ХОЛОДНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Основными аспектами проблемы качества поверхности являются: технически обоснованное нормирование конструктором качества поверхности проектируемых деталей, надежное технологическое и метрологическое обеспечение требуемого качества, совершенствование стандартов на параметры и характеристики качества поверхности.

Одним из наиболее существенных факторов, затрудняющих решение перечисленных проблем, является иррегулярный, даже хаотичный, характер микрорельефа поверхностей, образующихся в подавляющем большинстве случаев при использовании в качестве финишных технологических процессов существующих способов обработки резанием.

Основной причиной образования на поверхностях, обработанных резанием, хаотичного микрорельефа является органический недостаток этого вида обработки — неоднородная пластическая деформация. Это относится как к резцовой, так и к абразивной обработке. Поэтому одним из основных направлений совершенствования чистовой обработки является переход от резания к обработке давлением. Каковы же достоинства финишной обработки давлением? Поскольку этот вид обработки основан не на отделении частиц металла от основной его массы, а на пластическом его деформировании в холодном состоянии, исходный объем деформируемого материала остается неизменным; при этом происходит интенсивное выглаживание поверхностных неровностей заготовки, сопровождающееся значительным упрочнением поверхностных слоев (повышением микротвердости и созданием благоприятных сжимающих напряжений) исключается шаржирование поверхностного слоя абразивными частицами; становится возможным образование частично или полностью регулярных микрорельефов.

Пластическая деформация. Обработка металлов давлением в холодном состоянии основана на использовании их пластических свойств, т. е. способности в определенных условиях под действием внешних (действующих статически и динамически) сил пластически деформироваться без нарушения целостности. Обрабатываемой заготовке при формообразовании придается требуемая форма и размеры, а при чистовой обработке — требуемое качество поверхностного слоя: микрогеометрия и физико-механические свойства. При этом исходный объем заготовки остается постоянным. Управление процессом чистовой обработки давлением существенно осложняется тем, что приповерхностный слой материала заготовки неоднократно деформирован в результате предшествующей ей обработки резанием или давлением. Деформация (в особенности при предварительной обработке давлением) неоднородна по глубине слоя, и еще более хаотична его микрогеометрия (форма, размеры, взаиморасположение неровностей).

Механизм упругой и пластической деформации металлов объясняется современной теорией следующим образом. В зависимости от величины прилагаемого усилия происходит лишь временное изменение межатомных расстояний в объемной кристаллической решетке обрабатываемого металла или внутрикристаллические и межкристаллические сдвиги. Если деформация носит временный характер и при удалении действующей нагрузки полностью исчезает, то тело принимает исходную форму. Когда прилагаемые силы достигают определенного значения, помимо упругой деформации появляется пластическая (остаточная) деформация, сохраняющаяся после удаления усилия, и тело приобретает новую форму и микрогеометрию.

Изменение объема металла вследствие его сжимаемости при упругой деформации может быть весьма ощутимым. Обратимое изменение объема деформируемого материала (а следовательно, как макро-, так и микроразмеров неровностей микрогеометрии) приходится учитывать почти при всех способах холодной обработки давлением, особенно при таких, как калибрование точных отверстий прошиванием или протягиванием выглаживающим инструментом, накатывание, раскатывание и вибронакатывание роликами, шарами, алмазными наконечниками.

Поскольку реальный металл представляет собой множество анизотропных и беспорядочно расположенных кристаллов, упругие свойства металла во всех направлениях примерно одинаковы и определяются некоторыми средними значениями.

Пластическая деформация при чистовой обработке, внешним проявлением которой является необратимое изменение неровностей поверхности как по их форме, так и размерам без нарушения сплошности материала, заключается в принудительном необратимом перемещении отдельных атомов или группы их; она представляет собой сложнейший процесс, изучение и управление которым осложняется многими факторами.

