Понятие пластичность. Факторы, влияющие на пластичность

На рис. 2.9 представлены графики влияния холодной деформации на пластичность S, предел прочности а в и твердость НВ низкоуглеродистой стали. Из графиков видно, что уже при деформации, равной 20 %, наблюдается снижение пластичности металла в 3 раза, увеличение твердости и прочности примерно в 1,3 … 1,4 раза. Следовательно, в холодном состоянии из этой стали нельзя получить поковки сложной формы, так как металл при деформировании будет разрушаться вследствие низкой пластичности.

Для увеличения ковкости обрабатываемые металлы нагревают. С повышением температуры увеличивается пластичность и снижается сопротивление металлов деформированию. В качестве примера рассмотрим влияние температуры на пластичность 5 и предел прочности а в стали с содержанием углерода 0,42 % (рис. 2.10). При повышении температуры деформирования с 0 до 300 °С сопротивление деформированию несколько увеличивается, а затем падает с 760 до 10 МН/м 2 при 1200 °С, т. е. уменьшается почти в 76 раз. Пластичность же этой стали, наоборот, при повышении температуры от 0 до 300 °С сначала уменьшается, затем до температуры 800 °С резко увеличивается, после этого незначительно падает, а при дальнейшем увеличении температуры снова. увеличивается. Явление снижения пластичности при 300 °С называется синеломкостью, а при 800 °С - красноломкостью. Синеломкость объясняют выпадением по плоскостям скольжения мельчайших частиц карбидов, которые увеличивают сопротивление деформированию и уменьшают пластичность. Красноломкость появляется вследствие образования в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью. Это состояние характерно для неполной горячей обработки давлением. При температурах синеломкости и красноломкости деформировать сталь особенно нежелательно, так как при ковке возможно образование трещин в заготовке и, как следствие, брак продукции.

Различные металлы и сплавы обрабатывают давлением во вполне определенном температурном интервале АТ = Т ъ ~ Т л, где Т в и Т н - соответственно верхний и нижний температурные пределы обработки металла давлением.

Деформирование металла при температуре ниже Т н вследствие снижения пластичности может привести к его разрушению. Нагрев металла выше температуры Т в ведет к дефектам структуры металла, снижению его механических свойств и пластичности. Температурные интервалы обработки давлением для разных металлов различны, однако общим для них является то, что наибольшую пластичность металлы имеют при температурах, превышающих температуры рекристаллизации.

Влияние степени и скорости деформации. Степень и скорость деформации оказывают сложное влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию. Причем это влияние зависит как от их значений, так и от того, в каком состоянии деформируют металл - горячем или холодном.

Степень и скорость деформации одновременно оказывают на металл и упрочняющее, и разупрочняющее действия. Так, с увеличением степени деформации, с одной стороны, увеличивается наклеп металла, а следовательно, повышается и его сопротивление деформированию. Но, с другой стороны, увеличение степени деформации, интенсифицируя процесс рекристаллизации, ведет к разупрочнению металла и снижению его сопротивления деформированию. Что касается скорости деформации, то с ее увеличением уменьшается время протекания процесса рекристаллизации и, следовательно, увеличивается упрочнение. Однако с повышением скорости деформации увеличивается количество выделяющейся в металле в момент деформирования теплоты, которая не успевает рассеяться в окружающую среду и вызывает дополнительный разогрев металла. Увеличение же температуры сопровождается снижением сопротивления металла деформированию.

В большинстве случаев ручной ковки металл деформируют в нагретом состоянии и увеличение степени и скорости деформации ведет к уменьшению пластичности и увеличению сопротивления деформированию.

Влияние схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением.

Чем выще в деформируемом металле растягивающие напряжения, тем больше снижается его пластичность и тем вероятнее появление в нем трещин. Поэтому следует стремиться обрабатывать металл таким образом, чтобы в нем возникали сжимающие напряжения и отсутствовали растягивающие.

