Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -151-

а б в г

Рис. 6.7. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при

деформации: а – исходное состояние (ε = 0 %); б – ε = 1 %; в – ε = 40 %; г – ε = 80–90 %

Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкиваю-

щее приближающуюся деформацию. Чем больше дислокаций в скоплении,

тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл. Когда плот-

ность дислокаций в скоплении достигает определенного значения, в этом

месте зарождается трещина.

При нагреве выше 0,3Т

пл

начинает действовать другой механизм пере-

мещения дислокаций – переползание, представляющее собой диффузионное

смещение дислокации в соседние плоскости решетки в результате

присоединения вакансий.

По мере присоединения вакансий дислокация на значительном участке

своей длины смещается на десятки межатомных расстояний. Из-за

переползания ослабляется тормозящий эффект частиц второй фазы.

Переместившиеся дислокации далее сдвигаются путем скольжения под

действием напряжения. При нагреве выше 0,3Т

пл

вакансии весьма подвижны,

а необходимое число вакансий создается пластической деформацией.

В технических металлах, являющихся телами поликристаллическими

(рис. 6.7, а

), пластическая деформация происходит достаточно сложно.

Деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения.

Пока общая деформация мала, зерна деформируются неоднородно в силу их

разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам (рис. 6.7, б

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в нап-

равлении пластического течения (рис. 6.7, в

). Внутри зерен повышается

плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая

структура, где границы зерен различаются с трудом (рис. 6

.7, г).

При значительной деформации в металле появляется кристаллографи-

ческая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Это

результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам

скольжения. Она зависит от вида деформирования кристаллической

структуры металла, наличия примесей и условий деформирования.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -152-

При холодной деформации формоизменение сопровождается измене-

нием механических и физико-химических свойств металла. Это явление

называется упрочнением (наклепом).

Наклепанный металл запасает 5–10 % энергии, затраченной на дефор-

мирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки и

на ее упругие искажения. Свойства наклепанного металла изменяются тем

сильнее, чем больше степень деформации.

При холодном деформировании, когда температура металла ниже

0,3Т

пл

, увеличиваются прочностные характеристики (твердость, σ

, σ

0,2

, σ

упр

) и

понижаются пластичность и ударная вязкость (δ, Ψ, KCU). Металлы

интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при

возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно.

С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее

временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных

металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое

состояние наклепанного металла является предельн

ым, при попытке

продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость

и временное сопротивление удается повысить в 1,5–3 раза, а предел

текучести − в 3–7 раз. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее

металлов с ОЦК-решеткой. Упрочнение возникает вследствие поворота

плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки,

накопления дислокаций у границ зерен.

Из-за неоднородн

ости деформации в объеме металла различны

изменения плотности, что служит причиной появления остаточных

напряжений, как растягивающих, так и сжимающих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротив-

ление (максимально на 6 %), а у ферромагнетиков, к которым относится

большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная

индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклепанные металлы легче окисляются и склонны к к

оррозионному

растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизотропию

свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для

повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработ-

ки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатывае-

мость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюми-

ния и др.).

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет пол

учить бóль-

шую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с об-

работкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что

обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сокра-

тить продолжительность технологического цикла, облегчает использование

средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -153-

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства

металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью

термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя

перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии,

увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых

превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой

вытянутые, дефор

мированные зерна. В равномерном температурном поле

скорость роста зерен по всем направлениям одинакова. Новые равноосные

зерна, появившиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые

размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен дефор-

мированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах,

называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация

начинается при абсолютной темп

ературе Т

рек

, равной 0,4 абсолютной темпе-

ратуры плавления металла. Рекристаллизация протекает с определенной

скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем

выше температура нагрева деформированной заготовки.

