От каких факторов зависят свойства металлов

Процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлических материалов под действием приложенной нагрузки переходить в пластическое состояние. Поэтому для наиболее рационального выбора технологического процесса необходимо знать факторы, с помощью которых можно управлять пластичностью.

Пластичность — способность металла под действием нагрузки менять свою форму без разрушения и сохранять ее после снятия нагрузки.

Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при обработке давлением, являются:

• • состав и структура деформируемого металла;
• • схема напряженного состояния при деформации;
• • температура деформации;
• • неравномерность деформации;
• • скорость деформации;
• • степень деформации;
• • режим термической обработки.

Рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов.

Состав и структура деформируемого металла. Как правило, максимальную пластичность имеют чистые металлы. Однако из-за невысокой прочности в чистом виде металлы для получения изделий почти не используются. Поэтому в металлы с целью создания в них комплекса требуемых свойств добавляют другие химические элементы (легирующие добавки). Кроме того, в металлах обычно присутствуют примеси — химические элементы, которые попадают в металл при извлечении из руды, плавлении, нагревании и т. д. Процесс очистки от примесей часто сложен или экономически невыгоден, поэтому их содержание в сплавах обычно ограничивают и фиксируют их допустимое содержание в марке соответствующего сплава. В сталях, например, резко снижают пластичность такие примеси, как Бп, РЬ, БЬ, Б, Р, Н, О и др. Они почти не растворяются в железе, располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Кроме того, температуры плавления этих элементов и их эвтектических соединений с железом значительно ниже, чем у самого железа. Поэтому при горячей деформации содержание указанных примесей выше допустимых пределов из-за расплавления может привести к полной потере пластичности стали. Так, повышенное содержание серы в стали вызывает при горячей обработке давлением возникновение трещин. Это явление называют «красноломкостью». Следует учитывать, что различие между легирующим элементом и вредной примесью достаточно условно. Даже для одного металла, составляющего основу сплава, один и тот же элемент может выступать в сплаве как в качестве легирующего элемента, так и являться примесью. Например, в ряде деформируемых алюминиевых сплавов кремний вреден, и его содержание ограничивают, однако существуют алюминиевые сплавы, в которых кремний является основной легирующей добавкой, например, литейные сплавы силумины.

Большое влияние на пластичность сплавов оказывает их структура. Наибольшей пластичностью среди сплавов обычно отличаются твердые растворы. Неоднородность (гетерогенность) структуры сплавов приводит к снижению пластичности. При одинаковом химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного, так как в двухфазном сплаве фазы имеют разные механические свойства и деформация протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, так как литая структура последнего более грубая, неоднородная по химическому составу, имеет включения и другие дефекты литейного происхождения.

Схема напряженного состояния при деформации. Установлено, что металлические материалы при изменении условий деформирования могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Поэтому правильнее считать, что в природе не существует тел с постоянным уровнем свойств, а есть хрупкое и пластичное состояния вещества, определяемые условиями нагружения при деформировании. При этом увеличение доли сжимающих напряжений при деформировании повышает пластичность обрабатываемого металла. Наибольшую пластичность металлические материалы проявляют при всестороннем сжатии. В этом случае затрудняются межзеренные перемещения, и вся деформация осуществляется за счет внутризеренного перемещения дислокаций. С появлением в схеме растягивающих напряжений пластичность снижается. Самую низкую пластичность металлы имеют при всестороннем растяжении. В технологических процессах обработки металлов давлением, за редким исключением, такой схемы напряженного состояния стараются избегать.

