Plastičnost je odvisna od narave snovi (njegove kemične sestave in strukturne strukture), temperature, stopnje deformacije, stopnje utrjevanja in od pogojev napetostnega stanja v trenutku deformacije.
Vpliv naravnih lastnosti kovine. Plastičnost je neposredno odvisna od kemične sestave materiala. S povečanjem vsebnosti ogljika v jeklu se duktilnost zmanjša. Velik vpliv imajo elementi, ki sestavljajo zlitino kot nečistoče. Kositer, antimon, svinec, žveplo se ne raztopijo v kovini in, ki se nahajajo vzdolž meja zrn, oslabijo vezi med njimi. Tališče teh elementov je nizko; pri segrevanju za vročo deformacijo se stopijo, kar vodi do izgube duktilnosti. Nadomestne nečistoče manj zmanjšajo plastičnost kot intersticijske nečistoče.
Plastičnost je odvisna od strukturnega stanja kovine, zlasti med vročo deformacijo. Heterogenost mikrostrukture zmanjšuje plastičnost. Enofazne zlitine, ceteris paribus, so vedno bolj duktilne kot dvofazne. Faze imajo različne mehanske lastnosti, deformacija pa je neenakomerna. Drobnozrnate kovine so bolj duktilne od grobozrnatih. Kovina ingotov je manj duktilna kot kovina valjane ali kovane gredice, saj ima lita struktura močno heterogenost zrn, vključkov in drugih napak.
Temperaturni učinek. Pri zelo nizkih temperaturah, blizu absolutne ničle, so vse kovine krhke. Pri izdelavi konstrukcij, ki delujejo pri nizkih temperaturah, je treba upoštevati nizko duktilnost.
Z zvišanjem temperature se poveča duktilnost nizko in srednje ogljikovih jekel. To je razloženo z dejstvom, da se odpravijo kršitve meja zrn. Toda povečanje plastičnosti ni monotono. V intervalih določenih temperatur opazimo "odpoved" plastičnosti. Torej za čisto železo najdemo krhkost pri temperaturi 900-1000 ° C. To je posledica faznih transformacij v kovini. Imenuje se zmanjšanje plastičnosti pri temperaturi 300-400 ° C modra krhkost, pri temperaturi 850-1000 o C - rdeča krhkost.
Visoko legirana jekla imajo večjo hladno duktilnost . Za jekla s krogličnimi ležaji je duktilnost praktično neodvisna od temperature. Posamezne zlitine imajo lahko razpon povečane duktilnosti .
Ko se temperatura približa tališču, se duktilnost zaradi pregrevanja in pregorevanja močno zmanjša. Pregrevanje se izraža v prekomerni rasti zrn preddeformirane kovine. Pregrevanje se popravi s segrevanjem na določeno temperaturo in nato hitrim hlajenjem. Burnout je nepopravljiv zakon. Sestoji iz oksidacije meja velikih zrn. V tem primeru je kovina krhka.
Vpliv delovne utrjevanja in stopnje deformacije. Kaljenje zmanjša duktilnost kovin.
Učinek stopnje deformacije na plastičnost je dvojen. Med vročim obdelavo s pritiskom povečanje hitrosti vodi do zmanjšanja plastičnosti, ker. utrjevanje je pred rekristalizacijo. Pri hladnem obdelavi povečanje stopnje deformacije najpogosteje poveča duktilnost zaradi segrevanja kovine.
Vpliv narave stresnega stanja. Na plastičnost ima velik vpliv narava stresnega stanja. Povečanje vloge tlačnih napetosti v splošni shemi napetostnega stanja povečuje plastičnost. V pogojih izrazitega vsestranskega stiskanja je možno deformirati tudi zelo krhke materiale. Shema vsestranskega stiskanja je najugodnejša za manifestacijo plastičnih lastnosti, saj je v tem primeru ovirana intergranularna deformacija in vse deformacije potekajo zaradi intragranularne deformacije. Povečanje vloge nateznih napetosti vodi do zmanjšanja plastičnosti. V pogojih vsestranske napetosti z majhno razliko v glavnih napetostih, ko so strižne napetosti majhne za nastanek plastične deformacije, se tudi najbolj plastični materiali krhki lomijo.
Plastičnost je mogoče oceniti z uporabo . Če se poveča, se poveča plastičnost in obratno. Izkušnje kažejo, da je s spreminjanjem napetostnega stanja mogoče vsa trdna telesa narediti duktilne ali krhke. Zato plastičnost ne velja za lastnost, ampak za posebno stanje snovi.
Stanje plastičnosti je pogoj za prehod elastične deformacije v plastično, tj. definira pregibno točko v diagramu napetost-stiskanje.
V linearnem napetostnem stanju, na primer, ko se vzorec raztegne, se plastična deformacija začne, ko normalna napetost doseže točko tečenja. To je za stanje plastičnosti linearnega napetostnega stanja ima obliko: .
Saint-Venant je na podlagi teh poskusov izpeljal pogoj plastičnosti. Ugotovil je, da do plastične deformacije pride, ko največja strižna napetost doseže vrednost, ki je enaka polovici meje tečenja, t.j.
. Ampak 
. Od tu dobimo.
Tako je pogoj plastičnosti Sveti Venant izgleda kot:
Do plastične deformacije pride, ko največja razlika med glavnimi normalnimi napetostmi doseže vrednost odpornosti proti deformaciji, t.j.
Najstrašnejši sovražnik železnih konstrukcij - korozija kovine. Uniči vse kovinske izdelke, zlasti v pogojih visoke vlažnosti. Korozija ni podvržena samo železu, temveč tudi drugim kovinam, čeprav je čas uničenja izdelkov, izdelanih iz njih, veliko daljši. Človeštvo se nenehno bori z uničenjem, ki ga povzroča kovinska korozija, in ustvarja različne načine za zaščito pred njim, vendar globalna rešitev problema še ni bila najdena in vsako leto desetino kovine uniči korozija.
Korozijskemu uničenju so najbolj izpostavljene različne kovine, zbrane v enem izdelku. Če imajo kovine različne elektrokemične potenciale, se, ko so izpostavljene vlagi, spremenijo v elektrode in se hitro pokvarijo. Tako so lastnosti bakra nezdružljive z lastnostmi železa in aluminija. Aluminij je nezdružljiv s kositrom, cink pa z bakrom.
