Сопротивление металла деформации

Сопротивление металла деформации в общем виде рассмотрено в гл. 1. Применительно к процессу прокатки необходимо конкретизировать основные положения. Основными факторами, влияющими на сопротивление деформации, являются температура, степень и скорость деформации металла. Но, помимо них, оказывают существенное влияние ряд других факторов: физико-химическая природа и структура деформируемого металла; различные виды обработки, которые предшествовали деформированию (предшествующая пластическая деформация, термическая или иная обработка); вид испытания образцов;

физико-механические и химические изменения в процессе деформирования. Физико-химическая природа деформируемого металла определяет сопротивление деформации на основе глубинных связей между атомами, входящих в кристаллическую решетку металла. В гл. 1 рассмотрены особенности деформирования металлов, имеющих разную кристаллографическую решетку. На значение сопротивления деформации влияет также наличие примесей. У сплавов оно всегда выше, чем у чистых металлов. Большое влияние оказывает также структура металла и величина зерна. Обычно значение величины зерна поликристалла находится в пределах 1,00—0,01 мкм, хотя может быть значительно меньше. С уменьшением величины зерна сопротивление деформации может возрасти в 10 и более раз. С.И. Губкин объясняет это увеличением отношения поверхности зерен к их объему и поверхностных сил натяжения и адгезии. На значение сопротивления деформации влияет также химический состав, структура и фазовое состояние границ зерен.

Предшествующие виды обработки металла оказывают существенное влияние на сопротивление деформации. Условия литья (температура, скорость и пр.), параметры кристаллизации при разливке, условия модификации и т. п. оказывают влияние на прочностные свойства металла. Последующая горячая и холодная пластическая деформации существенным образом изменяют как структуру, так и сопротивление деформации металла, однако наследственные литые свойства сохраняют свое влияние не только в процессе деформации, но и на готовом изделии. Большое влияние на сопротивление деформации оказывает термическая обработка металла. Например, после отжига металл вновь приобретает свойства повышенной пластичности при низком сопротивлении деформации. Но металл на всех стадиях “запоминает” историю его обработки, и все стадии обработки вносят свой вклад в формирование его конечных механических свойств.

На величину показателей сопротивления деформированию большое влияние оказывает вид деформирования. Причем вид деформации, а точнее, схема напряженного состояния при деформации влияет не только на свойства металла в процессе деформирования, но и на конечные свойства после деформации. Так, при одной и той же степени деформации после осадки сопротивление деформации выше, чем после растяжения, еще выше оно после прокатки, особенно в калибрах, в свою очередь, после прессования оно выше, чем после прокатки. В общем случае чем больше сжимающих напряжений в схеме напряженного состояния металла при его пластической обработке, тем выше прочностные характеристики металла готового изделия.

Следует заметить, что эффект влияния схемы деформации на конечные свойства металла не очень велик. В теории пластичности им принципиально пренебрегают, в практических расчетах также не всегда принимают во внимание. Гораздо больше этот эффект заметен в процессе пластической деформации. В зависимости от схемы напряжений разность в сопротивлении деформированию будет значительно более ощутимой. Например, при осадке сопротивление деформации примерно на 10 % выше, чем при растяжении, при прокатке оно еще выше. С этих позиций для снижения сопротивления металла деформированию полезно вводить в схему напряженного состояния растягивающие напряжения. Например, при прокатке или волочении можно ввести дополнительное заднее натяжение (при прокатке — также переднее), чтобы снизить нагрузку на инструмент как за счет изменения эпюры нормальных контактных напряжений, так и за счет снижения сопротивления металла деформированию. Но при наличии растягивающих напряжений снижается пластичность металла, поэтому данная рекомендация справедлива для высокопластичных металлов, и пользоваться ею следует осторожно.

По той же причине сопротивление металла деформации зависит от вида испытания образца. При растяжении сопротивление деформации имеет меньшее значение, чем при испытаниях на осадку. При кручении образца напряжения сжатия или растяжения отсутствуют, образец деформируется под действием касательных напряжений, поэтому сопротивление деформации будет средним между растяжением и сжатием. Кручение соответствует нулевой схеме напряженного состояния, поэтому используется для оценки стандартной характеристики сопротивления деформации, не зависящей от нормальных напряжений.

Температура металла существенным образом влияет на сопротивление деформации. Для всех металлов, как общая закономерность, сопротивление деформации снижается, а пластичность повышается с ростом температуры до предельных температур, близких к температурам начала плавления границ зерен. С.И. Губкин предложил следующую формулу, описывающую снижение сопротивления деформации с увеличением температуры в интервале 7,—Г₂^;

Если прологарифмировать эту зависимость, то получим уравнение прямой линии

Однако практически прямая линия в полулогарифмических координатах (рис. 5.19, а) наблюдается лишь для однородных металлов, когда в рассматриваемом температурном интервале не происходит никаких фазовых и структурных изменений в металле. Как правило, в широком температурном интервале сплавы всегда претерпевают изменения, поэтому зависимость в полулогарифмических координатах состоит из нескольких прямолинейных отрезков, как это видно на примере с медью и латунью с содержанием 30 и 40 % цинка (рис. 5.19, б). Часто на кривых прямолинейные участки представляются в виде единой плавной кривой.