Температура деформации. Минимальная пластичность металлов наблюдается при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина из-за низкой тепловой подвижности атомов. Приблизительно в интервале температур от 0 до (0,2-0,25)Гш„ где Гпл — температура плавления по абсолютной шкале, деформацию называют холодной. При этих температурах восстановительные процессы в металлах, такие как возврат, можно не учитывать. С повышением температуры пластичность металлов увеличивается. При этом деформация металла при повышенных температурах характеризуется одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения. Восстановительными, уменьшающими плотность дислокаций во время горячей деформации, и приводящими к снижению прочности процессами, могут являться только возврат или возврат и рекристаллизация. Процессы разупрочнения во время горячей деформации аналогичны процессам разупрочнения при отжиге после холодной деформации. Так, при возврате плотность дислокаций уменьшается в результате увеличения их подвижности и сопровождается выстраиванием дислокаций в стенки (полигонизация), а при рекристаллизации происходит вытеснение дислокаций мигрирующими высокоугловыми границами. Так как восстановительные процессы, идущие в процессе деформации, имеют свои особенности, то правильнее пользоваться терминами динамический возврат (в том

числе, динамическая полигонизация) и динамическая рекристаллизация, в отличие от статических процессов возврата и рекристаллизации, протекающих при отжиге после деформации. Для чистых металлов возврат проявляется при температурах превышающих (0,25 — 0,30)ГПЛ. Присутствие примесей в металле затрудняет движение дислокаций и увеличивает температуру возврата. Протекание возврата в процессе деформации уменьшает сопротивление деформации металла и увеличивает его пластичность, но при этом упрочнение металла все равно наблюдается, хотя интенсивность его меньше, чем при холодной деформации.

Процесс рекристаллизации, согласно формуле А. А. Бочвара, для чистых металлов начинается с температуры приблизительно 0,4Г11Л. Примеси повышают эту температуру. Динамическая рекристаллизация отличается от статической тем, что появившиеся рскристаллизованные зерна с низкой плотностью дислокации во время своего роста постепенно наклепываются, так как из-за продолжающейся деформации в них повышается плотность дислокаций. Участки, рекристаллизовавшисся в первую очередь, начинают наклепываться раньше, и в них быстрее достигается критическая плотность дислокаций, необходимая для зарождения новых рек-ристаллизованных зерен, которые затем наклепываются, и т. д. Многократное повторение циклов динамической рекристаллизации и наклепа рскристаллизованных зерен характеризуется неизменным средним размером зерна. Графики зависимости истинного напряжения от истинной деформации, представленные, как для динамического возврата, так и для динамической рекристаллизации (рис. 2.6), характеризуются после стадии деформационного упрочнения стадией установившегося течения.

При выборе режима деформации необходимо учитывать, что при температурах, близких к температуре плавления металла, возможны перегрев или пережог. Первое явление заключается в том, что, достигнув максимальных значений в области собирательной рекристаллизации, пластичность начинает плавно снижаться из-за далеко зашедшей собирательной рекристаллизации, приводящей на этой стадии к образованию чрезмерно крупного зерна. При очень высоких температурах могут резко снизиться и прочность и пластичность, что вызывается пережогом — сильным меж-кристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесеи на границе зерен. Если первый вид брака можно исправить повторной термообработкой заготовки, то пережог считают неисправимым браком, и такую заготовку отправляют на переплавку. Таким образом, наибольшую пластичность металлы имеют в интервале от температуры рекристаллизации до температуры плавления. Однако верхний предел должен быть ниже температуры окисления границ зерен. Важным параметром структуры в изделии, полученном деформированием при температуре выше темпера-

туры рекристаллизации, является размер зерна, который сильно влияет на механические свойства изделий. Зависимость размера зерна в металлах после деформации с последующей рекристаллизацией, с одной стороны, от температуры, а с другой, — от степени деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (рис. 2.7), которые строят по результатам специально проводимых экспериментов. Эти диаграммы характерны для каждого металла и сплава и используются для выбора температурного режима деформации.

Б, МПа

а

Б, МПа

Рис. 2.6. Зависимость истинного напряжения 5 от истинной деформации е (цифры на кривых — скорости деформации, с-1): а — армко-железо, 700 °С;

6 — сталь с 0,25% С

Неравномерность деформации. Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в обрабатываемом теле, считают неоднородность физических свойств обрабатываемого материала, контактное трение, форму заготовки и рабочего инструмента.