Elastičnost in plastičnost kovin
Poleg odpornosti proti koroziji in medsebojne kompatibilnosti so za uporabo pomembne tudi druge mehanske lastnosti, kot je npr. trdnost, plastičnost kovin, njihova elastičnost. Primerjajmo žico istega preseka, vendar iz različnih kovin. Aluminijasta žica se zlahka zlomi, bakrena in železna žica pa lahko preneseta velike obremenitve. Ni čudno, da so strune glasbenih inštrumentov, katerih funkcije so ravno sposobnost, da prenesejo velike obremenitve, izdelane iz jekla. Povečana natezna trdnost kovine je potrebna tudi za žice daljnovoda, kable in številne druge strukture. Poleg natezne trdnosti kovine so pomembne tudi tlačna trdnost, upogibna trdnost in drugo.
Če tanko jekleno ploščo upognete in nato sprostite, se bo zravnala in pokazala lastnost elastičnost kovin. Pogosto so kovinske konstrukcije posebej zasnovane tako, da kažejo elastičnost. Torej je elastična deformacija potrebna za vzmeti, zatiče, blažilnike. Drugi izdelki so zasnovani tako, da je elastičnost minimalna. To je značilno predvsem za tramove ali različne mehanizme.
lastnina, obratno elastičnost kovin se imenuje plastičnost. Kaže se v tem, da izdelek pod vplivom obremenitve spremeni svojo obliko - je deformiran, vendar se hkrati ne zruši. In po odstranitvi bremena ohrani to novo obliko. Primer bi bil žebelj, ki se ob udarcu upogne in ostane upognjen.
Plastičnost kovin je še posebej pomembna pri njihovi umetniški obdelavi z metodami, preganjanjem, filigranom, štancanjem in številnimi drugimi. Trdnost, duktilnost kovin poveča se med njihovo toplotno obdelavo, pa tudi zaradi termokemičnih učinkov; na primer naogljičenje jeklenih zlitin ali nitriranje. Že od nekdaj se je za povečanje trdnosti uporabljala metoda, kot je površinsko utrjevanje. Vsi poznamo izraz "odbiti koso". To pomeni, da je delovna površina ražnja utrjena s kovanjem zunanje plasti kovine.
Težave pri izbiri idealne kovine
Nemogoče je najti kovino, katere lastnosti bi bile idealne za vsak poseben dizajn. Kot primer lahko vzamete običajne jedi - ponev. Že od antičnih časov so za njegovo izdelavo jemali baker in bakrove zlitine, ki jih odlikuje dobra toplotna prevodnost. Vendar so bakreni izdelki prehitro oksidirali in postali neuporabni. V 18. stoletju so se naučili pločeviti notranjo površino loncev in drugih pripomočkov – nanesti plast kositra, ki je preprečeval oksidacijo.
Najnovejši razvoj švedskih raziskovalcev je troslojna posoda posebne vzdržljivosti: njena zunanja plast je izdelana iz toplotno intenzivnega in toplotno prevodnega bakra, srednja plast je izdelana iz aluminija, notranja plast pa iz nerjavečega jekla, odpornega proti oksidaciji. jeklo.
Glavni dejavniki, ki zelo pomembno vplivajo na plastičnost in odpornost kovine na deformacijo, so kemična sestava, temperatura kovine, hitrost deformacije, shema napetostno-deformacijskega stanja, kontaktno trenje itd.
Vpliv kemične sestave je velik. Najvišjo plastičnost imajo čiste kovine in zlitine, ki tvorijo trdne raztopine. Najslabše plastične lastnosti so zlitine, ki tvorijo kemične spojine in mehanske zmesi. Tako železove kot neželezove zlitine so podvržene tlačni obdelavi. Iz železovih zlitin se ogljikova in legirana jekla obdelujejo s pritiskom, iz neželeznih zlitin - bron, medenina, duralumin itd.
Največje število delov je izdelano s tlačno obdelavo jekla. V zvezi s tem je treba upoštevati vpliv nekaterih nečistoč na duktilnost jekla in njegovo odpornost na deformacije.
Ogljik je glavna nečistoča, ki vpliva na lastnosti jekla. S povečanjem vsebnosti ogljika v jeklu se duktilnost zmanjša, odpornost proti deformaciji pa se poveča. Jekla z vsebnostjo ogljika do 0,5 % imajo dobro duktilnost, zato tlačna obdelava takšnih jekel ni težavna. Vendar pa tlačna obdelava jekla, ki vsebuje več kot 1 % ogljika, predstavlja velike težave. Silicij in mangan v mejah, v katerih ju vsebujejo navadna jekla (0,17–0,35 % oziroma 0,3–0,8 %), nimata opaznega vpliva na duktilnost jekla. Nadaljnje povečanje vsebnosti silicija in mangana v jeklu zmanjša njegove plastične lastnosti in poveča odpornost na deformacije.
Žveplo se nahaja v jeklu v obliki kemičnih spojin FeS ali MnS. Povzroča rdečo krhkost jekla. Pojav rdeče krhkosti je povezan s tvorbo FeS + Fe evtektike vzdolž meja zrn, ki se tali pri temperaturi 985 ˚С. Ko se jeklo segreje na temperature 1000–1200 ˚С za kovanje, valjanje, se evtektika tali, se kontinuiteta mej zrn prekine in na teh mestih med deformacijo nastanejo razpoke. Ob prisotnosti MnS v jeklu se rdeče območje krhkosti premakne na višje temperature (1200 ˚С). V zvezi s tem mora biti vsebnost žvepla v jeklu (v obliki spojine FeS) minimalna (0,03–0,05 %). Fosfor v jeklu je prisoten v trdni raztopini (ferit). Povzroča hladno krhkost jekla. Povečanje vsebnosti fosforja v jeklu poveča odpornost na plastično deformacijo in posledično oteži tlačno obdelavo. Zato vsebnost fosforja v jeklu ne sme biti večja od 0,03–0,04%.
Legirni elementi (krom, nikelj, volfram, molibden, vanadij itd.) zmanjšajo duktilnost in povečajo odpornost na deformacije, močnejši pa je več ogljika v jeklu.
