се балансират между отделни зони или части от детайла; напрежения от втори вид, които са балансирани между отделните зърна на детайла; напрежения от трети вид, балансирани в едно зърно. Пример за неравномерна деформация е образуването на цилиндър по време на разместване в резултат на триене между инструмента и образеца.
Скорост на деформация.При обработката на метали под налягане се разграничават две скорости: скоростта на деформация или скоростта на движение на работното тяло на машината (жена чук, плъзгач за преса и др.) и скоростта на деформация c или промяната на степен на деформация r за единица време, която може да се изчисли по следната формула:
В същото време при традиционните видове обработка на метали под налягане диапазонът на скоростите на деформация варира в диапазона от 10 1 до 10 5 s. ”Тази стойност е по-удобна за описване на ефекта от условията на скоростта на деформация върху пластичността, тъй като не зависи от размера на обработвания детайл, за да се сравнят различни процеси на обработка на метал под налягане, при които е възможно да се деформират детайли с тегло няколко грама, и например многотонни блокове. В първо приближение, по-висока е степента на деформация, толкова по-ниска е пластичността. Освен това, интензивността на нагряване е по-висока, толкова по-висока е скоростта на деформация. Следователно по време на студена обработка ниските скорости на деформация имат малък ефект върху пластичността. Високите скорости осигуряват нагряване на деформираното тяло , което допринася за развитието на дифузионни процеси и следователно за известно възстановяване на пластичността на метала.
При гореща обработка скоростта на деформация има по-слаб ефект върху пластичността, отколкото при студена обработка, тъй като действието на висока температура се наслагва върху втвърдяването поради действието на деформация, което насърчава появата на процеси на омекване поради ускоряване на дифузията подвижност на атомите.
? = Nlr. * 100%
Ориз. 2.8. Зависимост на механичните свойства на алуминиевата сплав D1 от степента на редукция при студено валцуване
Степента на деформация.Обикновено под работно втвърдяване се разбира втвърдяване по време на обработка под налягане.
В по-широк смисъл трудоукрепване -това е набор от структурни промени и свързани промени в свойствата по време на пластична деформация. При студена обработка с натиск, с увеличаване на степента на деформация, устойчивостта на деформация (пределна якост на опън, граница на провлачване и твърдост) се увеличава, а показателите за пластичност (удължение и свиване) намаляват (фиг. 2.8). Когато металът се деформира със степен на деформация над 50-70%, якостта и твърдостта на опън обикновено се увеличават с един и половина до два, а понякога дори три пъти, в зависимост от естеството на метала и вида на лечение под налягане. Малките деформации (до 10%), като правило, имат много по-силен ефект върху границата на провлачване, отколкото върху пределната якост на опън. При високи степени на деформация в редица сплави, напрежението на провлачване може да се увеличи с 5-8 пъти или повече.
Относителното удължение намалява рязко дори при относително малки деформации. Силната деформация, придружена от увеличаване на якостта на опън и твърдостта с 1,5-2 пъти, може да намали относителното удължение с 10-20, а понякога и 30-40 пъти или повече.
Увеличаването на устойчивостта на деформация и намаляването на пластичността с увеличаване на степента на предварителна студена деформация възниква в резултат на увеличаване на плътността на дислокациите. В закаления метал поради повишената плътност на дислокациите се затрудняват приплъзването на вече съществуващи, както и възникването (генерирането) и приплъзването на "нови" дислокации.
Горещата обработка има по-слаб ефект върху пластичността, тъй като с повишаване на температурата се активират дифузионни процеси, придружени от връщане или прекристализация, което води до частично или пълно възстановяване на пластичността.
Режим на топлинна обработка.За да се получи специфичен продукт чрез обработка под налягане, е необходимо детайлът да се деформира с определена степен на деформация. Има случаи, когато е трудно или невъзможно да се постигне такава степен на деформация при една операция (едно преминаване по време на валцуване, една операция на изтегляне при щамповане на лист и др.). Следователно технологичният процес е разделен на няколко операции, например се правят няколко прехода по време на щамповане на листове или няколко преминавания по време на валцуване и т.н. За частично или пълно възстановяване на пластичността след операцията на обработка под налягане се използват различни видове междинна термична обработка . За стоманите това може да бъде отгряване: предварителна рекристализация или прекристализация. За някои алуминиеви ковани сплави може да се използва закаляване. Видът на топлинна обработка и нейният режим се избират в зависимост от естеството на сплавта, степента на деформация, температурата на деформация и др.
Доскоро пластичността на метала при всякакви условия на неговата деформация се оценяваше по резултатите от изпитванията на опън на проби. Въз основа на тези данни се смята, че пластичността на всички метали е толкова по-висока, колкото по-висока е температурата, при която се обработва. В действителност този ефект на температурата не е често срещан.
Ю. М. Чижиков препоръчва пет типични модела на температурно влияние върху границата на пластичност Δh / H, характеризиращи се с относителна компресия (фиг. 51). Крива 1 характеризира метали и сплави, чиято пластичност се увеличава с повишаване на температурата. Тази крива е типична за въглеродни и легирани конструкционни стомани и др. Крива 2 е показана за метали и сплави, чиято пластичност намалява с повишаване на температурата. Тази крива е валидна само за някои високолегирани сплави, но представлява по-голям интерес, показвайки, че пластичността не винаги се увеличава с повишаване на температурата. Крива 3 характеризира метали и сплави, чиято пластичност се променя много малко с повишаване на температурата. Те включват много качествени легирани стомани. Според крива 4, когато температурата се повиши до някаква средна стойност, пластичността се увеличава; с по-нататъшно повишаване на температурата тя намалява. Крива 5 показва, че при някои средни температури има намаляване на пластичността; при по-високи или по-ниски температури пластичността е по-висока. Тази крива е типична за търговски чисто желязо.
