Методичка (МУ - Физические основы пластической деформации), страница 9

7.2. Объемная диаграмма рекристаллизации

Размеры зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависят от температуры Т⁰, степени  и скорости v_d деформации. Величина зерна зависит также от времени выдержки металла при температуре выше Т_рекр..

На рис. 53 представлена объемная диаграмма рекристаллизации, показывающая размер зерна в зависимости от температуры и степени деформации.

Из диаграммы видно, что размер зерна уменьшается с увеличением степени деформации и увеличивается с увеличением температуры.

Особенностью процесса рекристаллизации является наличие критической степени деформации (не более 8-10 %), при которой наблюдается резкий рост размеров рекристаллизованных зерен, причем с повышением температуры критическая степень деформации уменьшается.

Это явление объясняется тем, что при малых степенях деформации рекристаллизация происходит в результате внутрикристаллитных процессов без нарушения оболочки зерен и межкристаллитного вещества. Вследствие этого увеличение размеров зерен затруднено.

При критических степенях деформации число центров кристаллизации остается небольшим, а межкристаллитное вещество частично разрушается, в результате чего соседние кристаллиты соприкасаются между собой и срастаются в крупные зерна. Дальнейшее повышение степени деформации приводит к увеличению числа центров кристаллизации, а, следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что при данном объеме тела влечет за собой уменьшение размеров зерен.

С увеличением температуры прочность межкристаллитного вещества все более уменьшается, и непосредственное соприкосновение кристаллитов происходит при все более малых степенях деформации. Этим объясняется то, что с повышением температуры критическая степень деформации смещается к началу координат.

Что касается относительного роста зерна с увеличением температуры при всех степенях деформации, то это объясняется тем, что с увеличением

температуры увеличиваются подвижность атомов и возможность их перехода от деформированных к новым равноосным зернам.

Рост новообразованных равноосных зерен происходит не только за счет слияния нескольких мелких зерен в одно крупное, но и за счет перехода атомов одного зерна через границу раздела к другому зерну. Причем на одном участке зерно может расти за счет другого зерна, а на другом участке поглощаться другим соседним зерном.

В результате рекристаллизационного отжига (вид термообработки поковок) металл, имеющий текстуру деформации, меняет ее на текстуру рекристаллизации, при которой равноосные рекристаллизованные зерна имеют одинаковые направления кристаллографических осей в пространстве. Это объясняется преимущественной ориентировкой кристаллографических осей у зародышей зерен.

Величина зерна в конечном продукте играет существенную роль в части механических свойств металла. Мелкозернистая структура повышает механическую прочность, усталость и ударную вязкость металла. Поэтому при пластическом деформировании и последующей термообработке необходимо выбирать такие режимы обработки, при которых образовывалась бы мелкозернистая структура.

1. Виды деформации при обработке давлением

Упрочнение (наклеп) и разупрочнение (рекристаллизация) при обработке давлением идут во времени с определенными скоростями. В зависимости от того, какой процесс будет преобладающим, результат деформации будет различным.

По С.И. Губкину различают холодную, неполную холодную, неполную горячую и горячую пластические деформации.

Холодную деформацию проводят при температурах ниже температуры возврата, она сопровождается упрочнением и изменением структуры металла. Возврат и рекристаллизация полностью отсутствуют.

Неполную холодную деформацию проводят при температурах возврата - (0,25-0,3) Т_пл. Рекристаллизация отсутствует, но процесс возврата (снятие напряжений) успевает произойти. Ресурс пластичности у металла выше, а упрочнение практически соответствует упрочнению при холодной обработке.

Неполную горячую деформацию проводят при температурах, близких к температуре начала рекристаллизации (0,4 Т_пл). Рекристаллизация протекает неполностью. Металл одновременно содержит два типа микроструктур, в поковке наряду с упрочненными деформированными зернами имеются разупрочненные рекристаллизованные. Это приводит к неравномерности деформаций при обработке.

Горячая деформация проводится при температурах выше температуры рекристаллизации. Рекристаллизация успевает произойти полностью, т.е. деформированные искаженные зерна полностью заменяются на новые равноосные зерна. В результате металл получает полностью рекристаллизованную равноосную структуру без каких либо следов упрочнения.

Горячая обработка имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с холодной.

Основные преимущества состоят в следующем.

1. Меньшая опасность разрушения. Благодаря процессу рекристаллизации становится возможным весьма значительное пластическое формоизменениезаготовки до наступления разрушения. Существует ряд металлов (цинк, вольфрам, молибден и др.), которые ввиду чрезмерной хрупкости в холодном состоянии возможно обрабатывать только в горячем состоянии.

2. Возможность применения оборудования меньшей мощности, т. к. в горячем состоянии отсутствует упрочнение и снижается критическое касательное напряжение, необходимое для скольжения.

3. Устранение промежуточного отжига. При холодной деформации и значительном формоизменении накапливаются повреждения, микротрещины и др., что приводит к разрушению металла. Это заставляет повышать ресурс пластичности введением в техпроцесс промежуточных отжигов. При горячем деформировании отжиг происходит в процессе самой операции.

4. Возможность получать мелкозернистую структуру, которая повышает прочность, ударную вязкость и усталостную прочность металла по сравнению с крупнозернистой структурой. Для этого горячую обработку нужно заканчивать при температурах лишь немного превышающих минимальную температуру рекристаллизации. В этом случае образовавшиеся новые рекристаллизованные зерна не успевают вырасти и структура получается мелкозернистой.