Temperatura pomembno vpliva na mehanske lastnosti kovin in zlitin. Zvišanje temperature na približno 100 ˚С povzroči nekaj povečanja plastičnosti in zmanjšanja lastnosti trdnosti. Z nadaljnjim dvigom temperature na približno 300 ˚С opazimo znatno povečanje trdnosti in zmanjšanje plastičnosti. Ta pojav se imenuje modra krhkost (iz barve zatemnitve). Domneva se, da je krhkost, opažena pri teh temperaturah, posledica sproščanja razpršenih delcev karbidov, nitridov itd. vzdolž drsnih ravnin. Nadaljnje zvišanje temperature povzroči močno zmanjšanje lastnosti trdnosti. Pri temperaturah okoli 1000 ˚С se končna trdnost σv zmanjša za več kot 10-krat. Kar zadeva indekse plastičnosti, se zmanjšajo v območju 800–900 ˚С zaradi pojava faznih transformacij v jeklu in nepopolnega procesa rekristalizacije; z nadaljnjim dvigom temperature lahko opazimo njihov intenziven porast. Tako so nevarne temperaturne cone glede na zmanjšanje plastičnosti območje modre krhkosti in cone, v katerih pride do nepopolne rekristalizacije in faznih transformacij. Ta vzorec opazimo tudi pri drugih kovinah in zlitinah.
Na plastičnost vpliva tudi stopnja deformacije. Pri deformiranju kovin je treba razlikovati dve hitrosti: hitrost deformacije, ki je hitrost gibanja delovnega telesa stroja (glave kladiva, stiskalnega drsnika, delovnih valjev itd.), in hitrost deformacije, ki je sprememba v stopnji deformacije ε na enoto časa t.
Stopnja deformacije ω je izražena s formulo:
Pri konstantni hitrosti in tudi pri srednji hitrosti:
Med tlačno obdelavo na stiskalnicah je hitrost deformacije približno 0,1–0,5 m/s, hitrost deformacije pa 1–5 sˉ¹. Pri delu s pritiskom na kladiva stopnja deformacije v trenutku udarca doseže 5–10 m/s; v tem primeru celoten proces deformacije v enem udarcu traja stotinke sekunde, hitrost deformacije lahko doseže 200–250 sˉ¹. Ko se kovine deformirajo zaradi eksplozije, se pojavijo še višje hitrosti, merjene v stotinah metrov na sekundo.
V prvem približku lahko rečemo, da se s povečanjem stopnje deformacije odpornost kovine na deformacijo poveča, duktilnost pa se zmanjša. Zlasti močno pade duktilnost nekaterih magnezijevih in bakrovih zlitin ter visoko legiranega jekla, kar je razloženo z nizkimi stopnjami rekristalizacije.
Stopnja deformacije med vročo obdelavo s pritiskom ima večji učinek na kovino kot pri hladnem obdelavi. Vendar pa je pri podrobni študiji vpliva stopnje deformacije na te značilnosti ta pojav bolj zapleten. Dejstvo je, da med deformacijo pride do toplotnega učinka, ki je lahko različen pri različnih hitrostih in pogojih deformacije. V nekaterih primerih deformacije v kovini lahko pride do znatnega lokalnega zvišanja temperature (do 200–300 ˚С), kar takoj vpliva na plastičnost in odpornost proti deformaciji. Če se deformacija izvaja pri temperaturah, ki so blizu maksimalne za dano kovino, se lahko duktilnost znatno zmanjša, odpornost proti deformaciji pa se lahko poveča. Če se deformacija pojavi pri temperaturah, ki so blizu minimalne, se bo, nasprotno, zaradi toplotnega učinka povečala plastičnost kovine in zmanjšala se bo odpornost proti deformaciji. Tako je nemogoče ločeno obravnavati učinek hitrosti deformacije in temperature na mehanske lastnosti kovine, saj sta hitrost in temperatura med tlačno obdelavo tesno povezani drug z drugim. Zaradi te povezave je običajno govoriti o temperaturno-hitrostnih pogojih deformacije, t.j. o tako imenovani termomehanski tlačni obdelavi.
Kontaktno trenje je trenje, ki nastane na kontaktni površini orodja za deformiranje s kovino. Pojav znatnih sil trenja na kontaktnih površinah med tlačno obdelavo dramatično spremeni shemo napetostnega stanja in tako pomembno vpliva na plastičnost kovine in njeno odpornost proti deformacijam. Na primer, če ni kontaktnega trenja med vznemirjenjem cilindra pod ploščatimi matricami, se pojavi linearni vzorec napetosti; ob prisotnosti trenja poteka tridimenzionalna shema napetosti.
Kontaktno trenje je odvisno od številnih dejavnikov, vključno s: stanjem površine orodja za deformiranje in kovane zlitine, kemične sestave zlitine, mazanja, temperature kovine in orodja ter hitrosti deformacije. Koeficient trenja med oblikovanjem je lahko od 0,1 do 0,5. Za zmanjšanje koeficienta trenja in olajšanje pogojev deformacije se uporabljajo različna maziva in orodja s polirano površino. Treba je opozoriti, da je trenje uporaben dejavnik med valjanjem, zato se za boljši oprijem kovine ustvarijo pogoji za povečanje koeficienta trenja.
Za vročo obdelavo s tlakom se kovina segreje na določeno temperaturo in deformira, dokler njena temperatura ne pade na tako raven, da je nadaljnja deformacija nemogoča. Tako se lahko kovina deformira v strogo določenem temperaturnem območju. Najvišja temperatura njegovega ogrevanja se imenuje zgornja meja, najnižja pa spodnja meja. Vsaka kovina ima svoje strogo določeno temperaturno območje za vročo obdelavo s pritiskom.
