Сопротивление деформации и удельное усилие при осадке

При осадке металла различают сопротивление деформации и удельное усилие.

Текущее сопротивление деформации определяется по формуле

i= Pi/ F_СР,

где Pi– текущее усилие при степени деформации i;

F_СР – текущая средняя площадь поперечного сечения образца.

Удельное усилие qiпри осадке равно

qi= Pi/ F_Т,

где F_Т – текущая площадь торца образца.

Коэффициент трения μ

Удельная сила трения f по величине не должна превышать напряжение сдвига :

f ≤ τ.

Из закона Кулона - Амонтона коэффициент трения равен

μ = f / q,

где q – удельное усилие.

Принимая f = f_max и q ≈ = 2τ, получим, что максимальная величина силы трения не превышает 0,5:

0,5.

Коэффициент трения зависит от природы материала, температуры, скорости и степени деформации, от наличия смазки и степени шероховатости поверхности инструмента. Коэффициент тренияувеличивается с повышением температуры нагрева и уменьшается с увеличением скорости деформации.

Определение коэффициента трения методом конических бойков

При деформации образца коническими бойками уменьшается его бочкообразность и при определенной величине угла α ее совсем не будет.

При действии бойка на заготовку возникает сила нормального давления N и сила трения F (рис. 13).

Рис. 13. Осадка методом конических бойков

Образование бочкообразности не будет происходить в том случае, когда проекции сил N и T на ось X будут равны:

Nsinα = F cosα.

По закону Кулона - Амонтона

F = μN,

откуда

.

Получаем, что

.

Таким образом, коэффициент трения μравен тангенсу угла конуса такого бойка, при деформации которым не образуется бочкообразности образца.

Экспериментально проводится осадка несколькими коническими бойками с различным углом α, и после выявления цилиндричности осаженного образца находят коэффициент трения по тангенсу угла α конуса.

Природа и механизмы пластической деформации

Атомным механизмом пластической деформации служит движение дислокаций, которые подразделяются на краевые, винтовые и смешанные(рис. 14).

А б

Рис. 14. Схемы дислокаций:

а –краевой; б – винтовой

Под действием касательного напряжения происходит упругое смещение экстраплоскости 1 - 1 в положение 1- 1', что приводит к переброске атомной связи 3 - 2' в положение 3 - 1', появлению новой экстраплоскости 2 - 2 и перемещению дислокации в плоскости скольжения на одно межатомное расстояние. При выходе дислокации на границу кристалла произойдет сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на период решетки,т.е. произойдет пластическая деформация.

Таким образом, пластическая деформация в металлах происходит не путем одновременного сдвига всех атомов, лежащих в плоскости скольжения, а путем последовательного перемещения межатомных связей, выражающегося в движении дислокаций.

Пластическая деформация приводит к повышению плотности дислокаций (рис. 15)

Рис. 15. Дислокационная картина

в малоуглеродистой стали, ´27 500

Пластическая деформация происходит в наиболее плотноупакованных плоскостях кристалла в направлениях с наименьшими расстояниями между атомами. Семейство плоскости и направлений в ГЦК металлах {111} <110>, в ОЦК металлах {110} <111> (рис. 16).

А б

Рис. 16. Плотноупакованные плоскости и направления кристаллических решеток:

а – ОЦК; б – ГЦК

ГЦК кристаллы имеют 12 систем скольжения (4 плоскости типа {111} и в каждой из них три направления <110>). В ОЦК кристаллах имеются 4 направления <111>, вокруг каждого из которых расположено 12 плос­костей скольжения, следовательно, в них имеются 48 си­стем скольжения. Но наличие в кристаллах 12 или 48 воз­можных систем скольжения не означает, что все они одновременно работают. В то же время случаи одновре­менного действия трех или четырех систем скольжения экспериментально наблюдались неоднократно, даже в кристаллах с ГЦК решеткой.

Макроскопические механизмы деформации

Макроскопическая деформация в монокристаллах происходит скольжением или двойникованием (рис. 17). Оба способа осуществляются движением дислокаций.

А б

Рис. 17. Макромеханизмы пластической деформации:

а–скольжение; б–двойникование

Скольжениевыражается смещением атомных слоев относительно друг друга, что проявляется в полосах скольжения, расстояние между которыми в среднем составляет 1 мкм (микрометра), в то время, как расстояния между атомами порядка 10^-4 мкм.

Двойникование происходит таким образом, что одна часть кристалла становится зеркальным отображением другой части.

Двойникование также осуществляется путем движения двойникующих дислокаций. Оно обычно происходит тогда, когда деформация скольжения затруднена. Наиболее часто двойникование наблюдается в металлах и сплавах с ГПУ и ОЦК решетками, особенно в условиях низких температур и высокой скорости деформации. На микрошлифах двойники видны в виде параллельных полос.

Напряжение для начала двойникования обычно выше, чем для начала скольжения. Поэтому пластическая деформация чаще начинается путем скольжения, а затем при его затруднении переходит в двойникование. Иногда наоборот: в трудно деформируемых металлах с ГПУ решеткой, например, в титановых сплавах деформация начинается путем двойникования, а затем переходит в скольжение.

В поликристаллах пластическая деформация так же, как и в монокристаллах, поисходит методом скольжения или двойникования.

Кроме вытягивания зерен в направлении течения металла, при деформации поликристаллов происходит их поворот и проскальзывание относительно друг друга.

Анизотропия

Анизотропия – это различие механических и физических свойств, в зависимости от направления.

Кристаллическая решетка обуславливает анизотропию физико-механических свойств между атомами в кристаллической решетки, например, в направлениях по ребру и диагонали куба различны, следовательно, будут различны модуль упругости и другие свойства (рис. 18).

Рис. 18. Анизотропия кристаллической решетки

Анизотропия также вызывается образованием текстуры деформации, которая представляет собой преимущественно одинаково ориентированные кристаллографические плоскости и направления скольжения, сформированные при пластической деформации в результате вытягивания зерен в направлении течения металла.

Другой причиной появления анизотропии в деформированном металле служит образование волокнистой структуры, которая появляется в результате вытягивания вместе с зернами примесей и неметаллических включений, расположенных по границам зерен.