Сходство кривых сопротивления деформации в зависимости от температуры для многих сталей и сплавов привело к мысли найти общую закономерность для этих сплавов и свести множество кривых к одной. Для этого в качестве температуры выбрана соответственная температура Т/Т_ш, где Г_Ш1 — температура плавления сплава. Однако оказалось, что при одной и той же соответственной температуре разные сплавы находятся в разном физико-химическом состоянии, поэтому единая кривая не получается. Но уже при Т/Т_ш > 0,5 кривые сближаются, а при 7/Т_пл = 0,95 практически сливаются. По данным С.И. Губкина при Т/Т_пп - 0,95 и скорости растяжения 40-50 мм/мин однокомпонентные сплавы имеют предел прочности о_в= 40-50 Н/мм², двух- и многофазные сплавы — 45—55 Н/мм², а твердые растворы в зависимости от концентрации — 40—60 Н/мм².

Зависимость сопротивления деформации от скорости деформации и определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения в металле. С увеличением скорости деформирования сопротивление деформации возрастает, гак как меньше времени дается на протекание процессов разупрочнения. Однако характер роста сопротивления деформации не всегда определяется только этими процессами. С позиций разупрочнения и упрочнения скорость деформации не должна влиять на сопротивление деформации при холодной дефор-

Рис. 5.19. Изменение сопротивления деформации от температуры для чистых металлов (а) и некоторых сплавов (б)

мации, так как в этом случае полностью доминируют процессы наклепа металла, возврат протекает с незначительной скоростью, а рекристаллизация отсутствует. При горячей деформации полностью протекают процессы разупрочнения металла, поэтому следует ожидать, что в большом диапазоне скоростей деформации, когда наклеп полностью снимается, скорость деформации не будет влиять на сопротивление деформации, последняя будет иметь постоянное значение при всех скоростях этого диапазона. И только при высоких скоростях, когда разупрочнение не успевает протекать полностью, появится зависимость сопротивления деформации от скорости деформации. Степень деформации, определяющая наклеп, также не должна влиять на сопротивление деформации, когда наклеп полностью снимается. Следовательно, в каком-то широком диапазоне скоростей сопротивление деформации должно зависеть только от одной температуры металла.

Однако эксперименты опровергают эти рассуждения. Увеличение скорости деформации практически всегда увеличивает сопротивление деформации. Дело в том, что при высоких температурах металл проявляет вязкие свойства. Для вязких материалов зависимость между сопротивлением деформации и скоростью деформации и в общем случае выглядит следующим образом:

где р — коэффициент вязкости, зависящий от температуры.

С повышением температуры доля вязкой составляющей в общей картине деформации увеличивается, поэтому при больших температурах рост сопротивления деформации от скорости будет более интенсивным, чем при низких. На меди и многих сталях, например нержавеющей типа 12Х18Н9Т, наблюдается именно такой эффект (рис. 5.20): производная от кривой при 1200 °С выше,

Рис. 5.20. Предел текучести стали 12Х18Н9Т при температурах,°С: /- 600; 2- 700; 3 — 800; 4- 900; 5- 1000; 6- 1100; 7- 1200

Рис. 5.21. Предел текучести стали Зсп при температурах, указанных на рис. 5.20

чем при 900 °С, доля вязкой составляющей в формировании сопротивления деформации велика. Однако на СтЗсп (рис. 5.21) сопротивление деформации изменяется медленно при высоких и быстрее при низких температурах. Доля вязкой составляющей здесь не так велика. С позиций упрочнения-разупрочнения так и должно быть, потому что при высоких температурах разупрочнение проходит интенсивнее, чем при низких.

Заметим, что скорость деформации на обоих графиках изображают в логарифмических координатах, потому что ощутимое изменение сопротивления деформации наблюдается только при увеличении скорости деформации на порядок. В реальных технологических процессах скорости деформации различаются на несколько порядков. При лабораторном статическом испытании образцов скорости деформации изменяются в интервале 10~²—10° 1/с, на блюмингах и крупных сортовых и листовых станах — 1 — 10 1/с, на скоростных сортовых и листовых станах возрастают до 10²1/с, на проволочных — до 10³1/с, при высокоскоростной штамповке — до 10⁴ 1/с. В связи с этим весь диапазон скоростей 10^-2—10⁴ 1/с в процессах обработки давлением является рабочим.

