Что такое холодная пластическая деформация

Виды пластической деформации.

Пластическая деформация металлов, виды и определения

Обработка металлов давлением это деформация. Многие помнят закон Гука из школьной программы. Так существует упругая и пластическая деформация. В нашем случае, поговорим о пластической. Как нас учил проф. д.т.н. Осадчий В.Я. на лекциях по теории обработки металлов давлением (ТОМД) на сегодняшний день подразделяют на:

При холодной деформации происходит упрочнение металла, при этом возврат и рекристализация не происходит. Иными словами при холодной деформации разупрочнение не происходит, а также не происходит залечивания нарушений внутри и межзеренных, так как не действуют механизмы термической пластичности. В результате холодной деформации прочность увеличивается, а пластичность и плотность уменьшаются, металл охрупчивается. При деформации металла с высокой степенью образуется текстура; происходит изменение физических свойств металла. Холодная происходит при температуре ниже чем 0.3 tпл.(температура плавления).

При деф-ции металлов на горячую разупрочняется с такой скоростью, при которой не происходит упрочнения в результате деформации. Металл уплотняется, литая структура разрушается, образуются новые рекристаллизованные равноосные зерна; нарушения границ зерен и блоков залечиваются в результате действия механизмов термической пластичности. Степень деформации и скорость деформации (извините за тавтологию, но сказать по другому не получается) оказывают существенное влияние. Так при малых скоростях, степенях деформации и при температуре 0,7 tпл. происходит горячая деф-ция металлов. Практически трудно создать условия для холодной и горячей обработки давлением в чистом виде.

Поэтому при обработке давлением металлов часто наблюдаются неполная холодная и неполная горячая деформации. Неполная холодная деф. подразумевает, что наряду с упрочнением происходит частичное разупрочнение в результате возврата, вызванного разогревом из-за выхода тепла. Для металла после неполной холодной деф. характерны свойства металла, получившего низкотемпературную обработку после холодной деформации. Для процесса неполной холодной деформации температура находится в пределе от 0.3 до 0.5 tпл. К неполной холодной деформации можно отнести так называемую теплую, при которой металл нагревают от внешних источников.

Теплая прокатка тонких листов и лент и теплое волочение применяют при обработке труднодеформируемых сплавов, имеющих сопротивление деф-ции и пониженную пластичность. Подогрев до невысоких температур при теплой, не вызывая окисления поверхности, что характерно для горячей, несколько снижает сопротивление деформации и, что очень важно, повышает пластичность из-за появления новых систем скольжения. В конечном итоге при неполной горячей деформации металлов рекристаллизация, разупрочнение проходят не полностью. Таким образом структура металла получается рекристаллизованной с наличием деформированной. Температура неполной горячей соответствует от 0.5 до 0.7 tпл.

Неполная горячая из-за неоднородности структуры приводит к пониженным механическим свойствам и поэтому нежелательна. Приведенные выше температурные интервалы видов деформации являются ориентировочными. Вид деформации зависит не только от температурного режима, но и от степени и скорости деформации. Так, при высокой степени и скорости при начальной температуре металла значительно ниже 0,3 tпл деф-ция получается неполной холодной. Для нее характерны частичное разупрочнение в результате большого выхода тепла из-за высокой степени деформации и малые потери тепла из-за высокой скорости деформации. Горячая деф-ция с высокими степенями и скоростями будет неполной, так как упрочнение в результате деформации происходит и при температурах выше 0,7 tпл.

Влияние степени и скорости деформации на упрочнение при деф-ции на горячую особенно сильно проявляется при обработке сплавов с пониженной скоростью и повышенной температурой рекристаллизации. Это характерно, например, для нержавеющих сталей аустенитного класса. Такие сплавы имеют высокое динамическое сопротивление деформации. Грамотным термомеханическим режимом при деформации на горячую необходимо добиваться отсутствия упрочнения и полной рекристаллизации в результате пластической деформации, но при данном процессе деформации упрочнение неизбежно.