Так, металл имеет наименьшую пластичность в условиях деформирования по схеме линейного растяжения (см. рис. 2.6,/ и 2.7, а) и наибольшую - по схеме всестороннего неравномерного сжатия (см. рис. 2.6, iii и 2.11, а). Экспериментально установлено, что сплавы, непластичные в условиях одноосного растяжения, хорошо деформируются в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Чугун, например, при растяжении или открытой осадке (см. рис. 2.5) практически не деформируется, тогда как его можно подвергнуть значительным деформациям путем выдавливания с усилием Р и противодавлением Р п р по схеме, приведенной на рис.2.11 ,а.

Знание схем напряженного состояния имеет большое практическое значение. При ковке высоколегированных сталей на плоских бойках (см. рис. 2.5) на бочкообразной поверхности заготовки могут появляться трещины. Объясняется это тем, что в этой зоне напряженное состояние металла характеризуется наличием растягивающих напряжений о 3 . Если же эту заготовку осаживать в оправке (рис. 2.11, б) или ковать в вырезных бойках (рис. 2.11, в), то схема напряженного состояния металла будет соответствовать схеме всестороннего сжатия и, таким образом, можно избежать образования трещин.

В современном кузнечно-штамповочном производстве заготовки деталей из некоторых жаропрочных сплавов получают только выдавливанием, так как при других способах (осадка, гибка, открытая штамповка) наблюдается разрушение сплава.

О пластичности металла при любых условиях его деформа­ции до последнего времени судили по результатам испыта­ний образцов на растяжение. На основании этих данных считают, что пластичность всех металлов тем выше, чем выше температура, при кото­рой он подвергается обработ­ке. В действительности такое влияние температуры не явля­ется общим.

Ю. М. Чижиков рекоменду­ет пять типовых закономерно­стей влияния температуры на предел пластичности Δh/H, ха­рактеризуемый относительным обжатием (рис. 51). Кривая 1 характеризует металлы и спла­вы, пластичность которых с по­вышением температуры увели­чивается. Эта кривая типична для углеродистых и легирован­ных конструкционных сталей и др. Кривая 2 приведена для металлов и сплавов, пластичность которых с повышением температуры понижается. Эта кривая годна только для некоторых высоколегированных сплавов, но она представляет больший инте­рес, показывая, что с повышением температуры пластич­ность не всегда повышается. Кривая 3 характеризует ме­таллы и сплавы, пластичность которых очень мало изме­няется с повышением температуры. К ним относятся мно­гие качественные легированные стали. Согласно кривой 4 при повышении температуры до какой-то средней пластич­ность возрастает; при дальнейшем увеличении температу­ры она снижается. Кривая 5 показывает, что при каких-то средних температурах происходит снижение пластичности; при более высоких или более низких температурах пластич­ность получается более высокой. Эта кривая типична для технически чистого железа.

Влияние химического состава стали

Содержание углерода в стали до 0,8-1 % незначительно уменьшает пластичность металла. Повышение содержания углерода в стали приводит к тому, что металл в литом со­стоянии можно обрабатывать только ковкой. Так, стали, содержащие около 1,5 % С, в литом состоянии обрабатыва­ют ковкой. После ковки или после дробления первичной структуры и превращения ее во вторичную их можно про­катывать.

Углерод принадлежит к активным элементам, влияю­щим на изменение сопротивления деформации. Особенно заметное влияние углерода на повышение сопротивления деформации начинается при содержании его 0,5 % и выше.

Марганец повышает способность металла пластически деформироваться благодаря тому, что он с серой образует сульфид, который находится в металле в виде шарообраз­ных включений. При повышенном содержании марганца (12% и более) пластичность металла зависит от условий разливки стали. Так, горячоотлитый металл вследствие гру­бозернистой структуры прокатывается и куется хуже. Ме­талл, отлитый при низкой температуре, имеет мелкозерни­стое строение и хорошо поддается обработке давлением, но сопротивление его деформации резко повышается.