5. Текстура и анизотропия свойств металла, деформированного в горячем состоянии всегда меньше выражены, чем в тех же самых металлах, деформированных вхолодную.

К недостаткам горячего деформирования следует отнести следующее.

1. Трудность поддержания постоянной высокой температуры.

2. Низкое качество поверхности.

3. Снижение точности размеров поковок, необходимость учета усадки, угара.

4. Неоднородность структуры и свойств поковок.

8. Основные понятия и законы деформирования

8.1. Закон наименьшего сопротивления

Любая материальная частица деформируемого тела, имеющая возможность движения в разных направлениях, движется в направлении наименьшего сопротивления.

Д ля случая осадки между параллельными бойками перемещение любой точки тела в плоскости, перпендикулярной действию внешней силы, происходит по кратчайшей нормали к периметру сечения. Максимальную конечную деформацию тело получит в тех направлениях, по которым будет передвигаться наибольшее количество частиц.

Для призмы, изображенной на рис. 54, в плоскости, перпендикулярной действию силы, согласно принципу перемещения точек по кратчайшей нормали, прямоугольник можно разделить на два треугольника и две трапеции. Граничные линии между ними представляют собой линии раздела течения металла, т. к. нормали из этих точек в двух направлениях будут одинаковы.

Учитывая количество точек, лежащих на обозначенных стрелками направлениях течения, можно предполагать, что после некоторой осадки конечная форма тела получит вид, показанный пунктиром. При увеличении степени деформации периметр поперечного сечения тела стремится к эллипсу, а эллипс в дальнейшем преобразуется в круг, после чего движение точек будет происходить по радиусам.

Здесь реализуется принцип наименьшего периметра: любая форма поперечного сечения призматического или цилиндрического тела при осадке с наличием контактного трения стремится принять форму, имеющую при данной площади наименьший периметр (стремится к кругу).

Принцип наименьшего периметра справедлив, если величина коэффициента контактного трения значительна.

П ри осадке прямоугольного параллелепипеда между плоскими бойками без контактного трения (см. рис. 55) движение частиц носит радиальный характер, и поперечные сечения в процессе деформации остаются подобными исходному.

Рис.55

Из закона наименьшего сопротивления вытекает принцип минимума полной энергии деформации. Его можно сформулировать так: любое ограничение течению металла увеличивает энергию деформации, т.е. минимум энергии затрачивается тогда, когда формоизменение происходит без ограничения течению, по линиям наименьшего сопротивления.

Рассмотрим осадку в кольцах (рис. 56).

Кинематически возможные направления перемещения точек А, В и С это + U_r и - U_r . Опыт показывает, что точка А имеет перемещение + U_rа , а т. С - U_rс , т. е. часть металла течет к периферии, а часть к центру. Частицы типа точки В, где U_r = 0, образуют поверхность раздела течения.

Теперь ограничим возможность течения к периферии, надев наружное кольцо, или ограничим возможность течения к центру, заглушив отверстия в кольцах (см. рис. 57).

В этих случаях для частиц остается только одно возможное направление перемещения.

В случае отсутствия ограничения, когда частица А имела две степени свободы, она перемещалась к периферии по направлению + U _r , что является для нее линией наименьшего сопротивления.

При введении наружного ограничения (кольцо) частица А движется к центру. Теперь для нее направлением наименьшего сопротивления является направление - U_r , но это направление уже не является направлением абсолютно наименьшего сопротивления.

Для деформации на h при одной степени свободы течения требуются большее усилие и, следовательно, большая энергия, чем при двух степенях свободы. Пример показывает, что между силой и характером формоизменения существует связь, т. е. А_д = f ( D_р ),

где А_д - работа деформирующей силы на пути h, D_р - линия раздела (U_r = 0).

Исследуя эту функцию на экстремум, можно отыскать значение D_р (линия раздела), соответствующее минимуму работы А_д. Обеспечив течение металла именно с этой линии раздела, можно добиться наилучшего протекания процесса.

8.2. Условие постоянства объема. Смещенный объем. Скорость деформации

Поскольку плотность металла в результате пластической деформации меняется незначительно, считается, что объем тела до деформации равен объему тела после деформации. В этом состоит закон постоянства объема.

Однако, в процессе деформации объем тела уменьшается, т. к. пластическая деформация всегда сопровождается упругой деформацией. После окончания деформации упругая деформация исчезает, и тело восстанавливает прежний объем. Зависимость упругой деформации от напряжения подчиняется закону Гука :  = Е.

А

Р На диаграмме «сила-деформация» (рис. 58):

К ОС - полная деформация при нагрузке Р,

ОВ - пластическая (остаточная) деформация после снятия нагрузки,

О В С  ВС - упругая деформация.

Рис.58

После снятия нагрузки длина растянутого образца уменьшается на величину упругой деформации ВС.

Величина tg  КОВ = tg  АВС называется модулем Юнга.

В большинстве операций обработки давлением при значительной пластической деформации упругой деформацией можно пренебрегать. Однако в ряде операций, например, при гибке вхолодную, упругую деформацию необходимо учитывать, задавая угол в инструменте (штампе) отличным на угол пружинения от требуемого угла готовой детали.