Рис. 6.8. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла

при возврате и рекристаллизации

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблю-

дается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и раз-

меры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично

снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неод-

нородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением),

неоднородности распределения деформаций при пластическом деформиро-

Возврат

Первичная рекристаллизация

(

об

аботки

)

Собирательная

рекристаллизация

Прочность

Пластичность

Свойства σ

в,

рек

t, °C

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -154-

вании и т. д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновеши-

вающихся сил и наводятся в заготовке, не нагруженной внешними силами.

Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических

свойств металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства.

Так, например, в результате возврата значительно повышается электрическая

проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного мет

алла.

До температуры Т

рек

сохраняется деформируемое зерно (рис. 6.8). При

температуре выше Т

рек

в деформируемом металле растут зародыши новых

зерен с неискаженной решеткой. При нагреве наклепанного металла не вос-

станавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры

которого могут отличаться от исходных. Образование новых зерен и резкое

снижение плотности дислокаций приводит к высвобождению основной доли

энергии, накопленной в процессе холодной пластической деформации в

объеме металла. Как видно из рис. 6.8

, при рекристаллизации прочность,

характеризующаяся временным сопротивлением σ

, резко снижается, а плас-

тичность δ возрастает. Это разупрочнение объясняется снятием искажения

решетки и резким уменьшением плотности дислокаций.

Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких

температур, чем Т

рек

, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации

и полноту ее протекания. Такая термическая обработка называется

рекристаллизационным отжигом.

После завершения первичной рекристаллизации при продолжении

нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других.

Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией (рис. 6.8

Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление к

уменьшению энергии благодаря уменьшению протяженности границ при

росте зерна. При температуре t

(рис. 6.8) пластичность может уменьшаться,

что объясняется сильным ростом зерна – перегревом.

Величина зерна после рекристаллизации оказывает большое влияние на

свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают

повышенной прочностью и вязкостью. Однако в некоторых случаях необхо-

димо, чтобы металл имел крупное зерно. Так, трансформаторная сталь или

техническое железо имеют наиболее высокие магнитные свойства при

крупном зерне.

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры

рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения

и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся

таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при

котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и

микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной без

следов упрочнения (рис. 6.9, б

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -155-

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации,

приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева

заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью

рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация

называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация

приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических

свойств и пласти

чности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в

10 раз меньше, чем при холодной, а отсутствие упрочнения приводит к тому,

что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно

изменяется в процессе обработки давлением. Поэтому горячую обработку

применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются

меньшие усилия деформирования (менее мощно

е оборудование).

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холод-

ной. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке

труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также загото-

вок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации

окисление заготовки более интенсивно (образуется слой окалины), что

ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

а б

Рис. 6.9. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации (прокатке):

а – холодной; б – горячей

Горячая деформация оказывает влияние на структуру и свойства

металлов и сплавов. Если слиток загрязнен неметаллическими включениями,

обычно располагающимися по границам кристаллитов, то в результате

обработки металлов давлением неметаллические включения вытягиваются в

виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. Эти

волокна выявляются травлением и видны невооруженным глазом в форме

так называемой волокнис

той макроструктуры. Полученная в результате

обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может

быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой

давлением. Последняя в зависимости от характера деформирования может

изменить лишь направление и форму волокон макроструктуры.

Наклеп

Рекристал-

лизация

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -156-

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характери-

зуется анизотропией (вертикальностью) механических свойств. При этом

характеристики прочности (предел текучести, временное сопротивление и

др.) в разных направлениях отличаются незначительно, а характеристики

пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль

волокон выше, чем поперек их.

В готовой детали, полученной из деформируемой заготовки, необхо-

димо учитывать расположение волокон для формирования на

илучших

свойств. При этом необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряже-

ния, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль

волокон. При работе какого-либо элемента этой детали на срез желательно,

чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо,

чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по касательной

и не пер

ерезались наружными поверхностями детали.