Поскольку все без исключения технические металлы являются сплавами, содержащими в тех или иных количествах растворимые и нерастворимые примеси и характеризующиеся неоднородностью структуры, некоторые исследователи отрицают возможность установления количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном неоднородном металле. В связи с этим в математической и прикладной теории пластичности отвлекаются от реального строения физически и химически неоднородного металла с изменяющимися в процессе деформирования свойствами и, идеализируя металл, рассматривают его как однородное в пространстве и времени тело. В результате ограничиваются лишь качественным изучением процессов обработки давлением, а в прикладной теории пластичности (во многих, если не в большинстве случаев) получают численные зависимости, которые недостаточно точны для практического использования. Это положение усугубляется особенно большой исходной неоднородностью приповерхностных слоев металла, деформируемого при чистовой отделочно-упрочняющей обработке. Необходимо признать, что неизбежные в подавляющем большинстве случаев обработки давлением экспериментальные исследования и отладки процессов финишной обработки в сравнении с формообразующей обработкой требуют меньших затрат времени и средств.

Сложность изучения процессов пластического деформирования обусловлена также тем, что при данных механических свойствах величина сопротивления металла пластическому деформированию непрерывно меняется одновременно с изменением механических свойств; причем изменения эти по своему характеру неоднородны. Поэтому при расчетах значений параметров режима обработки металлов (это относится и к другим материалам) давлением необходимо предварительно экспериментально устанавливать характерную для данного материала функциональную зависимость, связывающую его сопротивление пластическому деформированию с величиной деформации [64].

Таким образом, задача создания прикладной теории пластичности должна решаться комплексно, т. е. путем установления качественных зависимостей и количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном металле на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также обобщенных данных накапливающегося производственного опыта.

В производственных условиях под горячей деформацией принято понимать обработку давлением с нагревом металла, а под холодной — обработку при температуре цеха (=20°С). В теории обработки металлов под горячей деформацией понимают деформацию, производимую при температуре заготовки, превышающей температуру рекристаллизации. Деформацию, осуществляемую при температуре более низкой, чем температура рекристаллизации, называют холодной деформацией. Механизм холодной и горячей деформации различен. Для холодной деформации характерны следующие основные явления: сдвиговая деформация, изгибание пространственной решетки, двойникование, блокообразование и поворот блоков. Сущность явлений, сопровождающих холодную деформацию металлов, в самом кратком изложении заключается в следующем [65].

Сдвиговая деформация. Многочисленные экспериментальные исследования и теоретические расчеты свидетельствуют о наличии при деформировании металла линий скольжения, характеризующих сдвиги одних частей монокристалла или кристаллитов относительно других. Доказано, что скольжение происходит по определенным кристаллографическим направлениям — по плоскостям решетки с наиболее плотным расположением атомов. Так, в кристаллах с кубической решеткой такими плоскостями являются плоскости октаэдра или грани куба. Эти плоскости и направления характеризуются минимальным сдвигающим напряжением т_кр, вызывающим скольжение. Остаточная деформация возникает при напряжениях сдвига, которые на несколько порядков меньше, чем теоретически вычисленные (из-за величин межатомных сил связи, необходимых для осуществления скольжения). Такое несоответствие возникает вследствие отклонения реальной кристаллической решетки от идеальной.

При идеальном строении кристаллов развитие пластической деформации можно представить как соскальзывание параллельных поверхностей по всей поверхности сдвига. Однако экспериментальные исследования показывают, что такое представление неточно. На самом деле пластическая деформация зарождается в небольших объемах — в ней одновременно участвует незначительное число атомов кристаллической решетки.

Есть несколько теорий механизма скольжения в металле при пластическом его деформировании, однако все они не являются исчерпывающими и достаточно противоречивы.

Двойникование. Помимо скольжения внутри кристаллов при пластическом деформировании наблюдается одновременно скольжение, т. е. перемещение по системе атомных плоскостей на расстояние, некратное межатомному, и поворот деформированной части кристалла в зеркальное положение по отношению к исходному недеформированному состоянию. Такое явление называют двойникованием. Оно наблюдается при динамичных ударных воздействиях, сопровождается резким снижением скалывающих напряжений и во многих случаях свидетельствует о близком разрушении металла. Двойникование может сопутствовать скольжению.

