Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра материаловедения и технологии металлов

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ОБРАБОТКА

МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Технология конструкционных материалов» для студентов технологических специальностей

Минск 2012

2

УДК 621.74(075.8) ББК 34.61я73

Л64 Рассмотрены и рекомендованы редакционно-издательским со-

ветом университета.

Составители: Д. В. Куис, П. В. Рудак

Рецензент кандидат технических наук, заведующий кафедрой деталей машин

и подъемно-транспортных устройств БГТУ, доцент С. Е. Бельский

По тематическому плану изданий учебно-методической литерату-ры университета на 2012 год. Поз. 37.

Для студентов технологических специальностей.

© УО «Белорусский государственный технологический университет», 2012

19

Лабораторная работа № 2 ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Цель работы: изучить теоретические основы пластической де-формации и основы теории обработки металлов давлением.

Общие сведения

Обработка металлов давлением (ОМД) основана на способности

металлов и сплавов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних сил за счет пластической деформации.

Обработка металлов давлением характеризуется следующими достоинствами:

– использование практически всего объема металла заготовки значительно сокращает количество отходов;

– в результате того, что форма и размеры заготовки могут изме-ниться уже после однократного приложения усилия, с применением такой обработки существенно увеличивается производительность труда;

– изменяются физико-механические свойства металла, что позво-ляет получить детали с лучшими эксплуатационными свойствами, та-кими как высокая прочность, жесткость, износостойкость и т. д., но при этом с меньшей массой;

– возможность изготовления деталей различной формы размерами от миллиметров до нескольких метров;

– высокая точность обработки; – высокое качество обработанной поверхности. О широких возможностях этой технологии говорит то, что около

90% выплавляемой стали на разных этапах производства подвергается обработке давлением. Широко применяется метод и для обработки цветных металлов и сплавов (около 55%).

Номенклатура изделий, получаемых ОМД: кузова автомобилей, лонжероны, кабины, картеры, шатуны, клапаны ДВС, коленчатые ва-лы, трубки, крышки, а также прокат, проволока, метизы и др.

Процессы обработки давлением принято разделять на шесть ви-дов: прокатка, прессование, волочение, свободная ковка, объемная и листовая штамповка, схемы которых приведены на рис. 2.1.

20

Рис. 2.1. Схемы обработки материалов давлением: а – при продольной прокатке; б – при прессовании; в – при волочении; д – при объемной штамповке;

е – при листовой штамповке: 1, 2 – валки; 3 – заготовка; 4, 11 – пуансоны; 5, 12 – матрицы; 6 – волока; 7 – клещи;

8, 9 – подвижный и неподвижный бойки; 10 – полость; 13 – изделие

Среди приведенных выше способов ОМД прокатка занимает ве-

дущую роль. Примерно 80% всего выплавляемого металла проходит через прокатные станы, полученные заготовки и сортамент использу-ют в строительстве, машиностроении, а также для других видов обра-ботки, таких как:

– ковка – исходный материал заготовки – прокат круглого или прямоугольного сечения;

– штамповка – лист или лента; – волочение – катанка, получаемая на проволочных станах; – обработка резанием – прокат круглого, прямоугольного сечения

или лист. Производство изделий из металлов и сплавов основывается на

теории обработки металлов давлением, являющейся базой разработки

1

2 3

3

3

9

10

11 12

13

а

6 7

б

в

г

д

е

8

3

5

4

9

8

21

технологических операций получения изделий, проектирования, экс-плуатации оборудования.

Основным понятием теории ОМД является деформация. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под

воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую).

Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т. е. тело восстанавливает свою первоначальную фор-му. Пластическая деформация остается после снятия внешней нагруз-ки (тело не полностью восстанавливает первоначальную форму и разме-ры). Пластическая деформация возникает тогда, когда напряжения, вы-зываемые действием внешних сил, превосходят предел текучести.

Пластичность металлов и сплавов зависит от многих факторов, в том числе от типа кристаллической решетки, определяемого формой элементарного геометрического тела, многократное повторение кото-рого по трем пространственным осям и образует решетку кристалли-ческого тела.

Основными типами кристаллических решеток являются (рис. 2.2): – объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (рис. 2.1, а), атомы

располагаются в вершинах куба и в его центре (αFe, Cr, W, Mo, Ti, V); – гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис. 2.1, б), атомы рас-

полагаются в вершинах куба и по центру каждой из шести граней (γFe, Ni, Al, Cu, Ag, Au);

– гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник (рис. 2.1, в): простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру двух оснований (углерод в виде графита); плотноупакованная (ГПУ) – имеется три дополнительных атома в средней плоскости (Zn).