Никель является хорошим поглотителем газов, находя­щихся в расплавленном металле. Это свойство никеля осо­бенно существенно при наличии в стали водорода. В отли­чие от марганца никель и соединении с серой (сульфид ни­келя) располагается в стали по границам зерен, что способ­ствует появлению красноломкости. Сульфиды никеля, об­ладая пониженной температурой плавления, увеличивают склонность сталей к пережогу. Влияние никеля на сопро­тивление деформации незначительное.

Хром способствует образованию крупнокристаллической структуры. Крупнозернистая столбчатая структура в круп­ных слитках при охлаждении может вызвать появление межкристаллических трещин. Особенно это заметно в хро­мистых сталях с большим содержанием углерода. В неко­торых высокоуглеродистых сталях типа ЭХ12 или хромонн- келсвых (3-4 % Ni, 1-5 % Cr) указанные трещины могут выходить даже на поверхность. Хром в стали, особенно при содержании никеля или повышенном содержании углерода, резко повышает сопротивление деформации вследствие на­личия карбидов хрома, стойких даже при высоких темпе­ратурах.

Ванадий , как и марганец, имея сродство к кислороду, является хорошим раскислителем. Кроме того, ванадий, по­добно кремнию, служит хорошим дегазификатором. Прак­тикой и исследованиями установлено, что ванадий способ­ствует образованию мелкозернистой структуры слитка, при этом пластичность стали повышается.

Вольфрам уменьшает пластичность стали в горячем со­стоянии и увеличивает сопротивление деформации. Некото­рые марки стали с содержанием вольфрама в литом состо­янии сначала обрабатывают ковкой и только после вторич­ного нагрева слитка прокатывают его в валках.

Стали с содержанием молибдена относятся к самозака­ливающимся. Содержание в стали молибдена не уменьша­ет способность пластического изменения формы при ковке или прокатке. В то же время сопротивление деформации не­сколько повышается. Недостаток сталей, содержащих мо­либден в большом количестве (до 1,5% и более), состоит в свойстве их при охлаждении подвергаться воздушной за­калке, что иногда сопровождается появлением трещин. В сталях с малым содержанием молибдена (0,25-0,3%) это явление не наблюдается.

В металле сера находится чаще всего в виде соединений FeS и MnS. При наличии в стали легирующих элементов (Cr, W и особенно Ni сера, соединяясь с ними, образует сульфиды, которые выделяются по границам зерен метал­ла. Эти сульфиды, обладая пониженной температурой плав­ления и прочностью, обусловливают красноломкость стали при пластической обработке в области температур 800- 1000°С. Кроме того, сульфиды создают опасность пережо­га металла при температурах, близких к 1200°С.

Наличие водорода в стали способствует образованию внутренних трещин-флокенов. Прямого влияния на пластич­ность и сопротивление деформации водород не оказывает.

В металле азот находится в виде соединений с другими элементами. Содержание нитридов в пределах 0,002- 0,005 % заметного влияния на пластичность металла не оказывает. При повышении содержания нитридов до 0,03 % и выше металл становится хладноломким и красколомким. Однако добавление азота, в частности в коррозионно-стой­кую сталь, уменьшает размеры первичного зерна при от­ливке. Так, содержание азота в пределах 0,15-0,2 % в кор­розионно-стойкой стали при содержании хрома до 25 % способствует получению мелкозернистой структуры и улуч­шению пластичности с одновременным повышением сопро­тивления деформации. Неметаллические включения в виде оксидов (особенно FeO) отрицательно влияют на пластичность металла при высоких температурах. По данным ряда исследований, количество оксидов не должно превышать 0,01 %. При большем содержании в металле оксидов неза­висимо от их формы и природы даже при деформации ков­кой получаются трещины.