Изгибание пространственной атомной решетки. Многими исследованиями установлено также, что в процессе пластической деформации среди зерен с ярко выраженной сдвиговой деформацией наблюдаются участки (полосы) с иным направлением, чем направление сдвига. Это изменение направления сдвига есть результат изгиба кристаллографических плоскостей сдвига. При пластическом деформировании зоны изгибания пространственной решетки возникают раньше, чем происходит перемещение по границам зерен.

Блокообразование и поворот блоков. При малых скоростях пластическая деформация в начальной стадии может происходить за счет блокообразования, т. е. дробления зерен на отдельные блоки без нарушения сплошности металла и пространственной решетки внутри каждого блока. Одновременно с образованием блоков происходит их смещение — поворот. Возрастание пластической деформации в конечном счете приводит к дроблению кристаллита и распадению его на новые зерна. Размер блоков может быть весьма малым (0,1 мкм). После образования блоков (меньших по величине, чем критические) начинается сдвиговая деформация. Причинами образования блоков являются сложное смещение, изгиб плоскостей сдвига и превращение их в поверхности. Такая локализация деформации облегчает общую деформацию металла.

Таким образом, можно говорить об определенной последовательности явлений, протекающих в металле по мере возрастания пластической деформации: блокообразование и поворот блоков, сдвиг и изгиб пространственной решетки. Столь сложный характер пластической деформации, неоднородной по своей природе, чрезвычайно затрудняет не только изучение ее механизма, но и управление различными процессами обработки металлов давлением, поэтому практически во всех случаях необходимо экспериментально исследовать и выявлять оптимальные условия ведения этих процессов.

Положенное в основу теории и соответствующих расчетов [64] допущение, что деформированию подвергается изотропный металл с усредненными механическими свойствами, приводит к тем меньшим погрешностям расчетов, чем больший объем деформируемого металла по отношению к величине отдельных зерен. Таким образом, переходя от формообразующей обработки давлением к калибрующей и наконец к чистовой отделочно-упрочняющей обработке, все в большей и большей мере следует полагаться на результаты не расчетных, а экспериментальных исследований.

Упрочнение приповерхностного слоя. При отделочно-упрочняющей, калибрующей, а в ряде случаев и при формообразующей обработке давлением решающий интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении имеет явление упрочнения, сопровождающее холодную пластическую деформацию металлов. Характер и степень упрочнения, распространение его вглубь от поверхности определяют практически все эксплуатационные свойства деталей, машин, приборов, аппаратов. Поэтому изучение этого явления, а главное управление им является актуальной задачей. Из всех современных теорий, объясняющих природу пластической деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наиболее достоверной в настоящее время является дислокационная теория. В современных дислокационных теориях рассматривается кристалл, который в исходном состоянии содержит большое количество дислокаций, расположенных в виде пространственной сетки. Существование сеток обнаруживается под электронным микроскопом, а также рентгеновскими методами исследования. Пластическая деформация представляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу.

Упрочнение происходит в результате упругого взаимодействия дислокаций. Наиболее сильное упрочнение имеет место при сравнительно небольших степенях деформации (20-30%). Твердость при этом возрастает при-

Рис. 7.3

Диаграмма зависимости прочности металлов от количества дефектов кристаллической решетки близительно в два раза. Дальнейшая деформация сопровождается упрочнением со значительно меньшей интенсивностью.

Зависимость прочности металлов от количества дефектов кристаллической решетки приведена на рисунке 7.3.

Рис. 7.4

Блок-схема программы расчета распределения контактных давлений, деформаций и напряжений:

1 ввод данных; 2 — решение задачи Герца; 3 — определение параметра пластичности; 4 — решение упругопластической задачи; 5 — [а*,, - с,„, ,,] расчет до- полнительных нагрузок; 7— вывод: а_х — слагаемые, соответствующие нормальным условиям; п — направляющий косинус нормали к границе; е — заданная точность расчета.