Приведенные экспериментальные данные показывают, что сопротивление деформации возрастает со скоростью не по прямой линии, как следует из формулы (5.2), а медленнее. Некоторые авторы считают, что, наряду с вязкой составляющей, в общей деформации большую роль играет релаксационная составляющая, зависящая от уровня напряжений в металле. Релаксация — это самопроизвольное снижение напряжений во времени. Как правило, она сопровождается ползучестью, т. е. дополнительной самопроизвольной деформацией нагруженного образца. Релаксационная модель Максвелла учитывает этот эффект и устанавливает зависимость между скоростью деформации и сопротивлением деформации в виде степенного уравнения

где В, п— коэффициенты, зависящие от материала, причем всегда п < 1, а для стали этот коэффициент не превышает 0,3.

Релаксация заметна при высоких температурах и низких скоростях деформации. Разупрочнение протекает пропорционально скорости деформации, а релаксационные процессы — пропорционально уровню напряжений, получаемых в результате наклепа, который зависит от степени деформации. Таким образом, при постоянной температуре приращение сопротивления деформации должно содержать две составляющие:

где А, Д о₀ — константы, которые необходимо найти из опыта.

Первый член зависит от скорости деформации, а второй — от уровня напряжений а_и.

После некоторых уточнений и интегрирования этого уравнения П.М. Куком получено уравнение для определения сопротивления деформации в зависимости от скорости и степени деформации при постоянной температуре, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными:

Рис. 5.22. Зависимость предела прочности меди при 600 °С от скорости деформации (по П.Г. Кириллову)

Помимо процессов упрочнения, разупрочнения, релаксации и вязкости металла, на сопротивление деформации влияют еще другие факторы. Существенным является протекание физико-химических процессов по границам зерен, значимость которых определяется величиной зерна. Чем выше температура, гем крупнее зерно, тем быстрее протекают на границах межзеренные реакции, за счет чего происходит некоторое нарушение целостности металла. В формулу для вычисления предела текучести металла должен входить размер зерна; чем мельче зерно, тем предел текучести выше. Видимо, увеличением величины зерна можно частично объяснить то, что при повышенных температурах и высоких скоростях интенсивность нарастания сопротивления деформации уменьшается. Например, П.Г. Кириллов на меди при 600 °С наблюдал снижение интенсивности нарастания сопротивления деформации с ростом скорости (рис. 5.22). Возможно снижение сопротивления деформации при дальнейшем увеличении скорости. Такое снижение наблюдается при прокатке на листовых станах, при ударной штамповке, когда скорости деформации достигают 10³1 /с и выше. Возможно, при этом существенное влияние на сопротивление деформации оказывает выделяемое при деформации тепло.

Следовательно, в зависимости от роли всех рассмотренных выше процессов— упрочнения, разупрочнения, вязкости и релаксации, межзеренных процессов — могут быть разные виды кривых зависимости сопротивления от скорости деформации.

Влияние степени деформации на сопротивление деформации также неоднозначно. С позиций упрочнения-разупрочнения при горячей обработке давлением она не должна влиять на сопротивление деформации. Однако опыты А.А. Динника, также ставшие классическими, проведенные на сталях 15 марок, а затем эксперименты П.М. Кука по осадке образцов показали, что при горячей обработке давлением степень деформации также существенно влияет на сопротивление деформации (рис. 5.23).

Интенсивность роста предела текучести стали при увеличении скорости деформации в значительной мере зависит от степени деформации, причем чем больше степень деформации, тем сопротивление деформации больше растет с ростом скорости.

Все изложенное свидетельствует о том, что чисто теоретическое исследование зависимости сопротивления деформации от температуры, степени и скорости деформации очень затруднено. Оно не дает достоверной картины, хотя в литературе такие попытки неоднократно предпринимались.

Более надежным оказался путь накопления и обобщения экспериментальных данных. Причем во внимание принимаются только три основных параметра процесса — температура, степень и скорость деформации. Практически для всех наиболее распространенных марок сплавов на основе железа, меди, алюминия и др. проведены лабораторные исследования их механических свойств во всем технологическом диапазоне изменения указанных параметров.

Остальные параметры процесса деформации, которые рассмотрены выше, при этом не учитываются, хотя нельзя считать их несущественными. Приведенные ниже данные, таким образом, только в общих чертах описывают зависимости сопротивления деформации от основных процессов.

Рис. 5.23. Экспериментальные кривые зависимости сопротивления деформации от степени и скорости деформации при высоких температурах

При расчетах силовых параметров при холодной деформации обычно считают, что господствуют процессы наклепа (см. рис. 1.8, в). Математически они описываются зависимостью

где о₍₀ — начальный предел текучести отожженного недеформированного металла (при е = 0); а — показатель степени, различный для разных сплавов, характеризующий степень упрочнения материала при наклепе; А — коэффициент, зависящий от марки сплава.

