Изготовление технологического оборудования обработкой давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция №1. Содержание дисциплины. Роль процессов ковки и штамповки в современном аппаратостроении. Основные методы обработки металлов давлением и отличительные особенности

Целью дисциплины является:

Получение начальной базы знаний по проектно-конструкторским производственно-технологическим, организационно-управленческим и научно-исследовательским работам по изготовлению базовых деталей методами и способами ОМД.

Нам необходимо знать:

1. Основные методы, способы и операции ОМД, используемые в аппаратостроении.

2. Существующие аналитические методы описания поведения металла во время пластического деформирования.

3. Основные методы расчета нагрева и охлаждения заготовок под ковку и штамповку.

4. методы определения потребных усилий под ковку и штамповку.

5. Оборудование и практические способы для ковки и штамповки.

Исходя из сказанного, курс подразделяется на следующие разделы:

1. Введение в курс изготовления технологического оборудования обработкой давлением.

2. Теоретические основы обработки металлов давлением (ОМД).

3. Нагрев металла под ковку и штамповку.

4. Ковка и объемная штамповка

5. Листовая штамповка.

В задачи теории обработки металлов давлением входит определение условий деформации, обеспечивающих:

наивысшую пластичность металла и тем самым возможность максимальной деформации в каждой операции обработки металла;

получение заготовок или изделий с оптимальным сочетанием физико-математических свойств;

обработку при наименьших усилиях и расходе энергии.

Роль процессов ковки и штамповки в современном машино- и аппаратостроении.

В химическом и нефтяном аппаратостроении для изготовления базовых деталей машин и аппаратов используются следующие методы обработки металлов:

- литье;

- обработка резанием (механическая обработка);

- обработка давлением.

Для получения машин и аппаратов сложной формы и конструкций применяют

сварку, клепку, пайку отдельных деталей, полученных литьем или обработкой давлением.

Кроме указанных методов придания формы металлу, некоторые изделия получают прессованием металлических порошков, осаждением из растворов, стравливанием (например, проволоку диаметром менее 0,009-0,01 мм).

Широко используется метод непрерывной разливки металла. При этом получают полупродукт прямоугольного и круглого сечений неограниченной длины при меньшей площади сечения, чем у слитка. Это позволяет упростить передел в прокатных цехах и достигнуть значительной экономии металла за счет сокращения отходов на обрезь.

Литье, как метод получения готовых изделий, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами придания формы металлу. Однако литье имеет и недостатки, ограничивающие область его применения. Литые изделия имеют недостаточную плотность, неоднородность состава, крупнокристаллическое строение. Эти дефекты литой структуры только частично могут быть устранены термической обработкой.

Придание металлу формы и размеров резанием осуществляют на различных станках - строгальных, сверлильных, токарных, фрезерных, шлифовальных. Этот процесс происходит с образованием отходов в виде стружки.

Резанием можно получать изделия сложной формы, точных размеров, с высокой степенью чистоты поверхности. Заготовки для обработки резанием получают литьем или обработкой давлением с максимальным приближением ее формы и размеров к готовому изделию.

Применение штампо-сварных конструкций по сравнению с литьем имеет ряд преимуществ: снижает расход металла на 30-70%, а вес, собственно, конструкций на 10-30%, уменьшает трудоемкость механической обработки до 30%, сокращает цикл подготовки производства и т.п.

Эффективность применения штампо-сварных конструкций при изготовлении гидравлических турбин, паровых турбин большой мощности, химической аппаратуры, прессов, прокатных станов и других изделий подтверждается опытом передовых предприятий России. При переводе на штампо-сварное исполнение конструкций и оборудования химической промышленности достигнута, например, по корпусу конденсационной колонны экономия металла 27 т (12%), снижена стоимость на 20%, по корпусу фильтра экономия металла составила 7 т (14%), снижение стоимости - 30%.

Перевод только семи крупногабаритных деталей в турбинах Куйбышевской и Волгоградской ГЭС со стального литья на штампо-сварное исполнение позволил сэкономить 2000 т металла (12,6% веса деталей) и снизить трудоемкость механической обработки на 230000 станко/час.

Штампо-сварные конструкции за последнее время нашли значительное применение в станкостроении, судостроении, прессостроении, в строительстве атомных электростанций и других сооружений.

