Пластичность металла при повышении температуры

16.06.2022 VT-METALL

Из этого материала вы узнаете:

• Что такое пластичность металлов
• Зависимость пластичности металлов от химического состава
• Влияние температуры на пластичность металлов
• Влияние скорости деформации на пластичность металлов
• Как напряженное состояние влияет на пластичность металлов
• Примеры металлов, обладающих высокой пластичностью

Пластичность металлов проявляется под воздействием высокой температуры. При этом материал деформируется или растягивается под воздействием силы, но не разрушается. Это свойство активно применяется при изготовлении разнообразных деталей. 

Высокая пластичность металла характеризуется постепенным разрушением с предварительным образованием изгиба, при низкой – материал ломается внезапно. О том, какими показателями пластичности обладают разные металлы и как это свойство используется в промышленности, расскажем далее.

Что такое пластичность металлов

Рассмотрим для начала определение пластичности металлов. Пластичностью называют способность металлов меняться под воздействием внешних факторов с сохранением изменений после окончания этого влияния. Специалисты называют это свойство обратной упругостью металлов. Высокая пластичность позволяет легко обрабатывать материалы (штамповать, ковать и пр.).

Существует прямая зависимость пластичности от температуры, до которой нагревают материал. Пластичность металлов увеличивается при нагревании, а при уменьшении температуры мягкость снижается. Если вы имеете дело с металлами, показывающими высокую пластичность в условиях комнатной температуры, то существует возможность их разрушения в случае охлаждения ниже нуля градусов по Цельсию.

VT-metall предлагает услуги:

Порошковая покраска металла

Для большинства металлов характерна пластичность. У одних она высокая – это так называемые пластичные материалы, а у других низкая – это хрупкие. При этом последние не показывают какой-либо деформации при разрушении или перед ним. Хрупким может быть, например, стекло – один из самых часто встречающихся материалов. Или чугун (особенно белый) – это уже металл, причем широкого использования.

При необходимости обработки (изменении формы) пластичность металла будет очень важным свойством. Как на практике можно использовать пластичность металлов? Кузова автомобилей, например, изготавливают из материалов с достаточной пластичностью для того, чтобы была возможность придать им необходимую форму.

Характеристика пластичности металлов прочно связана с соотношением направления, куда была приложена сила, и направления, в котором происходила прокатка материала. Катаные металлы имеют свойство направленности из-за удлинения структурных кристаллов/зерен вдоль прокатки. Соответственно, пластичность будет выше в том же направлении. Это характерно и для листовой стали.

В поперечном же направлении прочность материала снижается, иногда до 30 %. Пластичность в том же направлении может упасть на 50 %. А по толщине материала эти свойства падают еще больше.

Некоторые виды стали показывают очень низкую пластичность в поперечном направлении. Итак, мы имеем три направления. Им присваиваются следующие обозначения.

Продольное (направление прокатки) обозначается X, поперечное – Y, по толщине – Z.

При проведении аттестации сварщиков, к примеру, при проверке навыка загиба листа стали, частенько можно увидеть излом основного металла. Он возникает из-за того, что ось шва идет параллельно с направлением прокатки металла. Несмотря на хорошие характеристики материала в направлении X, возникновение нагрузки в направлении Y или Z способно разрушить металл.

Проверка пластичности происходит с помощью теста на растяжение. Его производят в тот момент, когда испытывают металл на предел его прочности. Выражается данное свойство, как относительные удлинение и сужение сечения материала.

Существует несколько факторов, влияющих на пластичность металлов. Подробнее остановимся на каждом из них.

Зависимость пластичности металлов от химического состава

Высокую пластичность металлов обеспечивает их чистота. Мягкость чистых металлов выше, чем у сплавов. Примером может служить медь, у которой это свойство выше, чем у бронзы (сплав с оловом).

Пластичность больше выражена у сплавов, которые создают твердые растворы, нежели у тех, что образуют смеси (механические) и химические соединения.

Чем больше разница в пределах текучести и прочности, тем более прочными являются металлы.

