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

ции не оказывает существенного влияния на механические свойства обрабатываемого материала. В. И. Кузьмин на основании анализа экспериментальных данных В. Люэга, А. Помпа, Г. Форда иП. С. Исто­ мина (для скоростей холодной прокатки до 30 м/с) и результатов собственных исследований (для скоростей более 30 м/с) приходит к выводу об отсутствии практически заметного влияния скорости на удельное давление и вытяжку металла при холодной прокатке. Отсутствие влияния скорости деформации в диапазоне от ІО-4 до 0,2 с-1 на величину предельной вытяжки отмечено Б. А. Щегловым; аналогичного мнения придерживается автор работы [16].

С ростом скорости деформации пластичность снижается вслед­ ствие упрочнения, однако возрастает влияние инерционных сил и температуры деформации. При низких же скоростях тепло, выделяю­ щееся при деформации, успевает рассеяться. Иными словами, мы приходим к ранее высказанному положению о том, что соотношение скоростей разупрочнения и упрочнения определяет влияние скорости деформации на пластичность даже при условии деформации предва­ рительно не нагретого металла-

Следовательно, если при статических скоростях и скоростях деформации, различающихся незначительно, влиянием скоростного фактора на пластичность можно пренебречь, то когда речь идет о ско­ ростях деформации порядка (300—1200) с-1, являющихся вполне реальными для современного прокатного оборудования [47 ], пре­ небрегать ими нельзя. В настоящее время всю листовую и сортовую продукцию в стране получают в производственных условиях в диа­ пазоне скоростей деформации от 10_1 до ІО2 с-1, а наибольшая скорость деформации при прокатке достигает ІО3 с-1 [62]. В этом случае возникает качественно новое явление — тепловой эффект, влияние которого особенно значительно при низкотемпературной деформации.

В случае деформации при температурах ниже 0,3 Тпл увеличение скорости деформирования, как правило, повышает пластичность металла за счет теплового эффекта. Последнее обстоятельство широко используется' в практике:, прокатка по методу Стекля (скорость деформирования —500 м/мин); прокатка на станах холодной про­ катки труб без применения эмульсии, что исключает растрескивание концов труб; скоростная штамповка и другие процессы. С. И. Губкин рекомендует в ряде своих работ выполнять деформацию без нагрева при таких скоростных параметрах, которые обеспечивали бы про­ текание процессов частичного разупрочнения за счет теплового эффекта обработки. Сущность теплового эффекта сводится к следую­ щим явлениям [13].

Энергия, воспринятая деформирующимся телом, переходит в по­ тенциальную и тепловую.

Отношение энергии, превратившейся в тепло А тк общему коли­ честву энергии, потраченной на деформацию А, называется выходом тепла г[вых. Следовательно, тепловой эффект деформации

^Івых^-

22

Выход тепла при пластическом сжатии (t = 20° С) для алюминия, железа и меди равен соответственно 93, 88 и 92%, а для сплавов указанных металлов іівь1х= 0,75-^0,85. Тепло, остающееся в дефор­ мируемом теле, определяет величину теплового эффекта деформации:

где /д — средиестатическая температура, развившаяся в теле в ре­ зультате деформации;

і0— температура до деформации.

Температура обрабатываемого металла повышается также в ре­ зультате течения и развития контактного трения. Если деформация происходит в короткий срок и тепло не успевает рассеяться, темпе­ ратурный эффект для пластичности обрабатываемого металла играет значительную роль. В данном случае наибольшее значение имеет, скорость деформации при обработке в области низких температур, ибо тепловой эффект снижается с повышением температуры деформи­ руемого металла, которая уменьшает сопротивление деформации металла и, как следствие, — выход тепла.

Необходимо отметить, что положительное влияние теплового эффекта наблюдается при холодной деформации, за исключением тех случаев, когда повышение температуры металла вызывает его охрупчивание вследствие выделения дополнительных низкопластич­ ных фаз или оплавления низкоплавких эвтектик.

Следует считать вполне возможным такое повышение температуры деформируемого металла за счет теплового эффекта, при котором начнется течение рекристаллизационных процессов разупрочнения, и дальнейшее повышение скорости не вызовет дополнительных явле­ ний перегрева или пережога по следующим причинам. Во-первых, при достижении температур горячей обработки за счет высокоско­ ростного деформирования снизится сопротивлениедеформации, идаль­ нейший рост скорости не будет компенсировать затухания действия теплового эффекта. Во-вторых, повышение температуры вызывает рост теплопроводности металла и соответственно отвод тепла из очага деформации. Оба эти фактора значительно ослабляют влияние дальнейшего повышения скорости деформации до момента качествен­ ного скачка в область импульсных скоростей, начинающегося с вели­ чин порядка 5 -104 см/с.

