Металлов давлением

Обработкой металлов давлением называется механическая обработка, за-

ключающаяся в пластическом деформировании или разделении материала без

снятия стружки.

В процессе пластического деформирования изменяется структура метал-

ла и повышаются его механические свойства, поэтому наиболее тяжелонагру-

женные детали получают обработкой давлением. В нашей стране примерно

90% всей выплавляемой стали и около половины цветных сплавов подвергают

обработке давлением. Такие изделия, как автомобили, танк, самолет содержат

по массе от 60 до 80% штампованных и кованых деталей.

По физической сущности обработка металлов давлением является процес-

сом пластической деформации. Пластическая деформация монокристалла

происходит либо путем сдвига (скольжения), либо путем двойникования.

Механизм пластической деформации поликристаллов значительно слож-

нее. Это объясняется тем, что в поликристаллах зерна отличаются между со-

бой по форме и размерам, обладают неодинаковыми физико-механическими

свойствами и различно ориентированы плоскостями и направлениями сдвига

по отношению к деформирующей нагрузке.

Различают два вида деформации поликристаллических тел:

• внутрикристаллитную – по зерну;

• межкристаллитную – по границам зерен.

Первая, так же как и в отдельном монокристалле, протекает путем сдви-

га и двойникования, вторая – путем поворота и перемещения одних зерен от-

носительно других. Оба вида деформации протекают в поликристаллических

телах одновременно (рис.19).

Рис. 19. Схема развития пластической деформации в поликристалле

Поскольку в поликристалле зерна имеют различную ориентацию плоско-

стей сдвига, пластическая деформация начинается под действием внешних

сил не во всех зернах одновременно. Вначале деформируются наиболее бла-

гоприятно ориентированные зерна, то есть те зерна, плоскости сдвига которых

расположены относительно направления усилия под углом 45°

(рис. 19 а, зерна 1, 2, 3, 4). Вместе с тем плоскости скольжения будут повора-

чиваться в сторону уменьшения угла и потребуется большее значение нагруз-

ки, чтобы продолжался процесс сдвига по тем же плоскостям. Остальные зер-

на поворачиваются в результате возникновения моментов сил плоскостями

сдвига на угол 45° к оси прилагаемой нагрузки. После поворота осуществля-

ется их деформирование (рис. 19 б).

В результате пластической деформации происходит изменение формы зе-

рен. Зерна вытягиваются в направлении деформации и приобретают волокни-

стое строение с текстурой одинаковой ориентировки кристаллических реше-

ток. Пластическая деформация металла происходит как при холодной обра-

ботке давлением, так и при горячей.

С увеличением внешней силы Р происходит последовательное смещение

частиц зерна. Кроме сдвига частиц зерна происходит и поворот смещенных 89

частей зерна в направлении уменьшения угла между плоскостью скольжения и

направлением силы Р. Этот поворот объясняется тем, что свободному смеще-

нию частей зерна препятствуют соседние зерна. В результате сдвигов и пово-

ротов плоскостей скольжения зерно постепенно вытягивается в направлении

силы Р и металл приобретает волокнистое строение (рис.19 в) с анизотропией

свойств.

При холодной ОМД металл интенсивно упрочняется (наклепывается) и

теряет пластичность. При необходимости продолжить обработку давлением за-

готовку подвергают отжигу. Изделия, полученные холодной деформацией, от-

личаются высокими прочностными свойствами (благодаря наклепу), точными

размерами и гладкой поверхностью, но так можно обрабатывать только весьма

пластичные материалы. Холодная ОМД применяется обычно при прокатке тон-

кого листа, при волочении, при штамповке.

Горячая ОМД осуществляется при температурах, превышающих темпе-

ратуру рекристаллизации. При этом деформационное упрочнение (наклеп) пол-

ностью снимается, металл получает равноосную структуру, причем волокни-

стое строение сохраняется. Чем сильнее нагрет металл, тем выше его пластич-

ность и ниже сопротивление деформированию (в 10 – 15 раз для углеродистой

стали). Однако нельзя допускать пережога (окисления по границам зерен), ко-

торый наблюдается вблизи линии солидуса.

Существенное влияние на пластичность и сопротивление деформирова-

нию оказывает схема напряжений. Практикой ОМД установлено, что в усло-

виях, отвечающих одноименным схемам со сжимающими напряжениями, пла-

стичность металла всегда выше, чем при одноименных схемах с растягиваю-

щими напряжениями. Академик Губкин С. И. писал: «Чем меньшую роль в

схеме главных напряжений играют растягивающие напряжения и чем большую

– сжимающие, тем большую способность к пластической деформации проявля-

ет металл». Например, прессованием, характеризующимся схемой всесторонне-

го неравномерного сжатия, можно обрабатывать даже малопластичные мате-

риалы, а волочением (два сжимающих и одно растягивающее напряжение) –

только очень пластичные металлы.

На процесс ОМД большое влияние оказывает также контактное трение,

то есть трение на контакте инструмента и заготовки. Как правило, контактное

трение является вредным явлением. Потери энергии на преодоление сил трения

могут достигать 30 – 50 % и более. Для снижения коэффициента трения и об-

легчения условий деформации применяют различные смазки и инструмент с

полированной поверхностью. Однако в отдельных случаях, например, при про-

катке, трение является полезным фактором, поэтому там, наоборот, создают ус-

ловия для повышения трения.

Основными способами ОМД являются: прокатка, волочение, ковка, объ-

емная штамповка (ковка в штампах), листовая штамповка, а также некоторые

специальные процессы, например, отделочная и упрочняющая обработка пла-

стическим деформированием.