Пластичность металлов обусловлена в том числе компонентами сплавов:

1. Высокое содержание углерода приводит к уменьшению пластичности. Если в материале более полутора процентов углерода, то сталь плохо поддается ковке.
2. Пластичность стали падает с появлением в ее составе кремния. Именно поэтому холодная штамповка и глубокая вытяжка используются для обработки малоуглеродистой стали с небольшим количеством кремния. Это такие марки, как 08кп или 10кп. 
3. Благодаря ванадию и никелю пластичность легированной стали повышается, а из-за присутствия вольфрама, хрома падает.
4. Хрупкой сталь делает соединение серы и железа, в результате которого появляется сульфид железа в виде эвтектики. Он размещается на границах зерен и плавится в процессе нагрева до +1 000 С, разрушая связи зерен. Данный процесс получил название красноломкости.
5. Для нейтрализации негативного воздействия серы используется марганец, который создает тугоплавкое соединение.
6. Фосфор двояко воздействует на сталь. С одной стороны в металле возрастают пределы текучести/прочности, с другой – появляется хладноломкость из-за снижения пластичности/вязкости металла при низкой температуре.

Крупнозернистая структура литого металла создает более низкую пластичность, а в деформированном мелкозернистом она выше. Пластичность падает из-за присутствия в материале макро- и микротрещин, пор, пузырьков.

Влияние температуры на пластичность металлов

Пластичность металлов во многом зависит от температуры. Но не все так однозначно. Высокие значения повышают пластичность мало- и среднеуглеродистой стали. А, например, высокоуглеродистые более пластичны при низких значениях. При этом для шарикоподшипниковых температура вообще не влияет на пластичность.

Существуют также сплавы, у которых пластичность повышается в определенных температурных интервалах. От +800–1 000 °С для технического железа – это температура понижения пластичности металла. А при достижении градуса плавления металла происходит увеличение хрупкости, поскольку возрастает вероятность пережога/перегрева.

У углеродистой стали существует зона синеломкости. Это температура от +100 °С до +300 °С, когда прочность материала увеличивается, а пластичность падает. Объясняется это тем, что малые части карбидов выпадают по направлению плоскости скольжения во время деформации металла. Также уменьшение пластичности происходит при фазовых превращениях.

При излишнем росте зерен в структуре металла пластичность резко уменьшается. Специалисты называют этот процесс перегревом, который исправляется отжигом. Другой процесс – пережог.

Это когда на границах зерен появляются оксиды, а также происходит плавление межзеренных прослоек при приближении температуры материала к показателю его плавления. Все это ведет к возникновению трещин и утрате пластичности.

Такой процесс невозможно исправить. Материал отдается на переплавку.

Влияние скорости деформации на пластичность металлов

Скорость деформации представляет собой изменение ее степени за определенный промежуток времени. При возрастании скорости происходит падение пластичности. Это особенно заметно в случае с высоколегированной сталью, сплавами меди и магния.

Объясняется это наличием двух разнонаправленных процессов при работе с нагретым материалом. С одной стороны, при деформации происходит его упрочение. С другой – ослабление прочности из-за рекристаллизации. Если мы имеем высокие скорости деформации, то упрочнение происходит быстрее, чем разупрочнение.

Но при еще большей скорости деформации (например, штамповке взрывом), пластичность снова начинает расти. Происходит это по причине увеличения температуры вследствие выработки теплоты при деформации. Она не может столь быстро рассеяться и приводит к возрастанию пластичности.

Как напряженное состояние влияет на пластичность металлов

Напряженное состояние определяется схемой расположения главных напряжений, которые действуют в малых объемах деформируемого металла.

Главными напряжениями считаются нормальные, которые действуют на трех площадках, перпендикулярных друг другу, где напряжения по касательной взаимно уничтожаются (0). Существует 9 таких схем. Две из них линейные, три – плоские, четыре – объемные. Обработка давлением приводит к появлению двух объемных схем:

• Трехосное сжатие – когда напряжения распространяются по трем осям. Присутствует при таких видах обработки металла, как прокатка, свободная ковка, прессовка, объемное штампование.
• Напряженное состояние – когда две оси имеют напряжение сжатия, а одна – растяжения. Появляется при листовой штамповке (не всегда), а также при волочении.

Пластичность металла хорошо видна на схемах главных напряжений. Повышение роли напряжения сжатия приводит к увеличению пластичности в ходе обработки материала. Следовательно, пластичность при волочении ниже, чем при прессовании. Сжимая инструментом заготовку с боков при обработке давлением, можно увеличить напряжение сжатия металла.