Металлы с кристаллической решеткой ОЦК и ГЦК обладают лучшей пластичностью по сравнению с металлами, имеющими гекса-гональную кристаллическую решетку. Это объясняется наличием раз-личного числа плоскостей скольжения: в ОЦК – 14, в ГЦК – 4, в гек-сагональной – 2.

С повышением температуры появляются дополнительные плоско-сти скольжения, т. е. способность к пластической деформации повы-шается. Металлы с гексагональной кристаллической решеткой под-вергаются только горячей обработке.

Пластическая деформация сопровождается смещением одной час-ти кристалла относительно другой на расстояния, значительно пре-вышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

22

Рис. 2.2. Типы кристаллических решеток металлов: а – объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная Природу деформации обычно изучают на примере монокристалла. Пластическая деформация монокристалла может протекать по

двум схемам, представленным ниже: скольжением (рис. 2.3, а) и двой-никованием (рис. 2.3, б).

а б

Рис. 2.3. Типы пластической деформации: а – скольжением; б – двойникованием

При двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла от-

носительно другой с последующим поворотом частей кристалла. Сдвиг происходит в плоскости, называемой плоскостью двойникования.

При деформации путем скольжения одна часть кристалла пере-мещается в определенном направлении относительно другой вдоль плоскости скольжения. При этом способе имеют значения дислока-ции – дефекты в кристаллической решетке.

При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных свя-зей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Меха-низм пластической деформации, основанный на скольжении дислока-

Плоскость скольжения

Плоскость двойникования

а б в

23

ций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на кото-ром специально сделана складка (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема пластической деформации скольжением дислокаций: а – складка ковра в качестве модели скольжения

(АА' – начальное положение, ВВ' – конечное положение); б – перемещение дислокации при скольжении; в – смещение атомов вблизи ядра дислокации

Перемещение складки, требующее сравнительно небольших

усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направле-нии. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Понятной является и аналогия с движением дождево-го червя.

Дислокации смещаются последовательно микроскачками, что ве-дет к образованию новых дислокаций. Увеличение плотности дисло-каций затрудняет дальнейшее скольжение. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению металла.

Наклеп и рекристаллизация. Наклеп – упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением. Поскольку пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций, то очевидно, что пла-стичность должна зависеть от количества дислокаций (рис. 2.5).

Точка 1 соответствует теоретической (максимальной) прочности металла, обусловленной необходимостью одновременного разрыва всех межатомных связей, проходящих через плоскость сдвига, в слу-чае отсутствия дислокаций. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5–20,0 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа σв = 13 000 МПа, для меди σв = 30 000 МПа.

Экстра- плоскость

Ядро

дислокации

Плоскость скольжения

Напряжение →

Напряжение →

а

б

в

24

Рис. 2.5. Зависимость прочности металлов от плотности дислокаций (кривая Одинга):

1 – идеальный кристалл без дефектов; 2 – нитевидные кристаллы («усы»);

3 – реальные поликристаллические материалы; 4 – деформированные поликристаллические

материалы

Наибольшая пластичность (и наименьшая прочность) характерна для реальных кристаллов (рис. 2.5, область 3) при равновесной плот-ности дислокаций 106–107 см–2.

Изменение количества несовершенств кристаллического строения в ту или иную сторону приводит к затруднению пластической дефор-мации и увеличению прочности. В процессе холодной пластической деформации происходит значительное увеличение плотности дисло-каций (до 1010–1012 см–2) и, как следствие, упрочнение (наклеп) (рис. 2.5, область 4).

Величина пластической деформации не безгранична, при опреде-ленных ее значениях может начинаться разрушение металла. Пласти-ческая деформация сопровождается также возрастанием электросо-противления, уменьшением пластичности, коррозионной стойкости, теплопроводности, магнитной проницаемости. В процессе деформа-ции зерна металла вытягиваются вдоль приложения нагрузки. При этом возникает так называемая текстура деформации (рис. 2.6).

Наклеп широко применяют на практике для повышения прочно-сти металлов. Во многих случаях необходимо поверхностное упроч-нение, тогда для увеличения твердости, предела прочности, выносли-

3

4

Плотность дислокаций

Характеристики пластичности

2

1

25

вости осуществляют поверхностный наклеп (обкатка роликами, обра-ботка стальной дробью, алмазное выглаживание).