Рис. 6.10. Схемы процессов и расположения волокон в поковках при штамповке:

а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах

Рис. 6.11. Макроструктура продольно разрезанного коленчатого вала:

а – штампованный вал, волокна расположены по конфигурации изделия;

б – вал вырезан из проката, волокна перерезаны

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.2. Влияние обработки металлов давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -157-

Рис. 6.12. Способы ковки и макроструктура кованых шестерен:

а – правильный способ; б – неправильный способ

Внешние нагрузки должны изгибать, а не расщеплять волокна металла.

Кроме того, волокна при изготовлении заготовки и готовой детали не должны

перерезаться, они должны огибать контур детали (рис.

6.10 и рис. 6.11).

В поковках шестерен (рис. 6.12, а

) волокна должны располагаться в

радиальных направлениях, что обеспечивает максимальное сопротивление

внешней изгибающей нагрузке от давления на зуб. Поэтому следует ковать

или штамповать поковку для шестерни путем осадки в торец исходной

прокатанной заготовки, имеющей долевое расположение волокон (при этом

ликвационная зона удаляется при обработке отверстия), а не посредством

осадки заготовки плашмя (рис. 6.12, б

) с последующим округлением ее

подкаткой по диаметру в вертикальном положении.

При ковке коленчатых валов (рис. 6.11

) и крюков следует применять

гибку в подкладных штампах, а не образовывать колено или крюк вырезкой

газовым резаком или обработкой на станках. При ковке роторов турбин и

генераторов из крупных стальных слитков рекомендуется чередовать осадку

и вытяжку слитка для получения равномерных механических свойств в

продольном и поперечном направлениях.

Напряженное состояние характеризуется схемой главных напряжений в

малом объеме, выделенном в деформированном теле. При всем

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.3. Влияние схемы напряженного состояния на пластичность



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -158-

многообразии условий обработки давлением в различных участках

деформируемого тела могут возникнуть только четыре схемы объемно-

напряженного состояния. При этом главные нормально направленные

напряжения действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, на

которых касательные напряжения равны нулю (рис. 6.13). При каждом виде

обработки давлением одна из представленных схем является преобладающей.

Наибольшая предельная деформация достигается при отсутствии

растягивающих напряжений и увеличении сжимающих.

Прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, ковка характе-

ризуются всесторонним неравномерным сжатием. Эта схема нагружения

наиболее благоприятна с точки зрения достижения максимальной степени

пластической деформации.

Рис. 6.13. Схемы объемно-напряженного состояния

при обработке металлов давлением

При листовой штамповке и волочении реализуется схема двусторон-

него сжатия с растяжением.

В зависимости от действующих сил и соотношения их величин тело

испытывает деформацию. Совокупность деформаций, возникающих по раз-

личным направлениям в пространстве, обычно называют деформированным

состоянием.

Устройства для нагрева заготовок перед обработкой давлением разде-

ляют на нагревательные печи и электронагреватели. Первые чаще всего

используют для нагревания слитков, крупных и иногда средних заготовок.

Электронагревательные устройства наряду с печами применяют для нагрева

мелких и средних заготовок.

В печах передача тепла от стенок нагревательной камеры к заготовкам

осуществляется излучением и частично конвекцией. В электронагреватель-

ных устройствах теплота вы

деляется в самом металле, который нагревается

под воздействием электромагнитного поля (индукционный нагрев) или тока

(электроконтактный нагрев).

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.4. Основные типы нагревательных устройств



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -159-

Типы печей. В зависимости от источника энергии нагревательные

печи бывают пламенные, получившие наибольшее распространение, и элект-

рические. В пламенных печах тепло образуется при сгорании жидкого

(мазута) или газообразного топлива. В электрических печах тепло образуется

при прохождении тока через металлические и карборундовые сопротивления,

вмонтированные в стенках нагревательной камеры. Они используются

преимущественно для нагрева цветных сплавов.

По принципу действия различают печи камерн

ые и методические.

Камерные печи бывают переносными (для нагрева заготовок диамет-

ром до 150 мм) и стационарными.