В элементарно малом объеме деформация определяется схемой главных ее частей. Основными считаются те, что происходят по трем перпендикулярным осям, где касательное напряжение равно нулю. В ходе обработки давлением появляются три схемы главных деформаций:

1. По двум осям происходят главные деформации сжатия, а по одной идет тот же процесс растяжения. Схема хорошо заметна при волочении, прессовании.
2. По одной оси идет главная деформация сжатия, по двум видны процессы растяжения. Так происходит при прокатке (в калибрах, узкой полосы…), объемной штамповке или ковке.
3. Первая ось – это главная деформация сжатия, вторая – главная деформация растяжения, на третьей ничего не происходит. Схема работает при штамповке листов, прокатке широких полос.

Информацию о зернах и волокнах металла, а также характере их формирования можно определить из схемы главных деформаций. При обработке давлением свойства материала (физические, механические), а также текстуру определяет максимальная главная деформация.

Примеры металлов, обладающих высокой пластичностью

 Пластичность металлов объясняется в том числе чистотой металлов, но не только. Самыми высокими показателями обладают платина (серебряного цвета), золото (желтого) и медь (розово-оранжевого). Чуть более низкую пластичность имеют:

• сталь – зависит от различных добавок и углеродистого состава;
• латунь и прочие сплавы;
• свинец – достаточно высокая пластичность проявляется в диапазонах температуры.

Пластичность металла можно определить, только применяя ранее приобретенные знания или проводя эксперименты. Она зависит от того, каким образом различные добавки работают с металлическим стеклом, а также от степени чистоты металла.

Важную роль играют и иные переменные. Например, количество электронов, а также молекулярных орбиталей, которые принимают участие в связях материала. Кроме того, расположение кристалла, размер зерен.

Не существует стандартных правил. Для каждого металла нужно найти связи между различными переменными (электронными, микроскопическими), проанализировать их, используя многомерный анализ. Все это приводит к тому, что даже похожие по свойствам и характеристикам материалы могут не быть одинаково пластичными.

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Основы пластической деформации при прокатке

После горячей пластической деформации литого металла структурная неоднородность его уменьшается и повышается его пластичность. Со структурой тесно связана плотность металла.

Пластичность металла тем больше, чем больше его плотность. Плотность литого металла меньше плотности деформированного.

При холодной деформации в некоторых случаях плотность металла несколько может уменьшаться, что приводит к понижению пластичности.

Как правило, пластичность металлов повышается с повышением температуры. Наибольшую пластичность металлы имеют между температурами рекристаллизации и плавления. Пластичность с ростом температуры увеличивается не монотонно.

Это объясняется тем, что некоторые примеси и легирующие добавки образуют легкоплавкие соединения (эвтектики), которые при некоторых температурах резко уменьшают пластичность металлов.

Так, технически чистое железо обнаруживает хрупкость при температурах 900—1000 °С в связи с расплавлением FeS при 985 °С, располагающимся по границам зерен (явление красноломкости).

Когда температура нагрева близка к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога.

Действие скорости деформации на пластичность зависит от протекающих одновременно в металле двух процессов: упрочнения (наклепа) и разупрочнения (рекристаллизации).

Скорость упрочнения металла определяется скоростью деформации, а скорость разупрочнения — скоростью рекристаллизации, которая зависит от температуры нагрева металла.

Увеличение скорости деформации при горячей обработке понижает пластичность металла, если скорость упрочнения при этом превышает скорость рекристаллизации.

С увеличением скорости деформации при холодной обработке давлением в обрабатываемом металле выделяется тепло, которое может вызывать развитие процесса разупрочнения и, следовательно, повысить пластичность металла.

При обработке давлением большое влияние на пластичность металла оказывает схема приложения усилий, т. е. схема напряженного состояния. Положительное влияние на пластичность оказывают сжимающие напряжения и отрицательное — растягивающие. При растяжении металла, когда напряжения достигают крити

ческого значения для данного металла, происходит разрушение его в местах присутствия микродефектов. И, наоборот, при сжатии происходит как бы их залечивание.

Проявление пластических свойств металла зависит не только от того, какие напряжения к нему приложены — растягивающие или сжимающие, но и от величины этих напряжений, которая определяется значением среднего (гидростатического) напряжения Р= (о1 + о2+о3)/3, где о1, о2, о3 — главные напряжения.

В зависимости от того, какие по величине и по знаку прикладываются к обрабатываемому материалу напряжения, он может находиться в хрупком или пластическом состоянии.