Рис. 2.6. Микроструктура металла при различных величинах степени деформации ε, %

Однако при холодной обработке давлением (прокатка, волочение,

штамповка) следует учитывать и отрицательное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформирования затрудняет его дальнейшую обработку.

Кроме того, упрочняющий эффект пластической деформации проявляется до определенного предела, переход через который ведет к образованию на поверхности металла трещин, являющихся в даль-нейшем причиной его хрупкого разрушения. Это явление называют перенаклепом – в технике оно недопустимо. Именно явление перена-клепа препятствует осуществлению единовременной глубокой пла-стической деформации при ОМД. Нужная степень деформации дости-гается за несколько операций. При этом после каждой операции заго-товку подвергают рекристаллизационному отжигу.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться. При рекристал-лизации протекает процесс зарождения и роста новых зерен с неиска-женной кристаллической решеткой, снимаются внутренние напряже-ния и восстанавливаются исходные свойства металла. Это происходит при нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Темпе-ратура рекристаллизации Трекр металла или сплава связана с его тем-пературой плавления Тпл и может быть приближенно рассчитана по формуле А. А. Бочвара: Трекр ≈ 0,4 · Тпл.

Этот температурный порог позволяет классифицировать ОМД на холодную и горячую.

Холодной деформацией называют обработку давлением при тем-пературах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной

ε = 90% ε = 40% ε = 1% ε = 0%

26

деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направле-нии действующей силы (образуется текстура деформации).

Горячей деформацией называют обработку давлением при тем-пературах выше температуры начала рекристаллизации. В этом случае одновременно с деформацией происходит рекристаллизация металла: деформированные зерна практически мгновенно заменяются новыми, равноосными (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема изменения структуры металла при деформации

и рекристаллизации Высокая пластичность, низкая твердость и прочность сохраняют-

ся в течение всего процесса деформации. Наклепа не происходит. При обработке металлов давлением принимают, что объем тела в

процессе пластической деформации остается постоянным. Это дает возможность связать размеры тела до деформации с размерами тела после нее.

Деформация тела при ОМД характеризуется абсолютными и от-носительными показателями деформации.

Абсолютная деформация определяется по разности конечного и исходного размеров:

∆h = h0 – h1 – абсолютное обжатие, мм, где h0, h1 – соответственно начальная и конечная высота заготовки;

∆b = b1 – b0 – абсолютное уширение, мм, где b0, b1 – соответствен-но начальная и конечная ширина заготовки;

∆l = l1 – l0 – абсолютное удлинение, мм, где l0, l1 – соответственно начальная и конечная длина заготовки.

Кристаллическая структура

Микроструктура

До деформации

Пластически деформированный

металл

После рекристаллизации

27

Относительные показатели деформации – относительное удлине-ние δ и относительное сужение ψ, формулы для расчетов приведены ниже.

Относительное удлинение:

1 0

0δ 100%l l

l−

= ⋅ ,

где l0, l1 – соответственно начальная и конечная длина заготовки. Относительное сужение:

н к

н100%F F

F−ψ = ⋅ ,

где Fн, Fк – площади поперечных сечений заготовки, соответственно начальная (до деформации) и конечная (после деформации).

Контрольные вопросы

1. На каком явлении основана обработка металлов давлением? 2. Чем пластическая деформация отличается от упругой? 3. Каковы достоинства и недостатки обработки материалов дав-

лением? 4. Насколько широко применяется ОМД? Приведите примеры

изделий, получаемых с применением ОМД. 5. Какие виды ОМД Вам известны? Какой метод ОМД наиболее

распространен? 6. Какое явление называется наклепом? Какие свойства материа-

ла при этом изменяются? Как изменяется микроструктура металла при различных величинах степени деформации?

7. Чем отличается идеальный кристалл без дефектов от нитевид-ных кристаллов («усов»), реальных поликристаллических материалов и деформированных поликристаллических материалов?

8. Какой вид имеет зависимость прочности металлов от плотности дислокаций (кривая Одинга)? Охарактеризуйте области кривой Одинга.

9. Что такое рекристаллизационный отжиг и когда его применяют? 10. Как связаны температура рекристаллизации металла или

сплава с его температурой плавления? 11. В чем отличие холодной ОМД от горячей? 12. Какие абсолютные и относительные показатели деформации

Вам известны?