Кроме рассмотренных общих технологических свойств (пластичности и сопротивления деформации), каждый ме­талл или сплав имеет еще специфические особенности, ко­торые нужно знать и учитывать при разработке технологи­ческих режимов. Так, автоматная сталь (углеродистая сталь с повышенным содержанием серы) обладает низким коэффициентом трения, что затрудняет ее захват валками при прокатке.

Многие легированные стали склонны к образованию трещин, чрезмерному обезуглероживанию, перегреву. Все эти и другие особенности каждого металла необходимо учитывать, чтобы правильно вести технологический про­цесс.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .

Условием пластичности называется условие перехода упругой деформации в пластическую , т.е. оно определяет точку перегиба на диаграмме растяжение-сжатие.

В линейном напряженном состоянии, например при растяжении образца, пластическая деформация начинается тогда, когда нормальное напряжение достигает предела текучести. То есть для линейного напряженного состояния условие пластичности имеет вид: .

Сен-Венан на основании этих опытов вывел условие пластичности. Он установил, что пластическая деформация наступает тогда, когда максимальное касательное напряжение достигает величины, равной половине предела текучести, т.е. . Но . Отсюда получаем .

Таким образом, условие пластичности Сен-Венана имеет вид:

Пластическая деформация наступает тогда, когда максимальная разность главных нормальных напряжений достигает величины сопротивления деформации, т.е.

Влияние температуры на пластичность металла.

Т ермической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, Улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств.

В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в очень широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ (исходное состояние) до 600-650 НВ (после закалки). Возможность значительного повышения механических свойств с помощью термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а также уменьшить размеры и вес детали.

Основоположником теории термической обработки является выдающийся русский ученый Д.К. Чернов, который в середине Х I Х в., наблюдая изменение цвета каления стали при ее нагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки (точки Чернова).

Советские ученые достигли больших успехов в усовершенствовании уже известных и в разработке новых технологических процессов термической обработки стали.

В развитии учения о термической обработке, в создании прогрессивных методов технологии термической обработки советская наука и практика занимают ведущее место.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг стали.

Назначение отжига - снижение твердости, измельчение зерна (перекристаллизация), улучшение обрабатываемости, повышение пластичности и вязкости, снятие внутренних напряжений, устранение или уменьшение структурной неоднородности, подготовка к последующей термической обработке.

На результат отжига влияют следующие факторы:

1) скорость нагрева;

2) температура нагрева (отжига);

3) продолжительность выдержки при температуре нагрева (отжига);

4) скорость охлаждения.

Скорость нагрева . Допустимая скорость нагрева зависит от химического состава стали. Чем больше в стали углерода и специальных примесей, тем менее она теплопроводна и, следовательно, тем медленнее следует ее нагревать.

Температура нагрева . Температуру нагрева устанавливают в зависимости от содержания углерода и специальных элементов.

Полный отжиг

Полный отжиг характеризуется нагревом на 20-30 град выше температуры интервала превращений и медленным охлаждением до температуры ниже интервала превращений (обычно до 400 - 500 0 С). Полному отжигу подвергают доэвтектоидные и эвтектоидную стали. Для заэвтектоидных сталей целесообразным и практически применимым является неполный отжиг. Полный отжиг применяют для перекристаллизации структуры в горячодеформированных сталях и фасонном литье.

Отжиг горячедеформированной стали снижает прочность и повышает пластичность.

Если исходная структура трудно поддается исправлению и полный отжиг не в состоянии улучшить структуру стали, то применяют двойной отжиг. Первый высокий отжиг проводят при повышенной температуре 950-1000° С.

Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтектоидиой стали. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для поковок, горячая обработка давлением которых проведена правильно с получением удовлетворительной микроструктуры. В этом случае назначением неполного отжига является перекристаллизация перлита и снятие внутренних напряжений перед механической обработкой. Температура нагрева при неполном отжиге доэвтектоидных сталей 770 - 800 о С.

