Факторы, влияющие на пластичность металла

1. Влияние состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Сплавы твердые растворы обычно более пластичны, чем сплавы, образующие химические соединения. Компоненты сплава также влияют на его пластичность. С повышением содержания углерода в стали плас­тичность уменьшается. При содержании углерода свыше 1,5 % сталь с трудом поддается ковке. Кремний понижает пластичность стали. По­этому кипящая малоуглеродистая сталь (08кп, Юкп) с малым содержани­ем кремния применяется при изготовлении деталей холодной штампов­кой глубокой вытяжкой. В легированных сталях хром и вольфрам уменьшают, а никель и ванадий повышают пластичность стали. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа Ре8, который в виде эвтектики располагается по границам зерен и при нагревании до 1000 °С расплавляется. В результате связь между зернами нарушается и сталь становится хрупкой. Такое явление называется красноломкостью. Мар­ганец, образуя тугоплавкое соединение МпЗ, нейтрализует вредное дей­ствие серы. Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает, особенно при низких температурах, пластичность и вяз­кость стали, вызывая ее хладноломкость.

2.Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металлов обычно возрастает, а прочность уменьшается. Однако в углеродистых сталях при температурах 100—400 °С пластич­ность уменьшается, а прочность возрастает. Этот интервал температур называют зоной хрупкости или синеломкости стали, наличие которой объясняется выпадением- мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения при деформации.

3.Скорости деформации — изменение степени деформации е в еди­ницу времени <&/Л. (От скорости деформации следует отличать скорость деформирования — скорость движения деформирующего инструмента.)

Рис. 4.2. Схемы главных напряжений и деформаций

Обычно механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 мм/с. Обработка давлением на прессах и ковочных машинах производится при скоростях движения рабочих органов 0,1— 0,5 м/с, на молотах ско­рость деформирования в момент удара 5—10 м/с. Еще большие скорости возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (20—30 м/с), штамповке взрывом, элек­тромагнитной штамповке.

В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучес­ти возрастает, а пластичность падает. Особенно резко уменьшается плас­тичность некоторых высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. При обработке давлением нагретого металла это можно объяс­нить влиянием двух противоположных процессов: упрочнения при дефор­мации и разупрочнения вследствие рекристаллизации. При больших скоростях деформации разупрочнение может отставать от упрочнения. Кроме того, следует учитывать тепловой эффект пластической деформа­ции, который выражается в том, что энергия, расходуемая на пластиче­скую деформацию, превращается в основном в тепло.

4. Напряженное состояние в элементарно малом объеме характеризуют схемой главных напряжений. Главные напряжения — это нормальные напряжения, действующие в трех взаимно перпендикулярных площадках, на которых касательные напряжения равны нулю. На рис. 4.2, а, б, в, г представлены схемы главных напряжений, наиболее часто встречающиеся при обработке давлением.

Деформированное состояние характеризуется схемой главных дефор­маций, т. е. деформаций в направлении трех осей, перпендикулярных к площадкам, в которых касательные напряжения отсутствуют (рис. 4.2, д, е, ж). Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций позволяет судить о характере главных напряжений и дефор­маций при различных видах обработки давлением и пластичности метал­ла: чем больше сжимающие напряжения и меньше напряжения и дефор­мации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Повысить сжимающие напряжения при обработке давлением можно, например, оказывая боковое давление на металл жесткими стенками инструмента.

3. Холодная и горячая обработка металлов давлением

1. Наклеп и рекристаллизация металлов. При деформировании ме­таллов повышается плотность дефектов кристаллического строения и возрастает сопротивление их перемещению. С увеличением степени дефор­мации пределы прочности и текучести, а также твердость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижаются; возрастают остаточные напряже­ния. Упрочнение металлов при пластической деформации называется наклепом. В результате упрочнения пластические свойства металлов могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызывает разрушение.

При наклепе металл переходит в термодинамически неустойчивое со­стояние с повышенным запасом внутренней энергии, поэтому он стремит­ся самопроизвольно перейти в более равновесное состояние. При нагре­ве наклепанного металла до температур, составляющих 0,2—0,3 от тем­пературы плавления Т_пл (возврате), частично уменьшаются искажения кристаллической решетки и внутренние напряжения без изменения мик­роструктуры и свойств деформированного металла.

При нагреве деформированных металлов выше 0,4Т_ПЛ образуются новые равноосные зерна и свойства металла возвращаются к их исход­ным значениям до деформации. Процесс образования новых центров кристаллизации и новых равноосных зерен в деформированном металле при нагреве, сопровождающийся уменьшением прочности, увеличением пластичности и восстановлением других свойств, называется рекристал­лизацией. Наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температу­рой рекристаллизации. Величина зерна после рекристаллизации зависит от степени и скорости деформации, а также температуры и длительности нагрева.

2. Холодная и горячая деформация. В зависимости от температурно-скоростных условий при деформировании могут происходить два противо­положных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочне­ние, обусловленное рекристаллизацией. В соответствии с этим различают холодную и горячую деформацию. Холодное деформирование произво­дится при температурах ниже температуры рекристаллизации и со­провождается наклепом металла. Горячее деформирование протекает при температурах выше температуры рекристаллизации. При горячей де­формации также происходит упрочнение металла (горячий наклеп), но оно полностью снимается в процессе рекристаллизации. При ней плас­тичность металла выше, а сопротивление деформации примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Деформация, после которой про­исходит только частичное разупрочнение, называется неполной горячей деформацией.

4. Влияние обработки давлением на структуру и механические свойства металлов и сплавов

1.Изменение структуры литого металла при деформации. Структура слитков, которые обычно являются исходными заготовками при обработке давлением, неоднородна (рис. 4.1, б). Основу ее составляют зерна первичной кристаллизации (дендриты) различной величины и фор­мы, на границах которых скапливаются примеси и неметаллические вклю­чения. В структуре слитка имеются также поры, газовые пузыри. Высо­кая степень деформации при высокой температуре вызывает дробление зерна, а также частичное заваривание пор.

2.Полосчатость. Зерна и межкристаллические прослойки с повышен­ным содержанием неметаллических включений вытягиваются в направ­лении наибольшей деформации. В результате структура металла приоб­ретает полосчатое (волокнистое) строение (рис. 4. 1, в). Волокнистость оказывает влияние на механические характеристики, вызывает их анизо­тропию. В поперечном направлении ударная вязкость на 50—70 %, относительное сужение — на 40 %, относительное удлинение — на 20% меньше, чем вдоль волокон. Наличие полосчатой микроструктуры и ани­зотропии свойств в деформированном металле необходимо учитывать при проектировании и изготовлении деталей. Надо стремиться получить в них такое расположение волокон, чтобы наибольшие растягивающие напряжения действовали вдоль, а перерезывающие усилия — поперек волокон, а также, чтобы они не перерезались при обработке резанием. При необходимости повысить пластичность металла в поперечном направ­лении следует произвести обжатие заготовки в направлении, перпендику­лярном прежнему, т. е. вдоль волокон. Желательно, чтобы у поверхности детали волокна повторяли ее очертания (рис. 4. 1, г). В этом случае повы­шаются прочность и другие служебные свойства детали.

ЛЕКЦИЯ 5