Адрес этой страницы' ?>

Оглавление книги Предыдущая Следующая

ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

3.1. Понятие о физической сущности пластической деформации.

Пластической называют такую деформацию, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры.

На рис. 3.1, а показан простейший случай деформации растяжением металлического стержня. В сечении I-I, перпендикулярном действующей силе Р, возникает нормальное напряжение σ₁ =P/F₁ где F₁ — площадь поперечного сечения образца в плоскости I—I.

Для определения нормального и касательного напряжений разложим силу Р на составляющие, действующие в наклонном сечении II-II, расположенном под углом α к сечению I-I: нормальную N=P cos α и касательную T=Р * sin α.

Площадь наклонного сечения F_α = F₁ / cos α.

Определим нормальное σ_n и касательное (сдвигающее) τ напряжения на наклонной площадке:

σ_n =N/F_α = (Р cos α * cos α) /F₁ = σ₁ * cos²α;

τ = T/F_α = (Р sin α * cos α) /F₁ = σ₁ * sin 2α/2.

Из этих формул можно сделать вывод, что максимальное касательное (сдвигающее) напряжение всегда возникает в площадках, наклоненных к оси образца под углом α =45°, т. е. τ _max = σ₁/2, a максимальное нормальное - при α =0, т. е. σ _{n max} =σ₁.

Рис. 3.1. Схемы линейного (а) и плоского (б) напряженного состояния при растяжении стержня

Пластическая деформация металла стержня начинается лишь в том случае, когда сдвигающее касательное напряжение достигает значения, равного половине напряжения текучести σ_т, которое определяется природой металла, температурно-скоростными режимами деформации, а также условиями предварительной деформации и термообработки.

В случае линейного напряженного состояния в условиях одноосного растяжения (см. рис. 3.1, а) пластическая деформация начнется в том случае, когда нормальное напряжение достигнет значения напряжения текучести, т. е. σ₁ =σ_т.

В реальных процессах обработки металлов давлением схема напряженного состояния более сложная (плоская или объемная). При действии на плоский образец растягивающих или сжимающих усилий возникает плоское напряженное состояние (рис. 3.1, б): на образец действуют в двух взаимно перпендикулярных направлениях главные напряжения σ₁, и σ₂. (Главными называют нормальные напряжения в площадках, где касательные напряжения отсутствуют или равны нулю.) Максимальное касательное напряжение возникает в площадке mn, которая расположена под углом α₁ =45° к направлению действия напряжения σ₁; τ_max = (σ₁ - σ₂)/2.

При плоском напряженном состоянии пластическая деформация начнется, когда максимальное касательное напряжение, равное в этом случае (σ₁ - σ₂)/2, достигнет значения σ_т/2, где σ_т — напряжение текучести металла при линейном напряженном состоянии, или, что то же самое, пластическое состояние тела наступит при условии σ₁ - σ₂ = σ_т.

Таким образом, условием пластичности называют соотношение между напряжениями, возникающими в теле под действием внешней нагрузки, и характеристиками механических (прочностных) свойств металла при данных температурно-скоростных условиях деформирования, определяющее момент перехода тела из упругого состояния в пластическое. В качестве характеристики механических свойств принимают напряжение текучести σ_т, т. е. истинное напряжение, соответствующее данному моменту пластического деформирования. В отдельных случаях возможно использование и условных напряжений: предела текучести σ_0,2 при холодном деформировании и временного сопротивления разрыву σ_в — при горячем, поскольку значения σ_т и σ_в при высоких температурах различаются незначительно.

Для определения истинного напряжения текучести проводят специальные испытания, например на осадку высоких (отношение высоты к диаметру больше единицы) образцов в условиях, близких к линейному напряженному состоянию (хорошая смазка, специальные бойки).

Рис. 3.2. Схемы пластической деформации кристаллита скольжением (а) и двойникованием (б)

Рис. 3.3. Схема перемещения атомов при движении дислокации на одно межатомное расстояние

Рис. 3.4. Схемы развития пластической деформации поликристалла

Пластическая деформация может осуществляться двумя различными путями.

Скольжение (рис. 3.2, а) - смещение одной части кристаллита (зерна) относительно другой. (По ряду причин, связанных с кристаллизацией, в поликристаллическом металле отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом металле называются кристаллитами или зернами.) Плоскость I-I, по которой происходит этот сдвиг, называется плоскостью скольжения. В кристаллической решетке скольжение происходит по плоскостям с наибольшей плотностью расположения атомов.

Двойникование (рис. 3.2, б) - смещение части кристаллита относительно плоскости двойникования II-II в положение зеркального отображения. После двойникования части кристаллита расположены симметрично относительно плоскости двойникования. Преобладание того или иного механизма деформации зависит от природы металла, а также от условий деформирования (температуры и скорости).

В решетках кристаллитов всегда имеются различные дефекты:

точечные — в узлах решетки или отсутствуют некоторые атомы, или между имеющимися атомами размещаются атомы внедрения;

линейные (дислокации) - в решетке отсутствует ряд атомов, расположенных на одной линии.

Пластическая деформация осуществляется за счет перемещения дислокаций вдоль плоскости скольжения путем последовательного передвижения друг за другом атомных рядов (рис. 3.3). В результате верхняя часть кристаллита смещается относительно нижней на одно межатомное расстояние. Следующий дефект вызовет перемещение части кристаллита еще на одно межатомное расстояние и т. д. Такое движение линейных дислокаций вдоль плоскости скольжения обеспечивает протекание пластической деформации под влиянием напряжений меньшей величины, чем потребовалось бы для деформации кристаллита при отсутствии дислокаций.

В металлах, имеющих поликристаллическое строение, пластическая деформация имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией отдельно взятого зерна или монокристалла, так как зерна в металле имеют различную ориентировку; в структуре металла всегда имеются микропоры, неметаллические включения и другие дефекты; деформирование каждого зерна ограничено влиянием соседних зерен.

Вначале пластическая деформация начинается в отдельных зернах 1,2, 3, 4 (рис. 3.4, а), плоскости скольжения которых ориентированы под углом 45° к направлению усилия и совпадают с направлением максимальных касательных напряжений. Одновременно происходят поворот и скольжение новых зерен в положение, благоприятное для деформирования (рис. 3.4, б), и они вытягиваются в направлении интенсивного течения металла (рис. 3.4, в). С дальнейшим увеличением нагрузки и возрастанием касательных напряжений пластическая деформация охватывает и другие зерна, плоскости скольжения в которых ориентированы под углом 45° к действующему усилию.

При холодной обработке давлением, осуществляемой обычно при комнатной температуре, преобладает внутризеренная, а при горячей — межзеренная деформация. Объясняется это тем, что в нагретом металле зерна прочнее, чем их границы. Механизмы холодной и горячей обработки давлением имеют существенные различия, которые отражаются на структуре и свойствах металла (см. § 3.5).