Возникла необходимость в создании искусственных спутников Земли в виде постоянно действующих пилотируемых орбитальных станций для заправки, ремонта, сборки, а также изготовления транспортных ракет - космических кораблей. Такой настоятельной необходимостью является проникновение человека на дно морей и океанов любых глубин для использования их богатства. Для всего этого необходимо создать сложные штампо-сварные сосуды, батисферы, конструкции, выдерживающие большие давления. Это еще раз подтверждает важную роль листовой штамповки крупногабаритных изделий.

Операции обработки металлов давлением и их отличительные особенности

Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов. Пластичностью называют способность металлов остаточно изменять свою форму, деформируясь без разрушения под влиянием внешних усилий.

В зависимости от формы и размеров изделия, а также свойств деформируемого металла или сплава применяют различные процессы обработки давлением: ковка и штамповка.

Ковка - это обработка металлов давлением местным приложением деформирующих нагрузок, с помощью универсального подкладного инструмента или бойков.

Одним из распространенных процессов ковочной операции является свободная ковка. При свободной ковке всю заготовку или ее участки подвергают воздействию бойка, молота или пресса; при этом воздействие инструмента на боковые поверхности заготовки отсутствуют или невелико (ковка в вырезных бойках, обжимках).

В настоящее время свободную ковку применяют для получения крупных поковок из слитков и для изготовления небольших партий средних и мелких поковок из прокатанного материала.

В аппаратостроении ковочными операциями изготовляют такие базовые детали как фланцы. Штамповка - ОМД с помощью штампа.

Объемная штамповка - штамповка деталей из сортового проката с обусловленным значительным перераспределением металла в поперечном сечении исходной заготовки. Листовая штамповка - штамповка деталей из листового или фасонного проката без обусловленного значительного перераспределения металла в поперечном сечении исходной заготовки.

Штамповка вальцовкой - листовая или объемная штамповка деталей при относительном вращении частей штампа или исходной заготовки в процессе деформирования.

При серийном и массовом производстве мелких и средних поковок применяют объемную штамповку на прессах. В этом случае катаную заготовку посещают в полость штампа. Под воздействием давления заготовка деформируется и заполняет полости штампов.

Сложные поковки получают последовательной штамповкой заготовок в ряде штампов, форма полости которых (ручьи) постепенно приближается к форме готовой поковки.

Для изготовления изделий из листов, используемых при производстве автомобилей, тракторов, самолетов, посуды и т.п., широко применяют листовую штамповку.

Для производства прутков с различной формой поперечного сечения и труб, в том числе с внутренними и наружными ребрами, применяют прессование (выдавливание). При прессовании слиток или катаную заготовку помещают в контейнер и, под воздействием пуансона, металл выдавливается через отверстие матрицы.

Волочение применяют при производстве проволоки, прутков и труб. Сущность процесса волочения заключается в том, что изделие протягивают через отверстие в волоке, имеющее меньшее сечение, а иногда и иную форму. В результате уменьшается сечение изделия и увеличивается его длина, а при изготовлении проволоки фасонного сечения изменяется и форма. Волочение применяют иногда для получения точных размеров и чистой поверхности горячекатаных профилей, а также с целью упрочнения изделий. Волочение изделий осуществляют в основном в холодном состоянии.

Исключительно большое значение в народном хозяйстве имеет прокатка. Сущность процесса продольной прокатки заключается в том, что слиток или заготовка, благодаря действию сил трения, втягивается валками, вращающимися в разные стороны, в зазор между ними, обжимается по высоте и увеличивается по длине и по ширине. При этом заготовка принимает форму зазора между валками (калибра).

При производстве некоторых видов проката, в частности бесшовных труб, применяют косую (винтовая, геликоидальная) прокатку.

Такие процессы обработки металлов давлением, как прокатка, волочение и частично прессование, характеризуются последовательностью, непрерывностью действия инструмента на обрабатываемый металл, а свободная ковка, объемная и листовая штамповка - периодичностью действия инструмента.

Последовательные процессы являются более совершенными, чем периодические. При последовательных процессах можно применять высокие скорости обработки изделий. Кроме того, эти процессы сравнительно легко механизировать и автоматизировать.