П РО Ц ЕСС ГО РЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ t

Влияние скорости деформации на пластическое поведение мате­ риала при горячей обработке можно выразить через соотношение скоростей деформации и рекристаллизации. Очевидно, что в диапа­ зоне скоростей деформации статических испытаний влияние скорости на пластичность обрабатываемого металла практически отсутствует. Так, в работе [1] исследована большая группа сталей при темпера­ турах горячей деформации и скоростях от0,003до 2,5 с-1. Исследова­

23

ния показали, что в указанном диапазоне скорость не влияет на отно­ сительное сужение. 'В работе [61 ] отмечено, что при изменении скорости деформации от 6,6 до 47,4 с 1 при горячей прокатке на клин образцов из сплава ХН80 также не обнаружено влияния скорости

показатели пластичности. Однако скорость Деформации при молото­ вой ковке и непрерывной прокатке достигает 200—300 с" 1 (скорость деформирования около 10 м/с).

Предельная скорость горячей прокатки может достигать 700 м/с (42-Ю6 мм/мин), скорость широкополосных станов холодной про­ катки, по данным ряда фирм США, достигает 40 м/с (24-10'1мм/мин). С такими величинами уже нельзя не считаться. При современных скоростных процессах горячей обработки упрочнение снимается лишь частично, так как скорость рекристаллизации становится соизмеримой со скоростью деформации. В этом диапазоне скоростей имеет место снижение пластичности деформируемого металла с ростом скорости деформации. Аномальным случаем в данном диапазоне скоростей может считаться рост пластичности с увеличением скорости деформации вследствие подавления процесса фазового превращения. В работе [13] приводится в качестве примера сплав Бр. АЖ9-4, в котором при статическом нагружении в температурной зоне 350— 450° С имеется провал пластичности за счет фазовых превращений, не успевающих произойти при динамическом нагружении, когда охрупчивания не наблюдается.

Влияние теплового эффекта при горячей деформации не так за­ метно, как в процессе холодного формообразования. Однако и при высоких температурах тепловой эффект может играть значительлую роль с точки зрения управления пластическим поведением деформи­ руемого материала. Так, путем повышения скорости деформации можно вследствие дополнительного разогрева устранить захолаживание металла, вызываемое контактом с обрабатывающим инструмен­ том, повысить таким образом скорость рекристаллизации и обеспе­ чить разупрочнение, а также перевести, в пластическое состояние хрупкие интерметаллиды. В других случаях повышение скорости деформации, - сопровождаемое развитием теплового эффекта, может снизить пластичность вследствие выделения хрупких фаз, оплавле­ ния по границам зерен легкоплавких эвтектик и даже границ зерен и образования жидких фаз за счет растворения глобулей побочной фазы, в основном с образованием низкотемпературных эвтектик.

Влияние скорости на пластическое поведение материала при горячей деформации показано на рис. 4.

Следует несколько подробнее остановиться на процессах деформи­ рования, происходящих со сверхвысокіши скоростями. В этой связи заслуживает внимания отмеченный в раёоте [49] факт уменьшения неравномерности деформации при осадке цилиндров и параллеле­ пипедов в случае увеличения скорости деформации до 100 с-1 . Последнее обстоятельство свидетельствует о положительном влмя-

24

нии высоких скоростей деформации на пластичность обрабатываемого металла. В диапазоне скоростей деформирования 124— 197 м/с получено снижение температурного порога рекристаллизации для стали ЭИ572 при одновременном уменьшении средней величины зерна в деформированном металле по сравнению с деформированием при низких скоростях.

Новые исследования показывают, что высокоскоростные про­ цессы деформирования, например взрывные, могут использоваться для ударного прессования металлов, плохо деформируемых при малых скоростях. Из полученных результатов очевидно, что высоко­ скоростные методы имеют преимущества при обработке таких метал­ лов, которые при обычных скоростях обработки оказались относи­ тельно хрупкими.

