Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением

Подождите немного. Документ загружается.

Общее формоизменение поликристаллического тела складывается из

пластической деформации составляющих его зерен и их относительного

смещения. Поэтому различают внутрикристаллитную и межкристаллитную

деформации поликристалла. Первая протекает путем скольжения и

двойникования, вторая – путем поворота и перемещения одних зерен

относительно других. Преобладание того или иного вида деформации

определяется соотношением прочности отдельных зерен и их границ в

данных условиях деформирования. При комнатной температуре прочность

границ зерен, как правило, выше прочности зерен. Поэтому при холодной

обработке давлением внутрикристаллитная деформация является основным

процессом, обуславливающим изменение форм поликристалла.

С повышением температуры прочность зерен становится больше

прочности их границ из-за наличия на границах зерен легкоплавких

примесей и меньшей термодинамической устойчивости пограничных зон

самого металла. Поэтому при горячей обработке давлением преобладает

межкристаллитная деформация.

Пластическая деформация поликристалла при действии внешних сил

начинается в наиболее благоприятно расположенных зернах. В этих зернах

плоскости скольжения составляют с направлением усилия угол, близкий к

. Остальные зерна в это время поворачиваются, и когда их плоскости

скольжения составят с направлением действия усилия угол 45

они также

начинают деформироваться. В конце концов, большинство зерен

вытягивается в направлении наиболее интенсивного течения металла. После

деформации плоскости скольжения большинства зерен ориентированы в

одном направлении. Иными словами возникает текстура деформации,

приводящая к анизотропии свойств поликристалла.

Механические и другие свойства также получают направленность,

которая на материалах, подвергнутых обработке с большими степенями

деформации, полностью не устраняется даже отжигом при высоких

температурах.

Контрольные вопросы

1. Как происходит пластическая деформация в монокристалле?

2. Особенности протекания скольжения в металлах с различным типом

кристаллической решетки?

3. В чем заключается сущность механизма пластической деформации

двойникованием?

4. Чему равна величина сдвигающего напряжения?

5. Как происходит пластическая деформация в поликристалле?

6. Чем отличаются внутри- и межкристаллитная деформации поликристалла?

МОДУЛЬ 2. ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

ДАВЛЕНИЕМ

Раздел 5. Основные законы пластической деформации

ЛЕКЦИЯ 18

ПОНЯТИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ И УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ И ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ,

ИЗ НЕГО ВЫТЕКАЮЩИЕ.

УСЛОВИЕ ПОСТОЯНСТВА СЕКУНДНЫХ ОБЪЕМОВ.

ЗАКОН ПОДОБИЯ

План лекции:

1. Понятие пластической и упругой деформации.

2. Закон сохранения массы.

3. Условие постоянства объема.

4. Условие несжимаемости.

5. Условие постоянства секундных объемов.

6. Примеры их практического применения.

7. Закон подобия.

Приложение внешних сил к твердому телу вызывает изменение его

форм и размеров, что сопровождается изменением расстояния между

отдельными материальными точками, составляющими данное тело, или же

изменением размеров и формы элементарных объемов, на которые можно

разделить рассматриваемое твердое тело.

Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при

прекращении действия внешних сил и твердое тело полностью

восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию

называют упругой. Если же при прекращении действия внешних сил твердое

тело не полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то

такую деформацию называют пластической. Как та, так и другая происходят

без разрушения деформируемого тела или отдельных его участков, т.е. без

нарушения сплошности.

Пластическая деформация литого металла сопровождается

незначительным (1-3 %) изменением объема, в результате плотность его

несколько возрастает за счет ликвидации имеющихся в нем пустот. Это

изменение не имеет практического значения при решении задач, связанных с

определением напряжений и деформаций, поэтому им в технологических

расчетах пренебрегают и считают, что объем тела до пластической

деформации равен его объему после деформации. Математически условие

постоянства объема можно записать в виде

= const

Это выражение является частным случаем закона сохранения массы

m=ρV=const, когда плотность металла ρ в процессе пластической

деформации не изменяется.