Отличительные признаки операции ОМД

1. По заготовке (при ковке и объемной штамповке все три размера заготовки одного порядка; при листовой штамповке толщина заготовок на порядок меньше длины и ширины)

2. По деформации утонения стенок заготовки при листовой штамповке минимальное ( в ОСТе26-291) утонение толщины стенок (Ѕ) днища и обечаек не более 15%. При объемной штамповке и ковке изменения размеров достигает 90%.

3. По скорости деформирования (высокоскоростная обработка достигается при ковке на паровоздушных молотах; объемная и листовая штамповка совершается при малых скоростях, в основном на тихоходных гидравлических прессах, кроме разделительных, которые совершаются на кривошипно-шатунных и фрикционных прессах).

4. По поверхности обработанной детали (при листовой штамповке как разделительных, так и формообразующих операций достигается высокая точность формы и размеров, то есть является окончательной операцией для заготовки). При ковке и объемной штамповке операции ОМД являются промежуточными, после которых производится окончательная чистовая обработка (механическая обработка).

5. Оборудование - при ковке применяются высокоскоростные молоты, а при штамповке - прессы.

6. По технологической оснастке (ковка осуществляется подкладным инструментом или байками, листовая штамповка - наличием ручьев штампа (верхний, нижний ручей); листовая штамповка - подвижная деталь - пуансон, неподвижная - матрица).

Лекция № 2. Основные положения теории пластических деформаций металлов

Способность тела получать пластическую деформацию называют пластичностью.

Следует помнить, что как упругая, так и пластическая деформация происходит без нарушения сплошности тела. Пластичность металла оценивается максимальной величиной пластической деформации, которую можно получить без разрушения деформируемого тела. Следует помнить, что пластичность металлов зависит от условий деформирования и напряжённого состояния. Один и тот же металл при различных условиях деформирования и напряженных состояниях дает различную величину пластических деформаций без разрушения, т.е. пластичность нельзя рассматривать как свойство металла, а как его состояние.

Напряженное состояние.

При воздействии на тело любой конфигурации каких-либо внешних сил, в нем возникают внутренние усилия, то есть тело находится в напряженном состоянии.

Интенсивность внутренних усилий, создающих напряженнее состояние тела, отнесенная к единице площади сечения тела называется напряжением:

где F - внешняя сила, которую необходимо приложить к телу для осуществления пластической деформации;

S - площадь проекции контактной поверхности на плоскость перпендикулярную направлению прилагаемой силы.

В общем случае направление и величина напряжения зависят от положения элементарной площадки в теле.

Если в деформируемом теле выделить элементарный параллелепипед с гранями, перпендикулярными к осям прямоугольных систем координат, то по граням действуют напряжения, которые могут в общем случае иметь различную величину и различные направления.

Нормальные составляющие принято обозначать буквой у с индексом, указывающим направление нормали к соответствующей грани параллелепипеда, а касательные составляющие напряжений обозначают буквой ф с двумя индексами, из которых первый указывает направление

Величина удельного давления является одним из основных показателей, который используется при анализе и расчетах процессов о.м.д. Зная величину удельного давления течения, можно определить усилие и работу формоизменения (штамповки).

Удельное давление зависит от схемы напряженного состояния, от сопротивления металла деформированию, условий внешнего трения на поверхностях соприкосновения металла с деформирующим инструментом.

Вид напряженного состояния.

Напряженное состояние в какой-либо точке деформирующего тела характеризуется тремя главными нормальными напряжениями и направлениями главных осей.

Различают три основных вида напряжённого состояния:

- объемное (трехосное), при котором все три главных напряжения не равны нулю;

- плоское (двухосное), при котором одно главное напряжение равно нулю;

- линейное (одноосное), при котором только одно главное напряжение не равно нулю.

Если все нормальные напряжения имеют одинаковый знак, то напряженное состояние называют одноимённым, а при напряжениях различного знака - разноимённый.

Таким образом, существуют видов напряженного состояния: 4 -объемных, 3 - плоских, 2 - линейных.

Однородным называется напряженное состояние - когда в любой точив деформируемого тела направления главных осей и величины главных напряжений остаются неизменными.

Виды напряжённого состояния влияет на способность металла пластически деформироваться не разрушаясь.

Так, например, деформирование в условиях объемного одноименного напряженного состояния требует большего усилия, чем при разноименном напряжённом состоянии.

Деформации

Главными осями деформации называют три взаимно перпендикулярные оси, отличаются тем, что на площадках перпендикулярных к ним, отсутствуют сдвиги и действуют только деформации растяжения (удлинение) или сжатие (укорочение).