Например, в условиях всестороннего растяжения весьма пластичные материалы, как малоуглеродистая сталь, переходят в хрупкое состояние. С другой стороны, при всестороннем сжатии такие хрупкие по своей природе материалы, как песчаник и мрамор, могут обладать пластичностью, т. е.

устойчиво изменять свои форму и размеры без разрушения. Некоторые металлы (например, магний и его сплавы, ряд жаропрочных сплавов и др.) успешнее пластически деформируются тогда, когда более ярко проявляется схема всестороннего сжатия.

Поэтому на практике при обработке металлов давлением стремятся создать схему всестороннего сжатия, которая обеспечивает самую высокую пластичность.

Все металлы и сплавы по возможности деформироваться можно условно разделить на следующие категории пластичности: наивысшей (>0,8е); высокой (0,6—0,8)е; средней (0,4-0,6)е; пониженной (0,2-0,4)е; низкой (до 0,2е).

Подавляющее большинство применяемых в настоящее время промышленных сталей по своим пластическим свойствам относятся к категории высокой и даже наивысшей пластичности. К категории средней и высокой пластичности относится большинство легированных сталей.

Многие высоколегированные стали и сплавы обладают средней и в ряде случаев пониженной пластичностью.

Наряду с пластичностью важной технологической характеристикой является сопротивление металла деформации. При равных условиях деформации, чем выше сопротивление деформации того или иного металла или сплава, тем труднее его прокатывать. Стали, обладающие большим сопротивлением деформации, приходится

обрабатывать с меньшими обжатиями, используя при этом большие усилия, а значит, и более мощное оборудование.

Сопротивление деформации при обработке давлением зависит от химического состава, температуры, скорости и степени деформации. Температура является наиболее сильно действующим фактором.

Понижение сопротивления деформации с повышением температуры происходит немонотонно. При повышении температуры в металлах и сплавах могут происходить неодновременно во всех зернах физико-химические процессы.

Это приводит к тому, что появляются дополнительные напряжения между зернами, и соответственно, повышается сопротивление деформации.

Характер изменения сопротивления деформации при изменении температуры зависит от химического состава обрабатываемого сплава (металла). Как правило, легирующие примеси повышают сопротивление деформации.

При наклепе сопротивление деформации металлов повышается.

Это явление наблюдается при холодной прокатке у большинства металлов, за исключением свинца и олова, температура рекристаллизации которых не превышает комнатную температуру.

О влиянии наклепа на сопротивление деформации судят по изменению предела текучести металла в зависимости от обжатия в холодном состоянии, который с увеличением обжатия растет и при высоких обжатиях равен пределу прочности.

6. Схемы деформации и схемы напряженного состояния. Условия пластичности. Методы оценки пластичности

В процессе деформации тела в различных его точках Могут изменяться не только величина напряжений, но также и их направления, т. е. их знаки. Однако в ряде случаев можно принять, что для всех точек деформируемого тела схема главных напряжений одинакова и характеризует напряженное состояние деформируемого тела.

Схемы напряженного состояния представляют в виде элементарного кубика с указанием стрелками наличия и направления главных напряжений. Если на грани кубика действуют три взаимно перпендикулярных главных напряжения, то в этом случае тело находится в

объемном напряженном состоянии (О). Если одно из главных напряжений равно нулю, то тело имеет плоское напряженное состояние (П), а если два главных напряжения равны нулю, то линейное (Л). Всего имеется девять схем напряженного состояния, из которых четыре объемных, три плоских и две линейных (рис. 12, а).

Схемы, имеющие напряжения одного знака (минус— сжатие или плюс — растяжение), называют одноименными, а разных знаков — разноименными. Одноименных схем из девяти шесть: две линейные, две плоские и две объемные; а разноименных схем — три: одна плоская и две объемные.

Аналогично схеме главных напряжений введено понятие о схеме деформаций. Схемой деформаций называют графическое представление о наличии и знаке главных деформаций.

В отличие от схем напряженного состояния схем деформаций только три, так как главные деформации не могут быть одного знака, а схемы деформаций могут быть только разноименными.

Поэтому не может быть линейных схем деформации; имеются только одна плоская и две объемные схемы (рис. 12, б).

Влияние различных факторов на пластичность

2. Влияние химического состава стали

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 металлов и факторы, влияющие на нее

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.