Изотермический отжиг

При изотермическом отжиге аустенит превращается в феррито-цементитную смесь не при охлаждении в определенном интервале температур, как это происходит при обычном полном отжиге, а вовремя выдержки при постоянной температуре. Для изотермического отжига сталь нагревают до оптимальной температуры и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки (650-700 0 С). При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аустенита, а затем охлаждают на воздухе. Преимуществом изотермического отжига по сравнению с обычным является значительное сокращение времени отжига и получение более однородной структуры.

Температура изотермической выдержки значительно влияет на получающуюся структуру и свойства. С понижением температуры, т.е. с увеличением степени переохлаждения аустенита, зерна цементита измельчаются, и получается более дисперсный перлит.

Практически изотермический отжиг проводят в двух печах: в одной печи детали нагревают, затем их переносят в другую печь, имеющую температуру немного ниже.

Низкотемпературный отжиг.

Низкотемпературный отжиг (высокий отпуск) применяют главным образом для легированных сталей (хромистых, хромоникелевых и др.) для снятия внутренних напряжений и для снижения твердости. Фазовая перекристаллизация при этом виде отжига отсутствует. Полного снятия внутренних напряжений достигают при нагреве до 600 0 С, поэтому низкотемпературный отжиг можно проводить в температурном интервале от 600 0 С. Выдержка для снятия внутренних напряжений тем меньше, чем выше температура нагрева. Охлаждение после нагрева должно быть достаточно медленным, чтобы вновь не возникли внутренние напряжения.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

Этот отжиг характеризуется нагревом до температуры значительно выше температур интервала превращений (на 180 - 300° С) с последующим медленным охлаждением.

Такой отжиг применяют для выравнивания химической неоднородности зерен твердого раствора путем диффузии, т.е. уменьшения микроликвации в крупных фасонных стальных отливках и слитках, главным образом легированной стали.

Диффузионный отжиг в связи с назначением его сделать сталь однородной (гомогенной) иначе называется гомогенизацией.

Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, а количество продиффундированного вещества становится тем больше, чем длительнее выдержка, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура и продолжительная выдержка.

Практически слитки нагревают до 1100 - 1150° С, выдерживают при этой температуре 12-15 ч, а затем медленно охлаждают до 250-200° С. Процесс диффузионного отжига продолжается около 80-100 ч.

В результате высокотемпературного длительного отжига происходит рост зерна. Этот недостаток микроструктуры устраняют тем, что слитки подвергают горячей механической обработке, в результате которой полностью уничтожается крупнозернистая структура литой стали; поэтому после гомогенизации слитки не подвергают отжигу для улучшения структуры.

Только в тех случаях, когда после гомогенизации слитки получаются с повышенной твердостью (например, слитки высоколегированных сталей), проводят дополнительный низко температурный отжиг при 650-680° С.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют нагрев стали до температуры на 30-50 град выше верхних критических точек, выдержку при этой температуре и охлаждение на спокойном воздухе. При нагреве низкоуглеродистых сталей до температур нормализации происходят те же процессы, что и при отжиге, т.е. измельчение зерен. Кроме того, вследствие охлаждения более быстрого, чем при отжиге, и получающегося в результате этого переохлаждения, строение перлита более тонкое (дисперсное), и количество эвтектоида (вернее, квазиэвтектоида) больше, чем при медленном охлаждении (при отжиге).

По сравнению со структурой отжига структура нормализации более мелкая, а механические свойства более высокие (повышенная прочность и твердость); это обеспечивается ускоренным охлаждением (на воздухе) по сравнению с медленным охлаждением (вместе с печью) при отжиге.

Если при охлаждении на воздухе образуется (в некоторых высоколегированных сталях) не перлит, а мартенсит - структура, характерная для закаленной стали, то такую термическую обработку называют не нормализацией, а воздушной закалкой.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Закалкой называют нагрев стали выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Обычно нагрев проводят на 30-50 град выше линии GSK на диаграмме железо - цементит.