В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошной средой, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения, которые не определяются схемой напряженного состояния, вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные напряжения могут при определенных

условиях обработки изменять схему напряженного состояния деформируемого тела. Особенно опасным является то, что в некоторых участках тела появляются растягивающие напряжения, что может привести к разрушению заготовки, хотя при этом общая схема напряженного состояния выражается благоприятной для проявления пластичности схемой всестороннего сжатия.

4-106 мкм2

Рис. 2.7. Диаграмма рекристаллизации электролитического железа

Дополнительные напряжения, которые взаимно уравновешиваются в объеме деформируемого тела (заготовки), можно разделить на три вида: напряжения первого рода (зональные), уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями заготовки; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами заготовки; напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в одном зерне. Примером неравномерности деформации может служить бочкообразование при осадке, возникающее в результате трения между инструментом и образцом.

Скорость деформации. В обработке металлов давлением различают две скорости: скорость деформирования или скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса и т. д.) и скорость деформации со или изменение степени деформации г в единицу времени, которую можно рассчитать по следующей формуле:

(0 =

(2.2)

При этом в традиционных видах обработки металлов давлением диапазон скоростей деформации изменяется в интервале от 10 1 до 105 с» . Этой величиной удобнее описывать влияние скоростных условий деформации на пластичность, так как она не зависит от размеров обрабатываемой заготовки. В связи с этим можно корректно сравнивать разные процессы обработки металлов давлением, в которых возможно деформирование заготовок массой, составляющей несколько граммов, и, например, многотонных слитков. В первом приближении, чем больше скорость деформации, тем ниже пластичность. Однако при этом следует учитывать разогрев металла из-за тепла, выделяемого при деформации. Причем интенсивность разогрева тем выше, чем выше скорость деформации. Поэтому при холодной обработке малые скорости деформации слабо влияют на пластичность. Высокие скорости обеспечивают нагрев деформируемого тела, что способствует развитию диффузионных процессов и, следовательно, некоторому восстановлению пластичности металла.

При горячей обработке скорость деформации слабее влияет на пластичность, чем при холодной, так как на упрочнение из-за действия деформации накладывается действие высокой температуры, способствующей протеканию процессов разупрочнения за счет ускорения диффузионной подвижности атомов.

?=Нлр.*100%

Рис. 2.8. Зависимость механических свойств алюминиевого сплава Д1 от степени обжатия при холодной прокатке

Степень деформации. Обычно под наклепом принято понимать упрочнение при обработке давлением.

В более широком понимании наклеп —это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации. При холодной обработке давлением с увеличением степени деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление разрыву, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (рис. 2.8). При деформировании металла со степенью деформации более 50-70 % временное сопротивление и твердость обычно увеличиваются в полтора-два, а иногда и в три раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Небольшие деформации (до Ю %), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на временное сопротивление разрыву. При больших степенях деформации у ряда сплавов предел текучести может возрасти в 5-8 раз и более.

Относительное удлинение резко уменьшается уже при сравнительно небольших деформациях. Сильная деформация, сопровождающаяся увеличением временного сопротивления и твердости в 1,5-2 раза, способна снизить относительное удлинение в 10-20, а иногда и в 30-40 раз и более.

Возрастание показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходит в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также возникновение (генерирование) и скольжение «новых» дислокаций.

Горячая обработка влияет на пластичность слабее, так как при повышении температуры активизируются диффузионные процессы, сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, которые приводят к частичному или полному восстановлению пластичности.

Режим термической обработки. Чтобы получить конкретное изделие обработкой давлением требуется продеформировать заготовку на определенную степень деформации. Бывают случаи, когда достижение такой степени деформации за одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при листовой штамповке и т. д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому технологический процесс разбивают на несколько операций, например, делают несколько переходов при листовой штамповке или несколько проходов при прокатке и т. д. Для частичного или полного восстановления пластичности после операции обработки давлением используют разные виды промежуточной термообработки. Для сталей это может быть отжиг: дорекристаллизационный или рекристалли-зационный. Для некоторых алюминиевых деформируемых сплавов можно использовать закалку. Вид термообработки и ее режим выбирают в зависимости от природы сплава, степени деформации, температуры деформации и т. д.