Файл: Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением.pdf

жений, предшествующее макроразрушению накопление микропо­ вреждений и т. д.), целесообразно говорить не о хрупком состоянии материала вообще, а о его склонности к хрупкости, причем материал следует считать тем более склонным к хрупкости, чем при более легких условиях, вызванных действием внешних факторов, он переходит в хрупкое состояние, теряя свойства пластичности [63]. Факторы, определяющие переход материала в хрупкое состояние, можно подразделить, как это сделано в работе [63], на две группы:

—внешние (понижение температуры, увеличение скорости и др.);

—внутренние (химический состав, структура, масштаб и т. д.). С точки зрения процессов обработки металлов давлением их

склонность к хрупкости не имеет такого существенного значения (ввиду ограничений зоны температур деформации областью ком­ натных температур, сравнительно низких значений скоростей де­ формирования и т. д.), как для изучения явлений в области кон­ структивной прочности материалов в эксплуатационных условиях. Технологу по холодной пластической деформации для правильного выбора параметров процесса необходимо и достаточно знать, что чистые металлы с объемно-центрированной (железо, хром, молебден и др.) и гексагональной (титан, цинк, кадмий и др.) кристалличе­ ской решеткой обладают большей склонностью к охрупчиванию при понижении температуры и росте скорости деформации, чем металлы с более плотной упаковкой, например, имеющие гранецен­

вать параметры кристаллической решетки путем легирования хрупких металлов соответствующими элементами. При проекти­ ровании маршрута пластической деформации ненагретого металла необходимо также учитывать влияние структуры и размер зерна. Отметим, что несмотря на отдельные достижения в области изучения явления низкотемпературного охрупчивания общей стройной теории хладноломкости пока нет.

Чтобы правильно построить процесс деформации предварительно нагретого металла, надо избегать проведения деформации в области средних и высоких температур, которые соответствуют охрупчива­ нию обрабатываемого металла, т. е. провалам пластичности, детально

процессов упрочнения над процессами разупрочнения. Степень преобладания процессов упрочнения над процессами разупрочнения и определяет время пластического течения до наступления момента разрушения. Разрушение в этот момент происходит хрупко, т. е. трещины распространяются со скоростью звука, и материал теряет сплошность в условиях полного подавления процессов разупрочне­ ния. При интенсификации процессов разупрочнения (залечивания)

60

до момента наступления равновесия (равенство скоростей процессов возникновения нарушений и их залечивания) увеличивается время «жизни» деформируемого металла до наступления разрушения. Иными словами, увеличивается его пластичность. С момента дости­ жения равновесия и при дальнейшем сдвиге в сторону превалирова­ ния процессов разупрочнения над процессами упрочнения материал переходит в новое состояние — сверхпластичность. В этом состоянии материал может деформироваться сколько угодно без видимых признаков разрушения.

С точки зрения интенсификации процессов обработки металлов давлением, даже приближение к состоянию сверхпластического тече­ ния представляет собой первостепенную задачу, решению которой прямо или косвенно подчинены все' разрабатываемые мероприятия в теории и практике пластической обработки металлических мате­ риалов.

Таким образом, в кинетике процессов деформации и разрушения существуют граничные условия пластического состояния, ограничен­ ные переходом материала в хрупкое состояние (процессы разупроч­ нения полностью подавлены) и в состояние вязкого течения — сверх­ пластичность (процессы упрочнения практически отсутствуют).

В области сверхпластического поведения металлических мате­ риалов в настоящее время имеется огромное количество белых пя­ тен: нет ясного представления о механизмах, определяющих явле­ ние сверхпластичности в различных аспектах, и, естественно, общей теории возникновения и протекания процесса сверхпластичного те­ чения; нет достаточно систематизированного экспериментального материала и четких рекомендаций даже по узким вопросам выбора направ'лений и методов оптимизации факторов, определяющих пере­ ход материалов в состояние сверхпластичности, нет точного опреде­ ления самого явления.

Однако, как часто бывает, в практике уже имеются случаи широ­ кого промышленного использования явления сверхпластичности при обработке давлением. В настоящее время исследования направлены на создание сверхпластичных сплавов и на последующие поиски сферы их применения. Конечно, более рациональными являются работы по переводу широко применяемых материалов в состояние сверхпластичности при их пластической обработке путем оптими­ зации как внешних, так и внутренних основных факторов, опреде­ ляющих пластическое состояние металлличеекого вещества. Значение успешного решения этой задачи трудно переоценить.

Первым и необходимым условием подхода к решению данной задачи является установление единого или свойственного опреде­ ленной группе материалов критерия оценки пластического состоя­ ния и в первую очередь критерия склонности к сверхпластичности, который в дальнейшем для сокращения будем называть критерием СВП, как сделано в работе [58].

Учитывая, что склонность материалов к хрупкости и, наоборот, к неограниченной пластичности зависит от соотношения скоростей процессов развития и накопления дефектов (упрочнение) и их за-

61

лечивания (разупрочнение), следует искать критерий склонности к СВП в виде отношения неких деформационных характеристик, прямо или косвенно выражающих степень развития того или иного явления. Очевидно, что при преобладании процессов разупрочнения над процессами упрочнения будет наблюдаться состояние сверхпластнчности, а при малейшем сдвиге к равновесию или превалиро­ ванию процессов упрочнения •— состояние ограниченной пластич­ ности, переходящее в хрупкое состояние.