Рассмотрим конкретный пример. Если взять прямоугольный

параллелепипед, стороны которого до деформации равны h

, b

, l

подвергнуть его сжатию (например, прокатать), то после деформации при

определенных условиях он останется прямоугольным, но размеры его сторон

изменятся: по ширине b и длине l они увеличатся, а по высоте h -

уменьшатся.

По условию постоянства объема (индексы означают: 0 - исходный, 1 -

деформированный)

= h

откуда

=⋅⋅

а после логарифмирования

0lnlnln

=++

или

+ ε

= 0,

где ε

, ε

- истинные или действительные степени деформации,

соответственно, в направлениях высоты, ширины и длины.

Последнее выражение известно в теории ОМД как условие

несжимаемости, согласно которому алгебраическая сумма логарифмических

степеней деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям

равна нулю. При этом по крайней мере одна из степеней деформации имеет

знак, противоположный знаку двух других.

С его помощью устанавливают взаимосвязь между скоростью

движения металлов и изменениями размеров поперечного сечения

деформируемой заготовки при непрерывном режиме обработки. Так,

например, при реализации прямого метода прессования (рис. 18.1), когда

направление выдавливания металла совпадает с направлением движения

пресс-штемпеля, скорость истечения получаемого профиля заданного

сечения будет напрямую зависеть от скорости перемещения пресс-штемпеля

через рабочую втулку контейнера определенного диаметра.

Рис. 18.1. Схема процесса прямого прессования

Формулируется закон постоянства секундных объемов следующим

образом: объем металла, проходящий в единицу времени через определенное

сечение очага деформации, формируемого рабочим инструментом, не

меняется при переходе от одного сечения к другому при непрерывном

режиме обработки.

Математически закон постоянства секундных объемов выражается

соотношением:

⋅ F

= const,

где V

– средняя скорость движения металла в i-ом сечении очага деформации

площадью F

Для приведенного выше примера прямого прессования это выражение

может быть записано в виде

пр

⋅ F

конт

= V

ист

⋅ F

изд

где V

пр

– скорость прессования (перемещения пресс-штемпеля);

конт

– площадь поперечного сечения втулки контейнера;

ист

– скорость истечения металла из матрицы;

изд

– площадь поперечного сечения прессуемого профиля.

Используя его, можно по заданным параметрам технологического

процесса рассчитать скорость выхода профиля из матрицы и установить

необходимую скорость перемещения захватывающих устройств линии

натяжения, применяемой в настоящее время в прессовом производстве,

например при, изготовлении алюминиевых профилей строительного

назначения.

Другим примером, может служить процесс непрерывной прокатки (рис.

18.2), при котором полосу одновременно прокатывают в нескольких

последовательно расположенных рабочих клетях непрерывного стана.

Рис. 18.2. Схема процесса непрерывной прокатки

Одновременная деформация металла в нескольких клетях усложняет

регулирование процесса, поэтому для избежания изменения натяжения или

петлеобразования между ними необходимо при работе непрерывного стана

соблюдение условия постоянства секундных объемов:

⋅ F

= V

⋅ F

= … = V

⋅ F

где V

– скорость выхода полосы из валков n-ной клети;

– площадь поперечного сечения полосы при выходе из n-ной клети.

Усилия, напряжения и деформации при обработке давлением в ряде

случаев могут быть определены экспериментально в производственных

условиях при изготовлении изделий на промышленных агрегатах, однако

постановка этих экспериментов часто сопряжена с большими затратами

материалов и простоями оборудования.

Некоторые вопросы экспериментально вообще невозможно изучить в

производственных условиях. Например, распределение напряжений по

объему тела. Также невозможна постановка экспериментов в

производственных условиях при разработке принципиально новых

технологических процессов обработки давлением.

Поэтому обычно тот или иной вопрос предварительно исследуется в

лабораторных условиях на образцах (моделях) в широком диапазоне

изменения различных параметров. Эксперименты проводят на установках

меньшей мощности и с образцами меньших размеров по сравнению с

размерами натуры. Далее полученные результаты пересчитывают с модели

на натуру.

Для того чтобы закономерности и количественные данные, полученные

в лабораторных условиях, можно было бы распространить на

производственные условия, необходимо соблюдать подобие этих процессов.