Zgornja meja temperaturnega območja t c.p.. je izbrana tako, da ne pride do pregorevanja, intenzivne oksidacije in razogljičenja ter pregrevanja. Pri izbiri zgornje meje temperaturnega območja za visokoogljična in legirana jekla je treba upoštevati njihovo večjo nagnjenost k pregrevanju. spodnja mejna temperatura t n.p. mora biti taka, da se kovina po deformaciji pri tej temperaturi ne utrdi (delovno utrjevanje) in bi imela zahtevano velikost zrn. Izbira spodnje meje je še posebej pomembna za legirana jekla in zlitine, ki nimajo faznih in alotropnih transformacij, na primer za avstenitna in feritna jekla. Končne lastnosti teh jekel določa predvsem spodnja meja temperaturnega območja (saj niso toplotno obdelana).
Za določitev sil za različne vrste oblikovanja kovine je potrebno poznati napetostno stanje kovine, t.j. zna najti napetost, ki se pojavi na vsaki točki deformabilnega telesa, odvisno od delovanja zunanjih sil. Poleg tega narava napetostnega stanja močno vpliva na plastičnost kovine. Napetostno stanje telesa v najbolj splošnem primeru lahko v celoti določimo s tremi normalnimi in šestimi strižnimi napetostmi, t.j. devet stresnih komponent. Če v telesu, ki je izpostavljeno delovanju zunanjih sil, izpostavimo elementarni paralelepiped, potem na ploskvah tega paralelepipeda, pravokotno na osi X, Y, Z pojavijo se normalni stresi ( σ x , σ y , σ z) in strižne napetosti, ki se nahajajo v ravnini samih ploskev ( τ xy, τ zx, τ yx, τ zy, τ yz, τ yx), kot je prikazano na sl. 4.
Pod pogoji ravnotežja osnovnega paralelepipeda obstaja parna enakost komponent strižnih napetosti, tj. τ xy = τ yx, τ zx = τ xz, τ zy= τ yz.
Iz tega sledi, da lahko napetostno stanje katere koli točke deformabilnega telesa določimo s šestimi komponentami: tremi normalnimi σ x , σ y , σ z in tri strižne napetosti τ xy , τ zx, τ zy.
Če pa so koordinatne osi izbrane tako, da na površine, pravokotne na te osi, delujejo samo normalne napetosti in so strižne napetosti enake nič, je napetostno stanje mogoče ugotoviti, če so znane le normalne komponente napetosti. Takšne napetosti imenujemo glavne in jih označujemo z σ 1 , σ 2 , σ 3 . Pri čemer σ 1 pomeni največjo napetost v algebraični vrednosti, σ 3 je najmanjši in σ 2 - povprečje. Pri reševanju praktičnih problemov se ena od glavnih osi običajno kombinira s smerjo sile.
Stresno stanje telesa je lahko linearno, ravno in obsežno.
riž. 4. Normalne in strižne napetosti na ploskvah osnovnega paralelepipeda
V linearnem napetostnem stanju sta dve glavni napetosti enaki nič, v ravnem stanju je ena od glavnih napetosti nič, v volumetričnem stanju pa so vse tri glavne napetosti enake nič, kar je prikazano na sl. 5. Linearne sheme napetosti in stiskanja (zaradi prisotnosti kontaktnega trenja na koncih obdelovanca) se med tlačno obdelavo ne pojavljajo. Ravno napetostno stanje se pojavi med nekaterimi procesi žigosanja pločevine – upogibanje, prirobnice itd. V večini primerov je pri tlačni obdelavi kovina v volumetričnem napetostnem stanju. V tem primeru so sile in napetosti, ki delujejo v različnih smereh, lahko enake ( σ 1 =σ 2 =σ 3 - enakomerno napetostno stanje) in med seboj neenakomerno ( σ 1 ≠σ 2 ≠σ 3 - neenakomerno napetostno stanje). Volumetrična in ploščata vezja z napetostmi istega predznaka se imenujejo vezja z istim imenom, vezja z napetostmi različnih predznakov pa nasprotna.
Obstajajo sheme vsestranskega raztezanja, vsestranskega stiskanja, pa tudi raztezanja in stiskanja sklepov.
Pri vsestranski enakomerni napetosti je plastična deformacija nemogoča, saj pride do krhkega loma. Pri vsestransko enakomernem stiskanju ne bo prišlo do plastične deformacije zaradi nemožnosti premikov, saj je strižna napetost tukaj nič. Pri enakomernem in neenakomernem vsestranskem stiskanju in napetosti sklepa je možna plastična deformacija. Shema s prisotnostjo dveh tlačnih napetosti je najugodnejša z vidika manjše možnosti pojava krhkega loma kovine.
Večina procesov oblikovanja kovin - valjanje, stiskanje, kovanje in kovanje - poteka v pogojih vsestranskega neenakomernega stiskanja.
riž. 5. Sheme obremenjenega deformiranega stanja:
a - linearna; b - ravno; c - obsežen
Pri navadnem valjanju obstajajo pogoji, pod katerimi σ 1 >σ 2 >σ 3 (absolutna vrednost), risba σ 1 >σ 2 =σ 3, pritisnite σ 2 =σ 3 , σ 1 <σ 2; pri prostem kovanju - vznemirjanje cilindričnih vzorcev σ 1 >σ 2 =σ 3 itd.
Ugodnejši potek procesov oblikovanja kovin v pogojih vsestranskega neenakomernega stiskanja je razložen z dejstvom, da tlačne napetosti preprečujejo prekinitev medkristalnih vezi in prispevajo k razvoju intrakristalnih premikov. Ista kovina je pod določenimi pogoji lahko duktilna, pod drugimi pa krhka. S spreminjanjem napetostnega stanja deformabilnega telesa med deformacijo je možno spreminjati njegovo plastičnost v širokem razponu.
Tako je mogoče ugotoviti, da je z ustvarjanjem ugodne sheme napetostnega stanja, pa tudi z izbiro temperature in stopnje deformacije mogoče ustvariti pogoje, pod katerimi postane plastična deformacija tudi krhkih kovin možna.