Общеизвестно, что процессы разупрочнения, как и их антиподы, зависят от целого ряда показателей, из которых важнейшими и определяющими являются температура, скорость деформации и ги­ дростатическое давление— основные внешние факторы, определя­ ющие пластическое состояние деформируемого материала; химиче­ ский состав, фазовое состояние, структура и др. — основные вну­ тренние факторы.

Следовательно, искомый критерий склонности к сверхпластич­

того, так как преобладающее развитие процессов упрочнения при­ водит к разрушению, то величина, их определяющая, должна иметь ограниченное значение, в то время как величина, определяющая процесс разупрочнения, может быть сколь угодно большой.

И, наконец, критерий пластического состояния или критерий СВП, находясь в зависимости главным образом от температуры, скорости II гидростатического давления, в случае прочих равных условий протекания процесса деформации следует называть при определении в зависимости от одного параметра (при постоянстве других) критерием склонности к сверхпластичности, так как только выполнение условий склонности минимум по трем факторам (темпе­ ратуре, скорости, гидростатическому давлению) переводит его в кри­ терий СВП, а материал в состояние сверхпластичности.

За критерий склонности к сверхпластичности /Сс, по нашему мнению, следует принять отношение полного относительного суже­ ния и полного относительного удлинения при разрыве круглых образцов без надреза:

Предлагаемый критерий отвечает комплексу.ранее перечисленных требований.

Значения критерия Кс Для состояния сверхпластичности должны быть менее единицы по всем основным факторам (условие превали­ рования процессов разупрочнения над процессами упрочнения), и

к хрупкому. Следовательно, материал обладает склонностью к сверх­ пластичности в зависимости от любого из факторов при условии

Кс < 1. •

На рис. 16 изображены зависимости критерия склонности к СВП от температуры и скорости деформации для целого ряда металлов и сплавов, у которых, по данным работ [27, 39], обнаружено состоя­ ние сверхпластичности в указанных на графике интервалах темпе­ ратуры и скорости деформации (вне связи с данным критерием). Представленные графики показывают, что явление сверхпластич­ ного поведения соответствует условию іСс< 1 .

На рис. 17 показана зависимость величины Кс от температуры для ряда широко применяемых марок стали, из которой следует, что

Рис. 16. Зависимость критерия Кс от температуры (а) и от температуры и скорости (б).

а—1 — латунь Л52; 2—алюминиевая бронза (12% AI); 3— сплав MgCd; 4— латунь ЛС59-1 (с добавками Ni, Mn, Si, Се).

б —Сплав Ni + 49% Сг находится в температурном интервале сверхпластнчности.

большинство из них имеет склонность к сверхпластичности в строго определенном интервале температур. Однако для перевода этих материалов в сверхпластичное состояние требуется оптимизация минимум еще по одному фактору, а именно по скорости деформа­ ции. Логичным, по нашему мнению, может быть заключение о том, что переход к деформации в области температур, соответствующих склонности материала к сверхпластичности, при скоростях, отвеча­ ющих условию Кс < 1, по схеме с большим гидростатическим давле­ нием может способствовать сдвигу интервала скоростей деформации, соответствующих явлению сверхпластичности материала, в сторону более высоких значений скорости деформации.

Применение предлагаемого критерия склонности к сверхпластич­ ности к исследованию известных материалов обеспечивает быстрый и сравнительно простой метод определения температуры и скорости, соответствующих склонности к сверхпластичному состоянию. С дру­ гой стороны, применение критерия Кс позволяет сразу исключить материалы, которые в данном структурном состоянии не обладают склонностью к сверхпластичности по одному из факторов и, следо-

63

вательно, потенциальными возможностями перейти в это состояние при любом сочетании значений температуры, скорости и др.

Естественно, что предлагаемые рекомендации требуют дополни­ тельной проверки и не претендуют на безоговорочное выполнение. Проведение широкого круга экспериментальных исследований кри­ терия Кс и сверхпластичности известных материалов позволит дать

Рис. 17. Зависимость критерия Кс от температуры для ряда марок конструкционной стали.

1 — 60C2; 2 — ЗОХГСА; 3 — Н Н ЗБ ; 4 — Х28; 5 — 1X25102.

однозначный ответ на вопрос о возможности использования метода оценки склонности металла к сверхпластичности по данному кри­ терию.

Одним из подтверждений правомочности предлагаемого подхода к установлению единого критерия состояния является рекомендуе­ мый авторами работы [26 ] метод оценки состояния по фактору по­ вреждаемости К ■ В этой рекомендации заложена мысль о том, что при любой выбранной схеме нагружения интенсивность развития процессов разрушения оказывается функционально зависимой от характеристики повреждаемости материала (К) при одноосном растя­ жении, определяемой из выражения

где А5 — абсолютное.уменьшение сечения при растяжении, вклю­ чающее сужение и площадь накопленных повреждений;

в — относительная пластическая деформация; ' S0— исходное сечение.

64