Назначение закалки - получение высокой твердости или повышенной прочности. На результат закалки, как и отжига, влияют четыре основных фактора – скорость нагрева, температура нагрева, продолжительность выдержки и скорость охлаждения.

Основным и решающим фактором является скорость охлаждения - твердость и физико-механические свойства стали связаны со скоростью охлаждения.

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки (727 0 С) с последующим охлаждением. Целью отпуска является частичное или полное устранение внутренних напряжений, снижение твердости и повышение вязкости. Отпуску подвергают закаленную сталь со структурой тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита.

1. Влияние состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Сплавы твердые растворы обычно более пластичны, чем сплавы, образующие химические соединения. Компоненты сплава также влияют на его пластичность. С повышением содержания углерода в стали плас­тичность уменьшается. При содержании углерода свыше 1,5 % сталь с трудом поддается ковке. Кремний понижает пластичность стали. По­этому кипящая малоуглеродистая сталь (08кп, Юкп) с малым содержани­ем кремния применяется при изготовлении деталей холодной штампов­кой глубокой вытяжкой. В легированных сталях хром и вольфрам уменьшают, а никель и ванадий повышают пластичность стали. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа Ре8, который в виде эвтектики располагается по границам зерен и при нагревании до 1000 °С расплавляется. В результате связь между зернами нарушается и сталь становится хрупкой. Такое явление называется красноломкостью. Мар­ганец, образуя тугоплавкое соединение МпЗ, нейтрализует вредное дей­ствие серы. Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает, особенно при низких температурах, пластичность и вяз­кость стали, вызывая ее хладноломкость.

2. Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металлов обычно возрастает, а прочность уменьшается. Однако в углеродистых сталях при температурах 100-400 °С пластич­ность уменьшается, а прочность возрастает. Этот интервал температур называют зоной хрупкости или синеломкости стали, наличие которой объясняется выпадением- мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения при деформации.

3. Скорости деформации - изменение степени деформации е в еди­ницу времени <&/Л. (От скорости деформации следует отличать скорость деформирования - скорость движения деформирующего инструмента.)

Обычно механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 мм/с. Обработка давлением на прессах и ковочных машинах производится при скоростях движения рабочих органов 0,1- 0,5 м/с, на молотах ско­рость деформирования в момент удара 5-10 м/с. Еще большие скорости возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (20-30 м/с), штамповке взрывом, элек­тромагнитной штамповке.

В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучес­ти возрастает, а пластичность падает. Особенно резко уменьшается плас­тичность некоторых высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. При обработке давлением нагретого металла это можно объяс­нить влиянием двух противоположных процессов: упрочнения при дефор­мации и разупрочнения вследствие рекристаллизации. При больших скоростях деформации разупрочнение может отставать от упрочнения. Кроме того, следует учитывать тепловой эффект пластической деформа­ции, который выражается в том, что энергия, расходуемая на пластиче­скую деформацию, превращается в основном в тепло.

4 . Напряженное состояние в элементарно малом объеме характеризуют схемой главных напряжений. Главные напряжения - это нормальные напряжения, действующие в трех взаимно перпендикулярных площадках, на которых касательные напряжения равны нулю. На рис. 4.2, а, б, в, г представлены схемы главных напряжений, наиболее часто встречающиеся при обработке давлением.

Деформированное состояние характеризуется схемой главных дефор­маций, т. е. деформаций в направлении трех осей, перпендикулярных к площадкам, в которых касательные напряжения отсутствуют (рис. 4.2, д, е, ж). Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций позволяет судить о характере главных напряжений и дефор­маций при различных видах обработки давлением и пластичности метал­ла: чем больше сжимающие напряжения и меньше напряжения и дефор­мации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Повысить сжимающие напряжения при обработке давлением можно, например, оказывая боковое давление на металл жесткими стенками инструмента.