Гл. деформации - относительное изменение размеров вдоль главных осей

Гл. деформации сдвига действуют по взаимно-перпендикулярным площадкам которое делят пополам углы между главными осями деформаций.

Гл. деформации сдвига связанные с гл. деформациями растяжения определяются следующим образом:

следовательно:

Октаэдрическая - это деформация нормальная к октаэдрической плоскости:

Октаэдрический сдвиг определяется следующим образом:

Деформациям приписывающим растяжение приписывается знак (+), сжатие - (-).

Различают 3 вида главных деформаций:

Относительная главная деформация - отношение положительного и отрицательного приращения размеров в направлении какой-либо из трех главных осей к соответствующему начальному размеру:

- начальный и конечный режимы тел.

Абсолютная главная деформация - положительное или отрицательное приращение размеров деформируемого тела в направлении какой-либо из трех главных осей:

Истинная (действительная) главная деформация - представляет интегральную величину - отношение бесконечно малых приращений размера к соответствующему размеру в рассматриваемый момент деформации:

При разложении в ряд последнего выражения первый член яда авен относительной главной деформации. Следовательно, при малых пластических деформациях:

Наиболее полное и правильное представление о степени деформации дают значения 3-х истинных главных деформаций.

Но на практике нередко удобнее рассматривать только одну максимально главную деформацию (относительную), которую называют степенью деформации.

Степень „деформации является одним из основных показателей, определяющих процесс формоизменения. Так, например, степень деформации определяет упрочнение металла, удельные давления, течения и работу деформирования.

Предельная степень деформации при которой происходит разрушение металла, служит показателем его пластичности.

Виды деформированного состояния. Деформированное состояние в какой-либо точке характеризуется тремя главными деформациями и тремя направлениями главных осей деформации.

2.1 Механическая схема деформации

Для проектирования технологического процесса штамповки важно знать напряженное и деформированное состояние каждого участка заготовки в течение всего процесса. Совокупность схем напряженного и деформированного состояния тела при пластической обработке давлением называется механической схемой деформации. Таким образом, сравнивая и исследуя различные механические схемы деформации, можно классифицировать различные способы формоизменения и получить графическое представление о наличии и знаке главных напряжений и главных деформаций.

Рассмотрим схемы главных деформаций. Известно из условия постоянства объема, что максимальная главная деформация по абсолютной величине равна сумме двух других деформаций, взятых с обратным знаком, в результате чего имеются три вида схем деформированного состояния тела (рис. 2.1).

Первая схема. Одна главная деформация положительная, другие две главные деформации отрицательные; при этом происходит растяжение. В общем случае все деформации по абсолютной величине не равны между собой. Часто рассматривается частный случай, когда две отрицательные главные деформации равны между собой, - простое растяжение.

Вторая схема. Одна главная деформация отрицательная, две главные деформации положительные; при этом происходит сжатие. Общий случай, как и в первой схеме, все главные деформации по абсолютной величине не равны друг другу. Часто также рассматривается частный случай, когда две положительные главные деформации равны между собой, - простое сжатие.

Третья схема. Одна главная деформация равна нулю, а две главные деформации равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Такое деформированное состояние тела называют сдвигом.

Математически указанные выше три схемы деформированного состояния можно представить следующим соотношением:

где Ks - характеристический коэффициент деформации.

Для первой схемы с одной положительной деформацией справедливо выражение

Для второй схемы с одной отрицательной деформацией справедливо выражение. В теории пластической деформации принимают также три основные схемы напряженного состояния деформируемого тела.

Вторая разноименная схема характеризуется тем, что одно из трех напряжений разного знака: одно положительного знака, два - отрицательного знака и, наоборот, одно отрицательного знака, два других - положительного знака.

Вторая схема характеризуется тем, что одно из трех главных напряжений равно нулю, т.е. плоским напряженным состоянием тела (двухосная схема).

Третья схема характеризуется тем, что одно из трех главных напряжений не равно нулю, т.е. линейным напряженным состоянием тела (одноосная схема). Линейных схем две: одна - с положительным (растягивающим), вторая - с отрицательным (сжимающим) напряжениями.

Следовательно, в теории пластической деформации различают всего девять схем главных напряжений: четырех объемных (трехосных), три плоских (двухосных), две линейные (одноосные).

