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

Пластифицирующее действие поверхностно-активных веществ ис­ пользуется при обработке металлов давлением.

Поверхностно-активные вещества, применяемые в качестве смазки инструмента и обрабатываемого металла, уменьшают коэффициент трения и работу деформации и улучшают качество готовых изделий. Я- Б. Фридман отмечает большое влияние поверхностно-активных веществ на поведение материала под нагрузкой. Облегчая возникно­ вение пластических сдвигов, поверхностно-активные вещества вместе

стем способствуют росту трещин и других дефектов.

Вработах В. И. Лихтмана и С. Я- Вейлера показано, что «раз­ мягченный» пластифицированный слой металла сам начинает вы­ полнять функцию смазки, устраняя налипание на инструмент и воз­ никновение задиров. Специально подобранные смазочные компози­ ции значительно улучшают деформируемость и качество металла при прокатке листов из алюминиевых сплавов. Кроме чисто по­ верхностного пластифицирования, может наблюдаться ярко выра­ женное объемное пластифицирование, вызываемое проникновением в объем деформируемого металла «родственных» сред. Примером служит пластифицирующее действие оловянного покрытия в об­ ласти температур, применяемых при теплой обработке стали 1Х18Н9Т.

Внекоторых случаях отмечается начало деформационного те­ чения металлических материалов, находящихся в средах металли­ ческих расплавов, при нагрузках, которые обусловливают величину напряжений в нагруженном материале на порядок ниже предела

текучести. Последнее обстоятельство связывают с диффузией ато­ мов «родственного» расплавленного металла по границам зерен, что облегчает взаимное скольжение этих зерен под воздействием нагрузки.

Вторая характерная форма проявления эффекта Ребиндера, ко­ торую следует учитывать при обработке металлов давлением, — это облегчение разрушения твердых тел, находящихся в контакте с близ­ кой по молекулярной природе жидкой средой. Сюда относятся хо­ рошо известные случаи катастрофического охрупчивания твердых металлов под действием металлических расплавов (многократное снижение прочности и пластичности цинка и латуни при контакте с ртутью, меди — с висмутом и др.). Одним из наиболее характерных условий облегчения деформации и разрушения в результате обрати­ мого физико-химического влияния среды является совместное дей­ ствие механических напряжений и среды. Активная среда сама по себе не вызывает разрушений, она лишь усиливает действие механи­ ческих напряжений, уменьшая работу образования новых участков поверхности.

Следует отметить, что повышение температуры способствует процессам деформации и разрушения под действием активной среды. В температурной зависимости эффекта охрупчивания наблюдается существование «температурного порога», при превышении которого прекращается влияние роста температуры на облегчение деформа­ ции при воздействии поверхностно-активной среды.

27

Большое количество данных о расклинивающем действии смазок приводится в работе [59]; на снижение пластичности материалов под действием контактной жидкости указывается в работе [5]. При испы­ таниях на разрыв металлических образцов в жидкости высокого давления разрыв образцов наступает при контакте с жидкостью раньше, чем в случае, когда образец закрыт специальной оболочкой. В связи с большими давлениями, возникающими при холодной про­ катке, смазка может оказать значительное влияние на пластическое поведение обрабатываемого металла, т. е. вызвать расклинивающее действие, в результате которого возникнут дополнительные растяги­ вающие напряжения, произойдет пластифицирование поверхност­ ного слоя и др.

Керосин, применяемый в качестве смазки при прокатке сталитипа 18-8, более значительно снижает плотность металла, чем при прокатке без смазки, что свидетельствует о более интенсивном возникновении и развитии вакансий в его кристаллической решетке.

Последнее обстоятельство снижает деформируемость материала. В работе [59] указывается, что обработка металлов давлением с при­ менением в качестве смазки минеральных масел и жидкости малой вязкости (трансформаторное масло, керосин,- бензин и др.) практи­ чески невозможна без механических повреждений поверхности де­ формируемого материала. По данным работы [17], при использова­ нии эффективных смазок следует опасаться разрушения прокатывае­ мого металла под действием смазки, что зачастую ошибочно объяс­ няют пониженной пластичностью металла исходной заготовки. При холодной прокатке стальных и титановых полос со смазкой обнаружи­ вается поверхностная рябизна, вызывающая разрушение изделий при последующих испытаниях на изгиб. Эти дефекты вероятнее всего являются результатом расклинивающего действия смазки. Есте­ ственно, что применительно к каждому конкретному процессу пласти­ ческой обработки и виду смазки степень влияния смазки на пластич­ ность материала может колебаться в широких пределах: от пренебре­ жимо малого до значительного.

Окружающая среда, влияющая на пластическое поведение де­ формируемого материала, тесно связана с другими факторами, и в первую очередь с условиями развития процессов трения, хими­ ческим составом (наличием примесей), температурой, скоростью, гидростатическим давлением и т. д.

Некоторые факторы лишь условно можно отнести к факторам влияния окружающей среды — например, ультразвуковое поле, наложенное на пластически деформируемый материал. Использо­ вание ультразвука в процессах обработки металлов давлением вышло за рамки лабораторных исследований. Метод находит широкое при­ менение в промышленности [44]. Исследования влияния ультра­ звука на пластическое поведение материала, проведенные физикотехническим институтом АН БССР, позволили установить, что наряду со снижением сопротивления деформации ухудшаются харак­ теристики пластичности. Так, при растяжении меди в области тем­ ператур от 190 до 700° С с наложением ультразвукового поля

28

временное сопротивление уменьшилось на 40—50% при одновремен­ ном снижении относительного удлинения на 25—30%. Указанные изменения объясняются локализацией деформации и интенсивным разрыхлением металла [44].