Влияние на химичния състав на стоманата
Съдържание въглеродв стоманата, до 0,8-1% леко намалява пластичността на метала. Увеличаването на съдържанието на въглерод в стоманата води до факта, че металът в отлято състояние може да се обработва само чрез коване. Така стоманите, съдържащи около 1,5% С, в отлято състояние, се обработват чрез коване. След коване или след смачкване на първичната структура и превръщането й във вторична структура, те могат да бъдат валцовани.
Въглеродът принадлежи към активните елементи, които влияят на промяната в устойчивостта на деформация. Особено забележим ефект на въглерода върху повишаване на устойчивостта на деформация започва, когато съдържанието му е 0,5% и повече.
манганувеличава способността на метала да се деформира пластично поради факта, че образува сулфид със сяра, която е в метала под формата на сферични включвания. При повишено съдържание на манган (12% или повече), пластичността на метала зависи от условията за леене на стоманата. И така, горещо лятият метал, поради своята грубо-зърнеста структура, се валцува и кова по-лошо. Металът, отлят при ниска температура, има финозърнеста структура и се поддава добре на обработка под налягане, но устойчивостта му на деформация рязко се увеличава.
никеле добър абсорбатор на газове в разтопен метал. Това свойство на никела е особено важно при наличието на водород в стоманата. За разлика от мангана, никелът и съединението със сяра (никелов сулфид) се намират в стоманата по границите на зърното, което допринася за появата на червена чупливост. Никелови сулфиди, имащи ниска точка на топене, увеличават склонността на стоманите да изгарят. Ефектът на никела върху устойчивостта на деформация е незначителен.
хромнасърчава образуването на грубокристална структура. Едрозърнестата колонна структура в грубите блокове при охлаждане може да причини появата на междукристални пукнатини. Това е особено забележимо при хромирани стомани с високо съдържание на въглерод. В някои високовъглеродни стомани като EKh12 или Cr-Monn-Kels (3-4% Ni, 1-5% Cr), тези пукнатини могат дори да достигнат повърхността. Хромът в стоманата, особено със съдържание на никел или високо съдържание на въглерод, рязко повишава устойчивостта на деформация поради наличието на хромови карбиди, които са устойчиви дори при високи температури.
Ванадий, подобно на мангана, имащ афинитет към кислорода, е добър деоксидант. В допълнение, ванадий, подобно на силиция, служи като добър дегазификатор. Практиката и изследванията установяват, че ванадий допринася за образуването на фино-зърнеста структура на слитъка, докато пластичността на стоманата се увеличава.
волфрамнамалява пластичността на стоманата в горещо състояние и увеличава устойчивостта на деформация. Някои марки стомана със съдържание на волфрам в отлято състояние първо се коват и едва след повторно нагряване слитъкът се валцува на рула.
Стомана със съдържание молибденса самозасмукващи. Съдържанието на молибден в стоманата не намалява способността за промяна на пластичната форма по време на коване или валцуване. В същото време устойчивостта на деформация се увеличава леко. Недостатъкът на стоманите, съдържащи големи количества молибден (до 1,5% или повече), е тяхното свойство да бъдат подложени на въздушно закаляване по време на охлаждане, което понякога е придружено от появата на пукнатини. При стомани с ниско съдържание на молибден (0,25-0,3%) това явление не се наблюдава.
В метал сярасе среща най-често под формата на FeS и MnS съединения. При наличие на легиращи елементи в стоманата (Cr, W и особено Ni, сярата, комбинирайки се с тях, образува сулфиди, които се утаяват по границите на зърното на метала. Тези сулфиди, имащи ниска точка на топене и якост, причиняват червена чупливост на стоманата по време на пластмасова обработка в температурен диапазон 800-1000 ° C. Освен това сулфидите представляват риск от изгаряне на метала при температури, близки до 1200 ° C.
Наличност водородв стоманата насърчава образуването на вътрешни пукнатини-люспи. Водородът няма пряк ефект върху пластичността и устойчивостта на деформация.
В метал азоте под формата на съединения с други елементи. Съдържанието на нитриди в диапазона 0,002-0,005% не оказва значително влияние върху пластичността на метала. С увеличаване на съдържанието на нитрид до 0,03% и повече, металът става студено крехък и крехък на багрилото. Въпреки това, добавянето на азот, по-специално към устойчива на корозия стомана, намалява размера на зърното на отливката. Така че съдържанието на азот в диапазона от 0,15-0,2% в устойчива на корозия стомана със съдържание на хром до 25% помага за получаване на финозърнеста структура и подобряване на пластичността с едновременно увеличаване на устойчивостта на деформация. Неметалните включвания под формата на оксиди (особено FeO) влияят негативно върху пластичността на метала при високи температури. Според редица изследвания количеството на оксидите не трябва да надвишава 0,01%. При по-високо съдържание на оксиди в метала, независимо от тяхната форма и естество, се получават пукнатини дори при деформиране чрез коване.
В допълнение към разглежданите общи технологични свойства (пластичност и устойчивост на деформация), всеки метал или сплав има и специфични особености, които трябва да се познават и вземат предвид при разработването на технологични режими. По този начин свободно режещата стомана (въглеродна стомана с високо съдържание на сяра) има нисък коефициент на триене, което затруднява захващането на ролките по време на валцуване.
Много легирани стомани са склонни към напукване, прекомерно обезвъглеродяване и прегряване. Всички тези и други характеристики на всеки метал трябва да се вземат предвид, за да се проведе правилно технологичния процес.