В сочетании с разновидностями этих схем, т.е. одноименных и разноименных, различают двадцать три вида механических схем деформаций.

Рассматривая схемы главных деформаций и главных напряжений раздельно, нельзя представить характер формоизменения. Только при совокупном рассмотрении их можно судить о сопротивлении деформированию и пластичности материала в процессе деформирования.

Лекция №3

Физическая сущность процесса пластической деформации. Механизмы пластического деформирования металлов и сплавов. Скольжение и двойникование

Для изучения природы пластической деформации с точки зрения различных направлений необходимо знать строение металлов. Как известно, материалы делятся на аморфные и кристаллические. Самым простым механизмом пластической деформации обладают аморфные тела, так как их атомы находятся в беспорядочном состоянии и легко переходят из одних мест устойчивого равновесия в другие в зависимости от направления поля напряжений. С.И. Губкин указывает, что аморфный механизм (диффузионная пластичность) пластической деформации заключается в асинхронном последовательном перемещении атомов, особенность которого состоит в том, что отсутствует какая-либо упорядоченность в последовательности направленных перемещений, а сопротивление сдвигу зависит от скорости деформаций и гидростатического давления (среднего напряжения). Как известно, все металлы имеют кристаллическое строение, при котором атомы, располагаясь в пространстве, занимают определенное, но для различных металлов различное, положение с определенной закономерностью и периодичностью по прямым линиям и плоскостям. Обычно это - многогранник, повторяющийся много раз в трех кристаллографических направлениях. Наименьший многогранник называется элементарной ячейкой кристаллической решетки. Расстояние между атомами в ячейке кристаллической решетки измеряется в ангстремах (1 А = 1*10^-7 мм).

Сочетание группы элементарных ячеек кристаллической решетки в трехмерном направлении называется пространственной решеткой, а расстояния, повторяющиеся между элементарными ячейками кристаллической решетки, называются параметрами решетки. Добавив к параметрам решетки еще углы между направлениями этих параметров, можно геометрически построить элементарную ячейку. Различают следующие типы элементарных решеток.

1. Кубическая объемно-центрированная решетка, у которой атомы расположены в углах куба и на диагоналях в центре куба с параметрами а₀, b₀, с₀ и б₀, в₀, г₀ . В дальнейшем для краткости изложения опускаем слова «элементарная ячейка». Эта решетка в основном присуща таким металлам, как б- и в-железу, ванадию, вольфраму, литию, молибдену, хрому, танталу и др.

2. Кубическая гранецентрированная решетка, у которой атомы расположены в центре граней с параметрами а_г, b_г, с_г и б_г, в_г, г_г. Такую решетку в основном имеют алюминий, золото, г-железо, медь, никель, платина, свинец, серебро и другие металлы.

3. Гексагональная решетка представляет собой шестигранную призму и характеризуется равенством двух линейных параметров (а = b) и неравенством третьего параметра с, а углы б = в = 90°, г = 120°. Эта решетка присуща таким металлам, как бериллий, кадмий, кобальт, магний, б-титан, цинк, и др.

В указанных кристаллических решетках атомы располагаются в определенных кристаллографических плоскостях и имеют определенное кристаллографическое направление. Установлено, что физические, химические и механические свойства веществ зависят от взаимодействия атомов друг с другом, их расположения и расстояния друг от друга. Такие различия по направлениям, характерные для кристаллического строения, называются анизотропией. Это явление имеет важное значение при холодной штамповке, особенно при гидровзрывной штамповке.

В связи с тем, что при затвердевании (остывании) расплавленного металла образуется множество центров кристаллизации, застывший металл представляет собой собрание большого количества кристаллов, или, как их называют, зерен. При этом нельзя смешивать понятия кристаллиты и кристаллы, так как в соседних кристаллитах могут быть совершенно различные кристаллографические направления. Как правило, зерна отделены друг от друга пограничным слоем, насыщенным примесями и неметаллическими включениями. Таким образом, собрание кристаллитов представляет собой строение металла, называемое поликристаллическим.

В том случае, когда весь объем тела имеет постоянное направление определенных кристаллографических плоскостей в пространстве, в отличие от поликристалла, то такие тела называют монокристаллами, которые можно получить искусственно и на них изучать процесс пластической деформации.