Рассмотренные температурные условия разных видов деформации позволяют уточнить понятия «холодная и горячая деформации». Температурный интервал того или иного вида деформации зависит от температуры плавления. Принимать деф-цию без нагрева (при комнатной температуре) за холодную нельзя. Допустим, что происходит деф-ция олова, свинца и технического железа без нагрева при 25С. Определим сходственные (гомологические) температуры этих металлов при 25С, принимая температуру плавления олова 505К (232С), свинца 600К (327С) и железа 1800К (1530С). Тогда получаем сходственные температуры: для олова- 0,59 tпл, для свинца- 0,5 tпл, для железа это 0,165 tпл. Получается, что температура 25С для олова и свинца является горячей неполной деформации, а для железа (при малых степенях и скоростях деформации)- температурой холодной. Это подтверждают экспериментальные данные. Так, олово и свинец не наклепываются при обработке давлением при комнатной температуре. Скорость деф-ции оказывает существенное влияние на сопротивление деформации, т.е. олово и свинец ведут себя, как железо, при температуре от 0.5 до 0.6 tпл, равных 900-1080 К (630-810С).

Простые виды пластической деформации:

Делаем долго,дорого,качественно и очень красиво.
Евдокимов © 2010-2021.

Источник

Пластическая деформация материалов

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

Под термином «деформация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под влиянием напряжений — сил, которые действуют на единицу площади сечения заготовок или деталей. Деформация металла обусловлена:

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.

Твердые тела подвержены двум видам деформации:

В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже t_рек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

Источник

технология металлов

Сущность обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил

Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходную форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, а после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла.

Вопросы для самопроверки

1.В чем отличие пластической деформации от упругой?

2.Какие факторы влияют на степень пластической деформации?

3.В каких случаях используется закон постоянства объема?

4.На что оказывает влияние закон наименьшего сопротивления?

5.Какое влияние оказывает холодная пластическая деформация на структуру металла и на механические показатели?

6.Что такое температура рекристаллизации?

7.Какие процессы происходят при горячей пластической деформации?

8.Отличие неполной горячей деформации от полной?

9. Преимущества обработки металлов давлением по сравнению с другими технологическими процессами?

Изменение формы тела может происходить в направлении трех главных осей; при этом каждая точка стремится перемещаться в том направлении, в котором создается наименьшее сопротивление ее перемещению. Это положение в теории обработки металлов давлением носит название закона наименьшего сопротивления.

При свободном формоизменении тела в различных направлениях наибольшая деформация происходит в том направлении, в котором большинство перемещающихся точек встречает наименьшее сопротивление своему перемещению.

Так, например, если при прокатке в двух валках с поперечными насечками течение металла вдоль оси прокатки сдерживается, а в поперечном направлении увеличивается, то при круговых насечках будет наблюдаться обратное явление.

Другим примером действия закона наименьшего сопротивления может служить превращение квадратного сечения (или любого другого) образца при его осаживании в круговое. Это правило наименьшего периметра при осаживании.

Законы постоянства объема и наименьшего сопротивления распространяются на все способы обработки металлов давлением.

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствии поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования ( накопление дислокаций у границ зерен ).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. Так как в равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, появившиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явления зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Рекристаллизация протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации, наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т.д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. ‘Гак, например, в результате возврата значительно повышается электрическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения. Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации). Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок-малых размеров (малой толщины) трудно выдержать необходимые температурные условия ввиду быстрого их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструментом.

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

Влияние холодной деформации на свойства металла можно использовать для получения наилучших эксплуатационных свойств деталей, а управление изменением свойств в требуемом направлении и на желаемую величину может быть достигнуто выбором рационального сочетания холодной и горячей деформации, а также числа и режимов термических обработок в процессе изготовления детали.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных размеров и форм), кроме того, в нем имеется пористость, газовые пузыри и т.п. Обработка давлением слитка при нагреве его до достаточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристаллитов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение, т.е. размеры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы по всем направлениям (равноосная структура).

Если слиток загрязнен неметаллическими включениями, обычно распологающимися по границам кристаллитов, то в результате обработки давлением неметаллические включения вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла.

Полученные в результате обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя в зависимости от характера деформирования может изменить лишь направление и форму волокон макроструктуры.

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характеризуется анизотропией (векториальностью) механических свойств. При этом характеристики прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.) в разных направлениях отличаются незначительно, а характеристики пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их.

Так как направление волокон зависит от характера деформирования заготовки, то в готовой детали желательно получить такое расположение волокон, при котором она имела бы наилучшие свойства. При этом общие рекомендации следующие; необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент этой детали работает на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по касательной и не перерезались наружными поверхностями детали.

Выполнение этих требований не только повышает надежность детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные характеристики, например сопротивление истиранию.

При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис.4.1,г) из отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиальное направление. В этом случае все зубья равнопрочны, а наибольшие растягивающие напряжения, возникающие при изгибе, направлены почти вдоль волокон.

Рис. 4.1. Макроструктура металла после обработки давлением

Источник