Принцип подобия можно сформулировать следующим образом: если

осуществлять в подобных условиях одинаковые процессы пластического

деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала, то

необходимые удельные усилия деформирования будут равны между собой,

отношение полных усилий деформирования будет равно квадрату, а

отношение затрачиваемых работ - кубу отношений соответственных

линейных размеров.

Под удельным усилием деформирования

понимают отношение

потребного для деформирования активного усилия Р к площади проекции

поверхности металла F на плоскость, нормальную к направлению этого

усилия:

P =

Удельное усилие деформирования почти всегда можно представить как

mP σ=

где σ

- сопротивление металла пластической деформации;

m - некоторый безразмерный коэффициент, зависящий от вида

осуществляемого процесса, относительных размеров и формы

деформируемой заготовки и контактного трения.

Рассмотрим главнейшие условия подобия процессов пластического

деформирования.

1. Согласно формулировке принципа, деформируемые тела должны быть

геометрически подобны. Для этого необходимо, чтобы отношения

соответственных (сходственных) размеров натуры и модели были

одинаковы. Например, если даны два прямоугольных параллелепипеда с

размерами сторон, соответственно, h

, b

, l

и h

, b

, l

то они будут

геометрически подобны, если:

===

где m - масштаб моделирования.

2. Степени деформации модели и натуры в сравниваемые моменты должны

быть одинаковы:

= ε

3. Условия трения между соприкасающимися (контактными) поверхностями

деформирующего инструмента и металла должны быть одинаковы.

4. Модель и натура должны быть физически подобны, т.е. во всех

соответственных точках иметь одинаковый химический состав,

одинаковые микро- и макроструктуры, фазовое состояние, степени

упрочнения и разупрочнения.

Если все перечисленные выше условия соблюдаются, то

PP =

;

== ;

== ,

где

; ,

, P

, и А

, А

- соответственно, удельные усилия, усилия и

работы, затрачиваемые на деформирование натуральной заготовки и

модельного образца.

При расчете реальных процессов, включающих много факторов, в

закон подобия вводят поправочные коэффициенты.

В некоторых случаях модель по физическим свойствам может

отличаться от натуры. Например, для исследования формоизменения при

горячей деформации широкого класса сталей и сплавов в качестве

модельных материалов используется свинец, а также его сплавы с сурьмой,

оловом и другими химическими элементами. Это объясняется тем, что

свинец рекристаллизуется при комнатной температуре и процессы его

упрочнения и разупрочнения протекают аналогично процессам в стали при

горячей деформации.

Кроме того, за последние годы в лабораторной практике широкое

распространение получило приближенное моделирование поведения

металлов и сплавов с использованием неметаллических материалов типа

парафина и пластилина.

Контрольные вопросы

1. Что такое «упругая» и «пластическая» деформации?

2. Условие постоянства объема.

3. Как записывается условие несжимаемости?

4. Сущность закона постоянства секундных объемов.

100

5. Как определяется удельное усилие деформирования?

6. Принцип подобия.

7. Главные условия подобия процессов пластического деформирования.

8. Какие неметаллические материалы используют при приближенном

моделировании поведения металлов?

ЛЕКЦИЯ 19

ПРИНЦИПЫ НАИМЕНЬШЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ,

КРАТЧАЙШЕЙ НОРМАЛИ И НАИМЕНЬШЕГО ПЕРИМЕТРА

План лекции:

1. Принципы наименьшего сопротивления, кратчайшей нормали и

наименьшего периметра.

2. Особенности их проявления при различных условиях трения на контакте

деформируемого металла с инструментом.

При обработке металлов давлением иногда необходимо знать

соотношение между перемещениями металла в разных направлениях.

Качественно направление течения металла определяют на основании

принципа наименьшего сопротивления, который можно сформулировать

следующим образом: в случае возможности перемещения точек

деформируемого тела в различных направлениях каждая его точка

перемещается в направлении наименьшего сопротивления.

Знание принципа наименьшего сопротивления используется в

обработке металлов давлением, например, при разработке технологии

объемной штамповки в открытых штампах. Схема процесса показана на рис.

19.1.