Glede na sheme glavnih napetosti obstajajo sheme glavnih deformacij ε 1 , ε 2 , ε 3 . Sheme glavnih deformacij so predstavljene na sl. 6.
riž. 6. Sheme glavnih deformacij
Deformacijam, ki označujejo povečanje začetne velikosti (raztezek), je dodeljen znak plus, skrajšanju (stiskanju) pa je dodeljen znak minus. Za deformirano stanje na kateri koli točki telesa so značilne tri glavne deformacije in tri smeri glavnih deformacijskih osi. Glede na pogoj prostornine konstantnosti (volumen kovine se med tlačno obdelavo ne spreminja) je ena od treh glavnih delujočih deformacij enaka vsoti drugih dveh in je po predznaku nasprotna od njih. Na podlagi te določbe obstajajo le tri sheme glavnih deformacij. Od teh treh shem je ena volumetrična z dvema tlačnima deformacijama, druga je volumetrična z dvema nateznima deformacijama, tretja pa ravna s tlačno in natezno deformacijo.
Vrsta glavne deformacijske sheme in narava napetostnega stanja vplivata na plastičnost. Najboljše pogoje za manifestacijo plastičnih lastnosti ustvarja tridimenzionalna shema deformiranega stanja z dvema tlačnima deformacijama, najslabši pogoji so tridimenzionalna shema z dvema nateznima deformacijama.
Postopki oblikovanja kovin temeljijo na sposobnosti kovinskih materialov, da se pod vplivom obremenitve spremenijo v plastično stanje. Zato je za najbolj racionalno izbiro tehnološkega procesa potrebno poznati dejavnike, s katerimi lahko nadzorujemo plastičnost.
Plastičnost - sposobnost kovine, da spremeni svojo obliko pod obremenitvijo, ne da bi se zlomila, in jo obdrži po odstranitvi obremenitve.
Glavni dejavniki, ki vplivajo na duktilnost kovin med tlačno obdelavo, so:
- sestava in struktura deformirane kovine;
- diagram napetostnega stanja med deformacijo;
- temperatura deformacije;
- neenakomerna deformacija;
- stopnja obremenitve;
- stopnja deformacije;
- način toplotne obdelave.
Razmislite o vplivu vsakega od teh dejavnikov.
Sestava in struktura deformabilne kovine. Praviloma imajo čiste kovine največjo duktilnost. Vendar se kovine zaradi nizke trdnosti v čisti obliki skoraj nikoli ne uporabljajo za proizvodnjo izdelkov. Zato se kovinam dodajajo drugi kemični elementi (legirni dodatki), da se v njih ustvari kompleks zahtevanih lastnosti. Poleg tega kovine običajno vsebujejo nečistoče – kemične elemente, ki vstopijo v kovino med pridobivanjem iz rude, taljenjem, segrevanjem itd. Postopek odstranjevanja nečistoč je pogosto zapleten ali ekonomsko nerentabilen, zato je njihova vsebnost v zlitinah običajno omejena in njihova dovoljena vrednost je fiksna vsebnost v blagovni znamki ustrezne zlitine. V jeklih, na primer, nečistoče, kot so Sn, Pb, Sb, S, P, H, O itd., močno zmanjšajo plastičnost. V železu se skoraj ne raztopijo, nahajajo se vzdolž meja zrn, kar oslabi vez med njimi. Poleg tega so tališče teh elementov in njihovih evtektičnih spojin z železom veliko nižje od tališča samega železa. Zato lahko pri vročem deformaciji vsebnost teh nečistoč zaradi taljenja nad dovoljenimi mejami povzroči popolno izgubo duktilnosti jekla. Tako povečana vsebnost žvepla v jeklu povzroči nastanek razpok med vročo obdelavo. Ta pojav se imenuje "rdeča krhkost". Upoštevati je treba, da je razlika med legirnim elementom in škodljivo nečistočo precej poljubna. Tudi za eno kovino, ki tvori osnovo zlitine, lahko isti element v zlitini deluje tako kot legirni element kot tudi kot nečistoča. Na primer, v številnih kovanih aluminijevih zlitinah je silicij škodljiv in njegova vsebnost je omejena, vendar obstajajo aluminijeve zlitine, v katerih je silicij glavni legirni dodatek, na primer zlitine za ulivanje silumina.
Na plastičnost zlitin močno vpliva njihova struktura. Trdne raztopine imajo običajno največjo plastičnost med zlitinami. Heterogenost (heterogenost) strukture zlitin vodi do zmanjšanja plastičnosti. Z enako kemično sestavo je enofazna zlitina bolj plastična kot dvofazna, saj imajo faze v dvofazni zlitini različne mehanske lastnosti in deformacija poteka neenakomerno. Drobnozrnati material je bolj plastičen kot grobozrnat, deformirani obdelovanec pa je bolj plastičen kot ingot, saj je ulita struktura slednjega grobejša, nehomogena po kemični sestavi, ima vključke in druge napake livarskega izvora.
Shema napetostnega stanja med deformacijo. Ugotovljeno je bilo, da lahko kovinski materiali ob spremembi pogojev deformacije preidejo iz krhkega v plastično stanje in obratno. Zato je pravilneje domnevati, da v naravi ni teles s konstantno stopnjo lastnosti, ampak obstaja krhko in plastično stanje snovi, ki ga določajo pogoji obremenitve med deformacijo. Hkrati povečanje deleža tlačnih napetosti med deformacijo poveča duktilnost kovine, ki se obdeluje. Kovinski materiali kažejo največjo plastičnost pri vsestranskem stiskanju. V tem primeru so intergranularni premiki ovirani, vse deformacije pa se izvajajo zaradi intragranularnega premika dislokacij. S pojavom nateznih napetosti v shemi se plastičnost zmanjša. Kovine imajo najnižjo duktilnost pri vsestranski napetosti. V tehnoloških procesih oblikovanja kovin se z redkimi izjemami poskušajo izogniti takšni shemi napetostnega stanja.