В настоящее время методы деформации с высокими скоростями вышли из стадии лабораторных проработок и находят применение

впромышленности. Одним из эффективных способов является высоко­ скоростное объемное деформирование, основная особенность кото­ рого ■— увеличение скорости деформирования с 10 (при обычном методе) до 100 м/с (скорость деформации до 2000 с~ *). Такая скорость развивает процессы локализации деформации, усиливает явление теплового эффекта, одновременно значительно уменьшая контактное трение, и тем самым способствует повышению деформируемости материалов, включая высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы.

Особенно заметно положительное влияние скорости при штамповке заготовок сложной конфигурации. Степени деформации достигают

вэтих процессах 95% и более при горячей деформации и 80% при де­ формации без нагрева при скоростях истечения металла более 200 м/с.

При осаживании без предварительного нагрева образцов из стали марок 20, 45 и армко-железа обнаружено в диапазоне скоростей около 100—200 м/с значительное повышение деформационной спо­ собности материала, которое объясняется возникновением допол­ нительного механизма деформации (интенсивное двойникование), значительным дроблением зерен и ростом локализации деформации.

Дальнейшее повышение скоростей привело к использованию в обра­ ботке металлов давлением импульсных методов нагружения: взрыва, электрогидравлического эффекта, импульсного магнитного поля ит. д. Скорость распространения импульсного нагружения составляет тысячи метров в секунду. Так, диапазон скоростей распространения взрыва, применяемых в технике ВВ, составляет от 2000 до 9000 м/с,

а время разряда при электровзрывной обработке равно 10“ 7 с.

В технической литературе приведены результаты исследования деформируемости алюминиевых сплавов АМгЗМ и АМгбМ импульс­ ным магнитным полем при скоростях от 1,8-103 до 3,2-ІО3 с-1 , показавшие увеличение допустимой степени деформации в два — четыре раза по сравнению со статическим деформированием. Рентге­ нографические исследования свидетельствуют о том, что импульсное деформирование магнитным полем вносит в структуру указанных сплавов при равных со статичёским деформированием степенях формоизменения значительно меньшее количество искажений.

25

Пластическое поведение материала при импульсном нагружении изучено еще недостаточно. Отсутствует теоретическое обоснование механизма течения материала и определяющих его факторов. Однако установлено значительное увеличение пластичности ряда метал­ лических материалов при динамическом нагружении, что отчасти объясняется более равномерным распределением деформации и умень­ шением коэффициента трения с ростом скорости приложения на­ грузки. Так, для наклепанного металла получено трехкратное уве­ личение относительного удлинения при динамическом разрыве по сравнению со статическим. Следует отметить, что для ряда металли­ ческих материалов импульсное приложение нагрузки неблагоприятно сказывается на пластичности, для некоторых материалов повышение пластичности при импульсном нагружении небезгранично:существует значение критической скорости, при превышении которого пластич­ ность практически падает до нуля (хрупкое разрушение).

§7

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Окружающая среда при протекании процесса пластической дефор­ мации может оказывать непосредственное влияние на поведение материала, повышая или понижая его пластичность. Так, например, пластичность материала снижается под действием агрессивных жидко­ стей и газов: влажного морского воздуха, паров аммиака, водорода, кислот, щелочей, растворов и солей т. д.

Изучение закономерностей и природы физико-химических явлений, происходящих на межфазных границах, позволяет разработать эффек­ тивные методы управления свойствами различных тел и материалов в процессе их обработки и эксплуатации. Особо важно влияние среды, содержащей небольшие добавки поверхностно-активных веществ, на механические свойства твердых тел—так называемый эффект Ребин­ дера [32 ]. Использование поверхностно-активных веществ позволяет на время деформации существенно изменять механические свойства материала: повышать его пластичность или хрупкость, снижать или увеличивать сопротивление деформации. При последующем уда­ лении этих веществ исходные свойства материала восстанавливаются.

Эффект Ребиндера можно определить как облегчение деформации и разрушения вследствие понижения поверхностной энергии тела, обусловленного обратимым физико-химическим воздействием окру­ жающей среды. Адсорбционный эффект воздействия поверхностно­ активных веществ может проявиться в различной степени и в разных формах: 1) облегчении пластической деформации — пластифициро­ вании; 2) понижении прочности и пластичности; 3) облегчении тон­ кого измельчения (диспергирования), вплоть до самопроизвольного диспергирования твердого тела на частицы коллоидных размеров. Подробный разбор механизма каждого из этих явлений приведен в работе [32].

26