С другой стороны, эффективность действия смазки при наложении ультразвуковых колебаний на деформируемый металл значительно возрастает,, что положительно сказывается на его деформируемости. Так, применение ультразвука при прокатке ряда металлов снижает на 90% коэффициент трения и значительно увеличивает вытяжку металла. Особенно эффективно влияние ультразвука при прокатке тонких полос. Следует учитывать и сопутствующий наложению ультразвука нагрев, а также интенсификацию релаксации напряже­ ний деформируемого металла. Эти обстоятельства обусловливают повышение (до 35%) деформируемости при холодном волочении стальных прутков и проволоки с.наложением ультразвуковых ко­ лебаний на деформируемый участок металла. С этой точки зрения понятно отмечаемое в ряде работ снижение неравномерности дефор­ мации при осадке~с воздействием ультразвука на очаг деформации и практическое отсутствие упрочнения при вибрационной вытяжке листовой стали с частотой вибрации 10—30 Гц. Значительное повы­ шение деформируемости получено также при волочении труб из ряда марок стали и сплавов с наложением ультразвукового поля. Была установлена возможность волочения при воздействии ультразвука даже таких хрупких металлов, как вольфрам.

В настоящее время изучается влияние наложения магнитного поля при термической обработке и горячей пластической деформации на механические характеристики металлов и сплавов. Количествен­ ных зависимостей пока еще мало, но принципиальные выводы о бе­ зусловном наличии влияния магнитного поля на пластичность уже можно сделать, причем это влияние бывает как положительным, так и отрицательным, в зависимости от целого ряда обстоятельств.

О влиянии нейтронного облучения на пластичность заметим лишь, что оно отрицательно сказывается на пластичности подавляю­ щего большинства металлов и сплавов.

Особое место в проблеме влияния окружающей среды на пласти­ ческое поведение деформируемого материала занимают вопросы пла­ стической обработки в вакууме и в контролируемой атмосфере инерт­ ных газов. В СССР в последние годы широко развернулись научноисследовательские работы по изучению процессов деформации в вакууме и контролируемой инертной атмосфере. На основе этих иссле­ дований разработана технология горячей прокатки ряда высоко­ реактивных металлов в вакууме, технология теплого волочения (при 1000° С) труб из тугоплавких металлов в инертных газах и др. В настоящее время создано и продолжает создаваться специальное оборудование для этих методов обработки, в том числе станы с диа­ метром валков до 600 мм для прокатки в вакууме и инертной атмо­ сфере, вакуумные прессы усилием до 3500 т, вакуумные прошивной и пилигримовый станы, специальные камеры типа «Атмосфера» с контролируемой нейтральной средой и комплексом оборудования

29

для обработки металлов давлением и т. д. Такое широкое развитие работ свидетельствует о преимуществах и перспективах применения процессов обработки в вакууме и атмосфере инертных газов.

Обработку в вакууме и нейтральной атмосфере применяют при изготовлении изделий и полуфабрикатов из высокореактивных ме­ таллов (молибдена, вольфрама, ниобия, титана и др.), что позволяет избежать приемов, необходимых при обычных способах обработки давлением с нагревом на воздухе. Так, ненужными становятся меры защиты от окисления и газонасыщения, включая последующее хи­ мическое или механическое удаление большого объема поверхностных слоев металла.

В связи с созданием лабораторных и промышленных установок для обработки металлов и сплавов в вакууме и инертных средах появилось большое число оригинальных отечественных и зарубежных публикаций, посвященных сравнительному исследованию влияния окружающей среды при прокатке на воздухе, в вакууме и нейтраль­ ной атмосфере на деформируемость, структуру и свойства обраба­ тываемого металла. Известно, например, что при взаимодействии химически активных металлов с атмосферой воздуха при высоких температурах в поверхностных слоях происходит образование окис­ лов и твердых растворов внедрения атомов азота, кислорода и других газов, а также диффузия газов в металл, что приводит к значитель­ ному снижению его пластичности. Указанное явление практически исключается при нагреве и обработке металла в вакууме и нейтраль­ ных средах.

Кроме того, в процессе пластической обработки при нагреве происходит выделение газов из металла. По данным работы [2], прокатка молибдена в вакууме значительно снижает содержание во­ дорода, кислорода и азота; обработка ниобия в высоком вакууме в большинстве случаев уменьшает содержание в ниобии активных га­ зов. Помимо изменения содержания активных газов в металле, в за­ висимости от среды, используемой при прокатке, может изменяться также содержание, некоторых элементов: углерода, серы, фосфора и др. Для стали Х28, например, при прокатке в вакууме отмечается отсутствие обезуглероженного слоя и значительное снижение со­

Перечисленные выше явления приводят к улучшению пласти­ ческих свойств и повышению деформируемости металлов в ва кууме по сравнению с обработкой их в открытой атмосфере, причем прока­ танный в вакууме металл сохраняет повышенную деформируемость

ипри последующей холодной пластической деформации. Прокатка

внейтральной атмосфере по степени положительного влияния на деформируемость занимает промежуточное положение между про­ каткой в вакууме 1 • ІО'5 мм рт. ст. и прокаткой на воздухе.

Механические свойства, как известно, зависят и от структуры металла. При сравнительном исследовании процесса прокатки в ва­ кууме, инертном газе и на воздухе установлено, что структура ме­ талла заметно меняется в зависимости от среды нагрева и способа

30