Раздел 3. Обработка металлов давлением

3.1. Общие сведения

Обработкой металлов давлением называют ряд технологических процессов получения изделий за счет необратимого изменения формы и размеров заготовки в результате воздействия на нее внешних сил. Формообразование изделия осуществляется без нарушения его целостности, за счет пластического перераспределения объема заготовки. Таким образом, обработка металлов давлением основана на использовании одного из основных механических свойств металлов - пластичности.

Обработка металлов давлением является одним из способов получения заготовок в машиностроении. В ряде случаев таким методом изготавливают и готовые изделия.

3.1.1. Физические основы пластической деформации

Как известно, все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В этом случае атомы под действием сил межатомного взаимодействия располагаются в пространстве упорядоченно, образуя кристаллические решетки. Расстояния между атомами называют параметрами решеток. Численные значения параметров для одного и того же металла зависят только от внешних условий. С изменением температуры или давления параметры решеток изменяются. Силы взаимосвязи атомов противодействуют внешним силам, и поэтому твердое тело сохраняет свою форму и оказывает сопротивление деформированию.

При обработке металлов давлением под действием избыточных внешних сил заготовка изменяет форму и размеры, т.е. деформируется. Если силы невелики, происходит упругая деформация, при которой атомы металла смещаются от положений устойчивого равновесия на малые расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки атомы вследствие межатомного взаимодействия возвращаются в исходные положения устойчивого равновесия. Форма тела полностью восстанавливается, и никаких остаточных изменений в металле не происходит.

Увеличение внешней нагрузки ведет к смещению атомов от положений устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия, поэтому форма тела не восстанавливается. Такое необратимое изменение формы тела называется пластической деформацией.Способность металла подвергаться пластической деформации называетсяпластичностью.Количественно пластичность характеризуется значением максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность не является постоянной характеристикой металла, так как в значительной степени зависит от его химического состава и условий деформирования (температуры, скорости деформирования и схемы нагружения). С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла. Повышение же скорости деформирования снижает пластичность, однако при очень высоких скоростях (соизмеримых с взрывом) для многих металлов допустима чрезвычайно большая степень деформирования, при которой не происходит разрушения. Схема нагружения металла заготовки в процессе обработки давлением также влияет на его пластические свойства. Поэтому при одном виде обработке давлением металл проявляет бόльшую способность к пластическому деформированию, чем при другом. Наиболее эффективна с точки зрения повышения пластичности схема нагружения, создающая всестороннее неравномерное сжатие заготовки.

О

Рис. 3.1. Схема механизма пластической деформации скольжением

бщая пластическая деформация поликристаллического тела складывается из деформаций двух видов - внутрикристаллитной и межкристаллитной.

При внутрикристаллитной деформациипластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счетскольженияодних тонких атомных слоев кристаллита относительно других (рис. 3.1). Смещения совершаются по кристаллографическим плоскостям (а - а), наиболее плотно упакованным атомами, и называемым плоскостями скольжения.

Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь по тем плоскостям, направление которых составляет 45° по отношению к направлению действия усилия сжатия Р.На рис. 3.2,апоказан образец, в котором деформация за счет скольжения будет происходить прежде всего в зернах 1-5, плоскости скольжения которых расположены под у

Рис. 3.2. Структурные преобразования кристаллита:

1-5 - зерна металла,

а - поликристаллическое строение металла, б - межкристаллическая деформация, в - вытянутая форма деформированных кристаллов

глом 45° к действию приложенной нагрузки -Р.

В

Рис. 3.3. Схема механизма пластической деформации двойникованием

результате пластической деформации зерна поликристалла поворачиваются и перемешаются относительно друг друга - происходитмежкристаллитная деформация(рис. 3.2,б).При этом все большее число зерен ориентируется таким образом, что в них интенсивно развивается пластическая деформация за счет скольжения и происходит пластическая деформация всего объема тела. При больших ориентированных в определенном направлении деформациях металл приобретает вытянутую форму (рис. 3.2,в). Такая структура называетсястрочечной,илиполосчатой, так как кристаллиты вытягиваются в направлении деформаций, образуя текстуру. Это вызываетанизотропию(неравенство) механических свойств в различных направлениях. Металл при этом приобретает волокнистое строение, которое наблюдается в виде тонких полос, представляющих собой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей.

При деформировании металла его пластическая деформация может развиваться не только за счет скольжения, но и за счет двойникования. Это происходит при действии на металл ударных нагрузок и характерно для металлов с ромбической и тетрагональной решеткой. Процесс двойникованиясостоит в смещении группы атомов относительно плоскости, называемой плоскостью двойникованияа — а(рис. 3.3),в результате которого часть кристаллита занимает положение зеркального отражения его недеформированной части.

В зависимости от условий деформирования для каждого металла при вполне определенной максимальной пластической деформации связи между атомами нарушаются, в металле возникают микротрещины и микропоры, которые развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Величина этой деформации характеризует пластичность металла и определяется путем проведения испытаний.