Рабочее пространство камерной печи 3 (нагревательная камера,

рис. 6.14, а, б

), выложенное огнеупорным кирпичом, нагревается при сжигании

топлива с помощью двух форсунок 2 и имеет одинаковую температуру.

Заготовки 1, устанавливаемые на под печи, загружаются и выгружаются через

окно 5. Продукты сгорания отводятся через дымоход 4 и используются для

нагрева до 200–300 °С поступающего в печь воздуха, что повышает КПД печи.

Печи для нагрева крупных заготовок оборудуют различными устройст-

вами, облегчающими загрузку и выгрузку. Исп

ользуют печи с толкателями,

карусельные, конвейерные, с выдвижным подом.

Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы,

которые применяют для нагрева крупных слитков при прокате и ковке. В них

заготовки располагают вертикально и загружают сверху краном.

Методические печи (рис. 6.14, в

) предназначены для нагрева крупных

заготовок под прокатку и используются в крупносерийном производстве.

Печи характеризуются большой протяженностью (8–22 м) и наличием трех

зон с различной температурой. Заготовки 1 (рис. 6.14

), перемещаясь навстре-

чу горячим газам вдоль печи, проходят зоны подогрева I (600–800 °С), макси-

мального нагрева II (1350 °С), где происходит основное сгорание топлива с

помощью форсунок или горелок 2, и зону выдержки III (1200–1300 °С), в

которой выравнивается температура по сечению заготовки. Продукты

сгорания с температурой 700 °С направляются в рекуператоры для подогрева

воздуха. Заготовки с помощью толкателя 6 проталкив

аются через печь по

поду печи 7 и выгружаются через окно 8.

Электрические нагревательные устройства. Индукционный нагрев

основан на возникновении в заготовке, помещенной в переменное электро-

магнитное поле, вихревых токов. Вследствие поверхностного эффекта (скин-

эффекта) с ростом частоты тока толщина нагреваемого поверхностного слоя,

в котором индуцируются вихревые токи, уменьшается. Поэтому при нагреве

заготовок диаметром до 150 мм используется частота 500–8000 Гц, а для

больших заготовок – 50 Гц. Индуктор в виде многовиткового соленоида по

диаметру заготовки выполняют из мед

ной трубки, охлаждаемой водой.

Электроконтактный нагрев, основанный на выделении тепла при

прохождении тока через заготовку (по закону Джоуля – Ленца), применяют

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.4. Основные типы нагревательных устройств



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -160-

при нагревании стальных заготовок диаметром до 75 м. Используемое

напряжение – 5–15 В, сила тока – до 5000 А. Концы заготовок, зажатые

между медными токоподводящими контактами, нагреваются на 200–300 °С

ниже средней ее части. Поэтому данный метод рационально использовать

для нагрева стальных заготовок постоянного сечения и значительной длины.

а б

Рис. 6.14. Пламенные печи для нагрева заготовок:

а, б − камерная; в − методическая

Скорость электронагрева в 8–10 раз выше, а интенсивность образова-

ния окалины в 4–5 раз меньше, чем при нагреве в печах. Достоинствами

электронагрева также являются улучшение санитарных условий труда и

возможность автоматизации процесса. Недостатки: высокая стоимость

высокочастотного генератора и необходимость замены индуктора с измене-

нием размеров и формы заготовки при индукционном нагреве; низкая стой-

кость (до 1000 циклов) токопроводящих контактов при электроконтактном

нагреве.

Режимы нагрева. Нагрев заготовок обычно происходит неравномерно.

Вначале нагреваются наружные слои, а затем (за счет теплопроводности) −

сердцевина. При большой разности температур поверхности и сердцевины

возникают температурные напряжения (снаружи – сжимающие, внутри –

растягивающие), которые могут привести к образованию трещин. Опасность

их появления больше у легированных и литых сталей, у которых

теплопроводность меньше, и возрастает с увеличением сечения заготовки.

Воздух

Мазут

Воздушный

отсекатель

III