В представленных в справочниках формулах степень деформации обычно выражена в процентнах. Например, для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода от 0,1 до 0,45 %

Начальный предел текучести для низкоуглеродистой стали 08кп а_Л = = 240 Н/мм², для стали 20сп о,₀ = 380 Н/мм² и т. д.

Для горячей деформации (включая неполную горячую) важную роль играет скорость деформации. При прокатке она переменна по длине очага деформации, поэтому экспериментальные данные, полученные при растяжении образцов при постоянной скорости, непригодны для прокатки. Чтобы имитировать скоростные условия процесса прокатки, испытания проводят на пластометрах или современных разрывных машинах, на которых можно поддерживать постоянную температуру и изменять скорость деформации во времени по любому закону, в том числе характерному для прокатки. Таким способом получены экспериментальные кривые для большого числа сплавов [5]. Одна из них приведена на рис. 5.24. Кривые отражают зависимость сопротивления деформации от логарифма скорости при разных температурах. Степень деформации при этом принимается постоянной. Согласно опытам А.А. Динника даже при горячей прокатке степень деформации влияет на предел текучести, поэтому не учитывать ее нельзя. При высоких скоростях деформирования, в условиях неполной горячей деформации, влияние степени деформации становится весьма существенной.

Для наиболее распространенных углеродистых сталей в интервале температур полной и неполной горячей деформации предложена аппроксимация кривых зависимостью

где А — коэффициент, имеющий размерность Н/мм²; а, Ь, с — безразмерные коэффициенты; Г — температура металла, °С; е =2,73.

Рис. 5.24. Сопротивление деформации Ст45: /-? = 10 %; 2 — е = 20 %; У — е = 40 %

Например, для Ст45 при температурах 1000—1200 °С

В теории ОМД существует другой подход к описанию указанных экспериментальных зависимостей — так называемый метод термомеханических коэффициентов.

Предел текучести металла можно представить в виде

где с_6аз— предел текучести металла, полученный при определенных заданных температуре, степени и скорости деформации.

Для горячей прокатки и растяжения часто в качестве таковых выбирают е = 10 %, и = 10^-2 1/с, t— 1100 °С. При выбранных условиях термомеханические коэффициенты к_?, к_и, к₁ равны 1, они учитывают влияние на сопротивление деформации каждого из указанных факторов при отклонении от базисных значений.

Термомеханические коэффициенты либо представляются в виде соответствующих экспериментальных графиков, либо записываются в виде уравнений

где /1,, А₂, А₃, т,, т₂, т₃ — константы, зависящие от марки сплава, определяемые из экспериментов.

Несмотря на большой накопленный экспериментальный материал и простую методику его использования для практических расчетов, нельзя считать проблему по определению сопротивления деформации для прокатки решенной до конца. Одна из проблем, как уже отмечено, состоит в том, что при прокатке условия деформации и характер напряженного состояния отличны от растяжения. Это влияет на числовые значения прочностных характеристик. Метод определения сопротивления деформации непосредственно при прокатке в базисных условиях (при //А_ср = 1) не получил широкого распространения, так как испытания трудны в исполнении и не могут быть проведены в широком диапазоне термомеханических параметров. Таких экспериментальных данных получено пока мало. При прессовании, ковке, поперечной прокатке и других технологических процессах данных еще меньше. Для этих процессов также пользуются кривыми растяжения, приведенными, например, в [5], и также с определенной долей условности.

Вторая проблема состоит в том, что сам процесс прокатки, как правило, осуществляется в несколько пропусков, пауза между которыми иногда бывает незначительной, чтобы успевали проходить полностью процессы разупрочнения, вязкие и релаксационные процессы. Все они протекают частично. Рассмотренные выше зависимости применимы только для медленных процессов, с большими паузами между проходами. На современных же высокоскоростных непрерывных листовых и проволочных станах скорости велики, паузы между пропусками малы, наклеп полностью не снимается и накапливается по пропускам. Пользование пластометрическими кривыми или кривыми растяжения приводит к существенным ошибкам. При горячей прокатке следует учитывать всю историю упрочнения и разупрочнения металла, от начала до конца процесса. Экспериментально это сделать вряд ли удастся, хотя имеются попытки на ЭВМ “склеить”, смоделировать полную картину упрочнения и разупрочнения на основе поэтапных картинок с использованием изложенных экспериментальных данных.

В настоящее время интенсивно ведутся теоретические разработки, которые смогли бы правильно учесть взаимодействие всех факторов, влияющих на сопротивление деформации, применительно к многоступенчатым высокоскоростным непрерывным процессам прокатки. Разрабатываются сложные компьютерные программы, моделирующие все процессы упрочнения, разупрочнения, вязкости, релаксации и прочих явлений в процессе прокатки на реальном стане, от нагрева металла в печи до его полного охлаждения после прокатки.