temperatura deformacije. Najmanjšo plastičnost kovin opazimo pri temperaturah blizu absolutne ničle na Kelvinovi lestvici zaradi nizke toplotne mobilnosti atomov. Približno v temperaturnem območju od 0 do (0,2-0,25) Г w „, kjer je Gpl temperatura taljenja na absolutni lestvici, se deformacija imenuje hladna. Pri teh temperaturah je mogoče prezreti redukcijske procese v kovinah, kot je rekuperacija. Z naraščanjem temperature se plastičnost kovin poveča. V tem primeru je za deformacijo kovine pri povišanih temperaturah značilen hkraten pojav procesov utrjevanja in mehčanja. Obnovitev, ki zmanjša gostoto dislokacij med vročo deformacijo in vodi do zmanjšanja trdnosti, je lahko le obnovitev ali obnovitev in prekristalizacija. Procesi zmehčanja med vročo deformacijo so podobni procesom zmehčanja med žarjenjem po hladni deformaciji. Tako se med vračanjem gostota dislokacij zmanjša zaradi povečanja njihove mobilnosti in jo spremlja poravnava dislokacij v stene (poligonizacija), med rekristalizacijo pa se dislokacije premaknejo s selitvijo visokokotnih meja. Ker imajo obnovitveni procesi, ki se pojavijo med procesom deformacije, svoje značilnosti, je pravilneje uporabiti izraze dinamični donos(v
številka, dinamična poligonizacija) In dinamična prekristalizacija, v nasprotju s statičnimi procesi obnavljanja in prekristalizacije, ki se pojavljajo med žarjenjem po deformaciji. Za čiste kovine se povratek pojavi pri temperaturah, ki presegajo (0,25 - 0,30) G PL. Prisotnost nečistoč v kovini ovira gibanje dislokacij in poveča temperaturo povratka. Povratni tok med procesom deformacije zmanjša odpornost kovine proti deformaciji in poveča njeno plastičnost, hkrati pa še vedno opazimo utrjevanje kovine, čeprav je njena intenzivnost manjša kot pri hladnem deformiranju.
Postopek prekristalizacije po formuli A. A. Bochvarja za čiste kovine se začne pri temperaturi približno 0,4G 11L. Nečistoče povečajo to temperaturo. Dinamična prekristalizacija se od statične rekristalizacije razlikuje po tem, da se kristalizirana zrna, ki so se pojavila z nizko gostoto dislokacij, med rastjo postopoma zakovičijo, saj se gostota dislokacij v njih povečuje zaradi nadaljnje deformacije. Območja, ki so se najprej prekristalizirala, se začnejo utrjevati prej in v njih hitreje dosežemo kritično gostoto dislokacij, ki je potrebna za nukleacijo novih prekristaliziranih zrn, ki se nato strdijo itd., velikost zrn. Grafiče resnične napetosti proti dejanski deformaciji, predstavljene tako za dinamično okrevanje kot za dinamično rekristalizacijo (slika 2.6), sta po stopnji deformacijskega utrjevanja označena s stopnjo enakomernega toka.
Pri izbiri načina deformacije je treba upoštevati, da pri temperaturah blizu tališča kovine, pregrevati oz izgorel. Prvi pojav je, da se po doseganju maksimalnih vrednosti na področju skupne prekristalizacije plastičnost začne postopoma zmanjševati zaradi daleč napredne kolektivne rekristalizacije, kar na tej stopnji vodi do tvorbe pretirano grobih zrn. Pri zelo visokih temperaturah se lahko močno zmanjšata tako trdnost kot duktilnost, kar je posledica pregorevanja - močne interkristalne oksidacije, včasih pa tudi delnega taljenja nečistoč na meji zrn. Če je prvo vrsto poroke mogoče popraviti s ponavljajočo toplotno obdelavo obdelovanca, se izgorevanje šteje za nepopravljivo poroko in tak obdelovanec se pošlje v ponovno taljenje. Tako imajo kovine največjo plastičnost v območju od temperature rekristalizacije do temperature taljenja. Vendar pa mora biti zgornja meja pod temperaturo oksidacije na meji zrn. Pomemben parameter strukture v izdelku, pridobljenem z deformacijo pri temperaturi nad temperaturo
krogov rekristalizacije, je velikost zrn, ki močno vpliva na mehanske lastnosti izdelkov. Odvisnost velikosti zrn v kovinah po deformaciji z naknadno rekristalizacijo na eni strani od temperature, na drugi strani pa od stopnje deformacije običajno predstavljajo diagrami volumetrične prekristalizacije (slika 2.7), ki so zgrajeni glede na rezultate posebej izvedenih poskusov. Ti diagrami so značilni za vsako kovino in zlitino in se uporabljajo za izbiro temperaturnega režima deformacije.
B, MPa
B, MPa
riž. 2.6. Odvisnost prave napetosti 5 od dejanske deformacije e (številke na krivuljah so stopnje deformacije, s -1): ampak- armco-železo, 700 °С;
6 - jeklo z 0,25 % C
Neenakomerna deformacija. Glavni razlogi, ki povzročajo neenakomerno porazdelitev napetosti in deformacij v obdelanem telesu, so heterogenost fizikalnih lastnosti obdelanega materiala, kontaktno trenje, oblika obdelovanca in delovnega orodja.
V pogojih neenakomerne deformacije posamezni elementi telesa dobijo drugačno spremembo velikosti. Ker je telo, ki se obdeluje, sprejeto kot neprekinjen medij, imajo tista področja, ki prejmejo veliko deformacijo, določen učinek na področja z manjšo deformacijo in obratno. Posledično nastanejo v telesu medsebojno uravnotežene dodatne napetosti, ki niso določene s shemo stresnega stanja, ki nastane neposredno zaradi delovanja zunanjih sil. Dodatne napetosti lahko pod določenimi
pogoji obdelave spremenijo shemo napetostnega stanja deformabilnega telesa. Posebej nevarno je dejstvo, da se na nekaterih delih telesa pojavijo natezne napetosti, ki lahko privedejo do uničenja obdelovanca, čeprav je v tem primeru splošna shema napetostnega stanja izražena s shemo vsestranskega stiskanja, ki je ugodna za obdelovanca. manifestacija plastičnosti.
riž. 2.7.
Dodatne napetosti, ki so medsebojno uravnotežene v prostornini deformabilnega telesa (obdelovanca), lahko razdelimo na tri vrste: napetosti prve vrste (zonske), uravnotežene med posameznimi conami ali deli obdelovanca; napetosti druge vrste, uravnotežene med posameznimi zrni obdelovanca; napetosti tretje vrste, uravnotežene v enem zrnu. Primer neenakomerne deformacije je tvorba sodčka med vznemirjenjem, ki nastane kot posledica trenja med orodjem in vzorcem.