3. Холодная и горячая обработка металлов давлением

1. Наклеп и рекристаллизация металлов. При деформировании ме­таллов повышается плотность дефектов кристаллического строения и возрастает сопротивление их перемещению. С увеличением степени дефор­мации пределы прочности и текучести, а также твердость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижаются; возрастают остаточные напряже­ния. Упрочнение металлов при пластической деформации называется наклепом. В результате упрочнения пластические свойства металлов могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызывает разрушение.

При наклепе металл переходит в термодинамически неустойчивое со­стояние с повышенным запасом внутренней энергии, поэтому он стремит­ся самопроизвольно перейти в более равновесное состояние. При нагре­ве наклепанного металла до температур, составляющих 0,2-0,3 от тем­пературы плавления Т пл (возврате), частично уменьшаются искажения кристаллической решетки и внутренние напряжения без изменения мик­роструктуры и свойств деформированного металла.

При нагреве деформированных металлов выше 0,4Т ПЛ образуются новые равноосные зерна и свойства металла возвращаются к их исход­ным значениям до деформации. Процесс образования новых центров кристаллизации и новых равноосных зерен в деформированном металле при нагреве, сопровождающийся уменьшением прочности, увеличением пластичности и восстановлением других свойств, называется рекристал­лизацией. Наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температу­рой рекристаллизации. Величина зерна после рекристаллизации зависит от степени и скорости деформации, а также температуры и длительности нагрева.

2. Холодная и горячая деформация. В зависимости от температурно-скоростных условий при деформировании могут происходить два противо­положных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочне­ние, обусловленное рекристаллизацией. В соответствии с этим различают холодную и горячую деформацию. Холодное деформирование произво­дится при температурах ниже температуры рекристаллизации и со­провождается наклепом металла. Горячее деформирование протекает при температурах выше температуры рекристаллизации. При горячей де­формации также происходит упрочнение металла (горячий наклеп), но оно полностью снимается в процессе рекристаллизации. При ней плас­тичность металла выше, а сопротивление деформации примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Деформация, после которой про­исходит только частичное разупрочнение, называется неполной горячей деформацией.

4 . Влияние обработки давлением на структуру и механические свойства металлов и сплавов

1. Изменение структуры литого металла при деформации. Структура слитков, которые обычно являются исходными заготовками при обработке давлением, неоднородна (рис. 4.1, б). Основу ее составляют зерна первичной кристаллизации (дендриты) различной величины и фор­мы, на границах которых скапливаются примеси и неметаллические вклю­чения. В структуре слитка имеются также поры, газовые пузыри. Высо­кая степень деформации при высокой температуре вызывает дробление зерна, а также частичное заваривание пор.

2. Полосчатость. Зерна и межкристаллические прослойки с повышен­ным содержанием неметаллических включений вытягиваются в направ­лении наибольшей деформации. В результате структура металла приоб­ретает полосчатое (волокнистое) строение (рис. 4. 1, в). Волокнистость оказывает влияние на механические характеристики, вызывает их анизо­тропию. В поперечном направлении ударная вязкость на 50-70 %, относительное сужение - на 40 %, относительное удлинение - на 20% меньше, чем вдоль волокон. Наличие полосчатой микроструктуры и ани­зотропии свойств в деформированном металле необходимо учитывать при проектировании и изготовлении деталей. Надо стремиться получить в них такое расположение волокон, чтобы наибольшие растягивающие напряжения действовали вдоль, а перерезывающие усилия - поперек волокон, а также, чтобы они не перерезались при обработке резанием. При необходимости повысить пластичность металла в поперечном направ­лении следует произвести обжатие заготовки в направлении, перпендику­лярном прежнему, т. е. вдоль волокон. Желательно, чтобы у поверхности детали волокна повторяли ее очертания (рис. 4. 1, г). В этом случае повы­шаются прочность и другие служебные свойства детали.