Влияние различных факторов на пластичность и сопротивление деформированию
Пластичность и сопротивление деформированию не являются постоянными характеристиками металла, они зависят от температуры обработки, степени и скорости деформации, напряженного состояния металла и др.
Влияние температуры. В предыдущем параграфе было установлено, что холодная пластическая деформация ведет к упрочнению обрабатываемого металла. На рис. 9 представлены графики влияния степени холодной деформации на характеристики низкоуглеродистой стали. Из графиков видно, что уже при деформации 20% наблюдается снижение пластичности в 2,5 - 3 раза, увеличение твердости и прочности в 1,5 раза. Следовательно, в холодном состоянии из этой стали нельзя получить поковки сложной формы, так как металл при деформировании будет разрушаться по причине низкой пластичности. Для увеличения пластичности обрабатываемые металлы нагревают. Температура оказывает наибольшее влияние на пластичность и сопротивление деформированию.
При повышении температуры деформирования с 0 до 300'С сопротивление обработке несколько увеличивается (рис. 10), а затем резко уменьшается с 760 до 10 МПа при температуре 1200'С, т. е. уменьшается почти в 76 раз. Наоборот, пластичность этой стали при повышении температуры от 0 до 300'С сначала уменьшается, затем до температуры около 800' С резко увеличивается, потом незначительно падает, а при дальнейшем увеличении температуры снова увеличивается. Явление снижения пластичности при 300' С называется, синеломкостью, а при температуре 800'С - красноломкостью. Синеломкость объясняют выпадением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения, которые увеличивают сопротивление деформированию и уменьшают пластичность. Красноломкость появляется из-за образования в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью.
Влияние степени и скорости деформации. При деформировании практически можно считать, что с увеличением степени и скорости деформации пластичность уменьшается, а сопротивление деформированию растет.
Степень и скорость деформации одновременно оказывают на металл как упрочняющее, так и разупрочняющее действие. Так, увеличение степени деформации, с одной стороны, увеличивает наклеп металла, но с другой стороны, уменьшая температуру ре-кристаллизации, интенсифицирует процесс рекристаллизации и ведет к разупрочнению металла. По этой причине при горячей пластической деформации увеличение степени деформации до 20 - 30% влечет за собой увеличение сопротивления деформированию до 25 - 30%. Дальнейшее увеличение степени деформации практически не оказывает влияния на сопротивление деформированию, но даже несколько его снижает. Увеличение скорости деформации уменьшает время протекания процесса рекристаллизации и, следовательно, увеличивает упрочнение. С другой стороны, увеличение скорости деформации увеличивает количество теплоты, выделяющегося в металле в момент деформирования, которая не успевает рассеяться в окружающую среду и вызывает дополнительный нагрев металла. Увеличение температуры сопровождается снижением сопротивления металла деформированию.
При обработке давлением в холодном состоянии в интервале небольших скоростей деформации увеличение последней ведет к увеличению сопротивления деформированию. В области больших скоростей с увеличением скорости деформации (для низкоуглеродистой стали) уменьшается и сопротивление деформированию. При деформировании этой стали при низкой температуре (200' С, кривая 1 - рис. 11) с увеличением скорости в сопротивление деформированию уменьшается, так как металл несколько нагревается. При дальнейшем увеличении скорости (более ε· = 1 1/с) сопротивление увеличивается. По-другому ведет себя металл при температуре 400' С (кривая 3). С увеличением скорости деформации ε· до 1 1/с сопротивление деформированию растет, а при скоростях выше ε· = 50 1/с - падает. При обработке давлением металла при более высоких температурах (600'С - 1200'С, кривые 2, 4, 5) теплота, выделившаяся в металле, не вызывает существенного увеличения его температуры и поэтому увеличение скорости деформации ведет к увеличению сопротивления деформированию.
Влияние схемы напряженного состояния. Схема напряженного состояния оказывает существенное влияние на пластичность, сопротивление деформированию и полное усилие обработки давлением. Чем выше в деформируемом металле растягивающие напряжения, тем больше снижается его пластичность и тем вероятнее появление в нем трещин. Поэтому стремятся так обрабатывать металл, чтобы в нем возникали сжимающие напряжения и отсутствовали растягивающие. Так, металл имеет наименьшую пластичность в условиях деформирования по схеме линейного растяжения (см. рис. 6, б и рис. 7, 1) и наибольшую - по схеме всестороннего неравномерного сжатия (рис. 7, 3 и рис. 12, в). Установлено, что сплавы, непластичные в условиях одноосного растяжения, пластически деформируются в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Чугун, например, при растяжении или открытой осадке (см. рис. б, а) практически не деформируется, тогда как его можно подвергнуть значительным деформациям путем выдавливания с противодавлением по схеме, приведенной на рис. 12, в.
Знание схем напряженного состояния имеет большое практическое значение. При ковке высоколегированных сталей на плоских бойках (см. рис. 6, а) на бочкообразной поверхности заготовки появляются трещины. Объясняется это тем, что в этой зоне напряженное состояние металла характеризуется наличием растягивающего напряжения σ₃. Если эту заготовку осаживать в оправке (рис. 12, а) или в вырезных бойках (рис. 12, б), то схема напряженного состояния металла будет соответствовать схеме всестороннего сжатия и трещины образовываться не будут.
В современном кузнечно-штамповочном производстве заготовки деталей из некоторых жаропрочных сплавов получают только выдавливанием, так как при других процессах (например, гибка, осадка) эти заготовки разрушаются.
Влияние легирующих элементов и примесей. Примеси, как правило, снижают пластичность сплавов. Растворимые в металле примеси оказывают меньшее влияние, нерастворимые - большее. Особо опасными с точки зрения снижения пластичности являются примеси, выпадающие в сплаве по границам зерен и образующие хрупкую сетку. В сталях наиболее вредными являются примеси серы и фосфора. Сера, образуя легкоплавкие соединения, снижает пластичность при повышенных температурах и приводит к явлению красноломкости. Фосфор, наоборот, искажая кристаллическую структуру железа, приводит к хрупкости при низких температурах, т. е. к синеломкости. В качественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,020 - 0,015%.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют стали с повышенным содержанием никеля, вольфрама, хрома, титана и др. Эти легирующие добавки, однако, увеличивают сопротивление деформированию сталей, затрудняя их обработку давлением.