Stopnja deformacije. Pri obdelavi kovin s tlakom ločimo dve stopnji: hitrost deformacije ali hitrost gibanja delovnega telesa stroja (kladivo, drsnik za stiskanje itd.) in hitrost deformacije co ali spremembo v stopnja deformacije r na enoto časa, ki jo je mogoče izračunati z naslednjo formulo:
Hkrati se pri tradicionalnih vrstah obdelave kovin s tlakom obseg deformacijskih stopenj giblje v območju od 10 1 do 10 5 s". ni odvisno od dimenzij obdelovanca, ki se obdeluje.V zvezi s tem je mogoče pravilno primerjati različne postopke oblikovanja kovin, pri katerih je mogoče deformirati obdelovance z maso več gramov, in na primer večtonske ingote. .V prvem približku višja kot je stopnja deformacije, nižja je duktilnost. Vendar je treba upoštevati segrevanje kovine zaradi toplote, ki se sprošča pri deformaciji. Poleg tega je intenzivnost segrevanja višja, višja je stopnja deformacije. Zato nizke stopnje deformacije pri hladnem obdelavi malo vplivajo na duktilnost. Visoke stopnje zagotavljajo segrevanje deformabilnega telesa, kar prispeva k razvoju difuzijskih procesov in posledično k obnovi plastičnosti kovine.
Pri vroči obdelavi ima deformacijska hitrost slabše vpliva na plastičnost kot pri hladni obdelavi, saj se utrjevanje zaradi delovanja deformacije prekriva z delovanjem visoke temperature, kar prispeva k nastanku procesov mehčanja zaradi pospeševanja difuzijska mobilnost atomov.
?= Št.*100 %
riž. 2.8. Odvisnost mehanskih lastnosti aluminijeve zlitine D1 od stopnje redukcije med hladnim valjanjem
Stopnja deformacije. Utrjevanje običajno razumemo kot utrjevanje med obdelavo s tlakom.
V širšem smislu utrjevanje - je niz strukturnih sprememb in s tem povezanih sprememb lastnosti med plastično deformacijo. Pri hladnem obdelavi s tlakom se s povečanjem stopnje deformacije povečajo kazalniki odpornosti proti deformaciji (natezna trdnost, meja tečenja in trdota), kazalniki plastičnosti (relativni raztezek in zožitev) pa padajo (slika 2.8). Ko je kovina deformirana s stopnjo deformacije več kot 50-70%, se natezna trdnost in trdota običajno povečata za pol do dva, včasih celo trikrat, odvisno od narave kovine in vrste kovine. zdravljenje s pritiskom. Majhne deformacije (do 10 %) praviloma veliko močneje vplivajo na mejo tečenja kot na natezno trdnost. Pri visokih stopnjah deformacije v številnih zlitinah se meja tečenja lahko poveča za faktor 5–8 ali več.
Relativni raztezek se že pri relativno majhnih deformacijah močno zmanjša. Huda deformacija, ki jo spremlja povečanje natezne trdnosti in trdote za 1,5-2-krat, lahko zmanjša relativno raztezek za 10-20, včasih pa 30-40-krat ali več.
Povečanje odpornosti proti deformaciji in zmanjšanje plastičnosti s povečanjem stopnje predhodne hladne deformacije se pojavi kot posledica povečanja gostote dislokacij. Pri delovno utrjeni kovini je zaradi povečane gostote dislokacij oteženo drsenje obstoječih, prav tako pa tudi nastanek (generacija) in drsenje »novih« dislokacij.
Vroča obdelava v manjši meri vpliva na plastičnost, saj se s povišanjem temperature aktivirajo difuzijski procesi, ki jih spremlja povratek ali prekristalizacija, kar vodi do delne ali popolne obnove plastičnosti.
Način toplotne obdelave. Za pridobitev določenega izdelka s tlačno obdelavo je potrebno obdelovanec deformirati do določene stopnje deformacije. Obstajajo primeri, ko je doseganje takšne stopnje deformacije v eni operaciji (en prehod med valjanjem, ena operacija vlečenja med vtiskovanjem listov itd.) težko ali nemogoče. Zato je tehnološki postopek razdeljen na več operacij, na primer med žigosanje pločevine se izvede več prehodov ali več prehodov med valjanjem itd. Za delno ali popolno obnovo plastičnosti po tlačni obdelavi se uporabljajo različne vrste vmesne toplotne obdelave. Za jekla je to lahko žarjenje: predkristalizacija ali prekristalizacija. Za nekatere aluminijeve kovane zlitine se lahko uporabi utrjevanje. Vrsta toplotne obdelave in njen način sta izbrana glede na naravo zlitine, stopnjo deformacije, temperaturo deformacije itd.
Do nedavnega je bila plastičnost kovine v kakršnih koli pogojih njene deformacije ocenjena na podlagi rezultatov nateznega preskušanja vzorcev. Na podlagi teh podatkov se domneva, da je duktilnost vseh kovin večja, višja je temperatura, pri kateri se obdelujejo. V resnici ta učinek temperature ni pogost.
Yu. M. Chizhikov priporoča pet tipičnih vzorcev vpliva temperature na mejo plastičnosti Δh / H, za katere je značilna relativna kompresija (slika 51). Krivulja 1 označuje kovine in zlitine, katerih plastičnost narašča z naraščanjem temperature. Ta krivulja je značilna za ogljikova in legirana konstrukcijska jekla itd. Krivulja 2 je prikazana za kovine in zlitine, katerih duktilnost pada z naraščanjem temperature. Ta krivulja velja le za nekatere visokolegirane zlitine, vendar je bolj zanimiva, saj kaže, da duktilnost ne narašča vedno z naraščanjem temperature. Krivulja 3 označuje kovine in zlitine, katerih plastičnost se z naraščanjem temperature zelo malo spreminja. Sem spadajo številna visokokakovostna legirana jekla. Glede na krivuljo 4 se z dvigom temperature do določenega povprečja plastičnost povečuje; z nadaljnjim dvigom temperature se zmanjša. Krivulja 5 kaže, da pri nekaterih povprečnih temperaturah pride do zmanjšanja plastičnosti; pri višjih ali nižjih temperaturah je plastičnost večja. Ta krivulja je značilna za komercialno čisto železo.
Vpliv kemične sestave jekla
Vsebina ogljik v jeklu, do 0,8-1%, nekoliko zmanjša duktilnost kovine. Povečanje vsebnosti ogljika v jeklu vodi do dejstva, da je kovino v litem stanju mogoče obdelati le s kovanjem. Tako se jekla, ki vsebujejo približno 1,5 % C, obdelujejo s kovanjem v litem stanju. Po kovanju ali po drobljenju primarne strukture in pretvorbi v sekundarno strukturo jih je mogoče valjati.
Ogljik spada med aktivne elemente, ki vplivajo na spremembo odpornosti proti deformaciji. Posebej opazen učinek ogljika na povečanje odpornosti proti deformaciji se začne pri njegovi vsebnosti 0,5% ali več.
mangan poveča sposobnost plastične deformacije kovine zaradi dejstva, da z žveplom tvori sulfid, ki je v kovini v obliki sferičnih vključkov. Pri povečani vsebnosti mangana (12% ali več) je duktilnost kovine odvisna od pogojev litja jekla. Tako je vroče lita kovina zaradi grobozrnate strukture slabše valjana in kovana. Kovina, ulita pri nizki temperaturi, ima drobnozrnato strukturo in je primerna za tlačno obdelavo, vendar se njena odpornost proti deformaciji močno poveča.
nikelj je dober absorber plina v staljeni kovini. Ta lastnost niklja je še posebej pomembna v prisotnosti vodika v jeklu. Za razliko od mangana se nikelj in njegova kombinacija z žveplom (nikelj sulfid) nahaja v jeklu vzdolž meja zrn, kar prispeva k pojavu rdeče krhkosti. Nikljevi sulfidi, ki imajo nižje tališče, povečajo nagnjenost jekel k pregorevanju. Vpliv niklja na odpornost proti deformaciji je nepomemben.
krom prispeva k nastanku grobozrnate strukture. Grobozrnata stebrasta struktura v velikih ingotih med hlajenjem lahko povzroči pojav medkristalnih razpok. To je še posebej opazno pri kromovih jeklih z visoko vsebnostjo ogljika. V nekaterih visokoogljikovih jeklih, kot je EH12 ali krom-kel jekla (3-4% Ni, 1-5% Cr), se lahko te razpoke pojavijo celo na površini. Krom v jeklu, zlasti z vsebnostjo niklja ali visoko vsebnostjo ogljika, močno poveča odpornost proti deformacijam zaradi prisotnosti kromovih karbidov, ki so odporni tudi pri visokih temperaturah.
vanadij, tako kot mangan, ki ima afiniteto do kisika, je dober deoksidant. Poleg tega vanadij, tako kot silicij, služi kot dober razplinjalnik. S prakso in raziskavami je bilo ugotovljeno, da vanadij prispeva k tvorbi drobnozrnate strukture ingota, hkrati pa se poveča duktilnost jekla.
Volfram zmanjša duktilnost jekla v vročem stanju in poveča odpornost proti deformaciji. Nekatere vrste jekla, ki vsebujejo volfram v litem stanju, se najprej obdelajo s kovanjem, šele po sekundarnem segrevanju ingota pa ga valjajo v zvitkih.
jeklo z vsebino molibden se samo utrdijo. Vsebnost molibdena v jeklu ne zmanjša sposobnosti plastične spremembe oblike med kovanjem ali valjanjem. Hkrati se nekoliko poveča odpornost proti deformaciji. Pomanjkljivost jekel, ki vsebujejo molibden v velikih količinah (do 1,5% ali več), je njihova sposobnost, da se med hlajenjem utrdijo na zraku, kar včasih spremlja pojav razpok. Pri jeklih z nizko vsebnostjo molibdena (0,25-0,3%) tega pojava ne opazimo.
v kovini žveplo Najpogosteje najdemo v obliki spojin FeS in MnS. Ob prisotnosti legirnih elementov (Cr, W in predvsem Ni) v jeklu žveplo v kombinaciji z njimi tvori sulfide, ki se oborijo vzdolž meja kovinskih zrn. Ti sulfidi, ki imajo nižje tališče in trdnost, povzročajo rdečico krhkost jekla med plastično obdelavo v temperaturnem območju 800-1000 ° C. Poleg tega sulfidi ustvarjajo nevarnost izgorevanja kovine pri temperaturah blizu 1200 ° C.
Razpoložljivost vodik v jeklu prispeva k nastanku notranjih razpok-kosmičev. Vodik nima neposrednega vpliva na plastičnost in odpornost na deformacije.
v kovini dušik je v obliki spojin z drugimi elementi. Vsebnost nitridov v območju 0,002-0,005% nima opaznega vpliva na duktilnost kovine. S povečanjem vsebnosti nitridov na 0,03% in več postane kovina hladno krhka in razpokana. Vendar pa dodatek dušika, zlasti korozijsko odpornemu jeklu, zmanjša velikost primarnega zrna med litjem. Torej vsebnost dušika v območju 0,15-0,2% v jeklu, odpornem proti koroziji z vsebnostjo kroma do 25%, prispeva k pridobitvi drobnozrnate strukture in izboljšanju plastičnosti s hkratnim povečanjem odpornosti proti deformaciji. Nekovinski vključki v obliki oksidov (zlasti FeO) negativno vplivajo na duktilnost kovine pri visokih temperaturah. Glede na številne študije količina oksidov ne sme presegati 0,01%. Z večjo vsebnostjo oksidov v kovini, ne glede na njihovo obliko in naravo, tudi pri deformaciji kovanja nastanejo razpoke.
Vsaka kovina ali zlitina ima poleg obravnavanih splošnih tehnoloških lastnosti (duktilnost in odpornost proti deformacijam) tudi posebne lastnosti, ki jih je treba poznati in upoštevati pri razvoju tehnoloških režimov. Tako ima prosto rezalno jeklo (ogljikovo jeklo z visoko vsebnostjo žvepla) nizek koeficient trenja, kar otežuje oprijem zvitkov med valjanjem.
Številna legirana jekla so nagnjena k razpokanju, prekomernemu razogljičenju in pregrevanju. Za pravilno izvedbo tehnološkega procesa je treba upoštevati vse te in druge značilnosti vsake kovine.