Природа пластической деформации заключается в том, что под влиянием внешней силы происходит смещение атомов в положение устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами. Механизм холодной пластической деформации монокристалла происходит сложными путями: основные из них - скольжение и двойникование.

Образно скольжение можно представить таким образом. Если взять стопку металлических монет и, прижав ее сверху пальцем, сдвинуть в сторону, то произойдет параллельное смещение монет по определенным параллельным плоскостям относительно друг друга и появятся как бы полосы скольжения, внутри которых не происходит никакой деформации. Расстояние между этими полосами скольжения получится Примерно 10 000 А, в то время как расстояние между соседними атомными плоскостями равно около 1 А. Кристаллографические плоскости, по которым происходит скольжение, имеют максимальное скопление атомов или максимальную плотность атомов; эти плоскости называются плоскостями скольжения. Направление скольжения будет происходить в ту сторону, где межатомные расстояния будут минимальными; это направление носит название направления скольжения.

Как правило, этот механизм пластической деформации, т.е. скольжение наступает в начальном периоде пластической деформации.

Вторым путем механизма пластической деформации является так называемое двойникование. Сущность двойникования состоит в смещении кристаллографических плоскостей под углом б < 90° и повороте вдоль какой-то плоскости, называемой плоскостью двойникования. Образно это можно себе представить, приложив решетку к зеркалу под каким-то углом. Схематично это изображено на рис. 1, где пунктиром показан результат двойникования в результате деформации от усилий Р. Угол в равен 180 - 2б; сплошной жирной линией показана плоскость двойникования, пунктиром показан двойник, полученный в процессе пластической деформации, D - его элемент.



Рис. 1. Схема механизма пластической деформации двойникованием

Двойникование, как правило, происходит в результате динамической деформации. Но в основном у пластически обрабатываемых металлов механизм деформации происходит за счет скольжения. В настоящее время механизм скольжения объясняется относительным смещением части атомов по тем кристалло графическм плоскостям, в которых имеются в металле нарушения Правильности кристаллического строения.

Специальные исследования показали, что реальные монокристаллы и зерна имеют мозаичное строение, представляющее собой блочное скопление. Размеры каждого из этих блоков примерно 100 - 10 000 А, и некоторые из них, называемые блоками мозаики, повернуты относительно друг друга на угол 10 - 20'.

В работах Д.Б. Гогоберидзе показано, что одним из механизмов пластической Деформации является поворот отдельных блоков мозаики относительно друг друга, называемый междублочным сдвигом.

В 20-х гг. была высказана гипотеза (Я.И. Френкель, Дж. Тейлор и др.), что пластическая деформация скольжением происходит главным образом вследствие отдельных нарушений правильности строения кристаллической решетки. Суть нарушений заключается в том, что в отдельных участках кристаллической решетки атомы в недеформированном металле смещены из устойчивого положения в неустойчивое, имеющие минимум количества потенциальной энергии.

При приложении деформирующих усилий смещение атомов происходит по тем плоскостям, где требуется минимум затрат энергии, т. е. по тем плоскостям, где имеется минимум потенциальной энергии. Таким образом, каждый атом в неравновесной цепочке занимает равновесное положение.

Эта гипотеза, объясняющая процесс скольжения перемещением в плоскости скольжения отдельных несовершенств пространственной решетки, называется гипотезой дислокаций. Гипотеза дислокаций довольно четко объясняла значительную разницу между действительными и расчетными усилиями межатомных связей. Последние превышают первые во много раз.

В 50-х гг., когда появилась возможность в экспериментальных подтверждениях, эта гипотеза получила строго научный характер и является основной теорией, дающей близкое к действительности понятие о механизме пластической деформации. Существование дислокаций подтверждалось исследованиями с помощью ионного проектора, электронно-микроскопического исследования рентгеновской топографии, а также другими методами (в том числе косвенными).

В теории рассматривают различные типы дислокаций, основными из них являются краевая и винтовая. В реальных монокристаллах краевая и винтовая дислокации часто встречаются одновременно.

Краевой дислокацией называют такую дислокацию, которая возникает в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, при этом совершенно очевидно, что количество атомных плоскостей по одной стороне плоскости больше, чем по другой.

Винтовая дислокация характеризуется тем, что кристаллографические плоскости, перпендикулярные к плоскости скольжения, находятся в изогнутом положении, как бы претерпевая изгиб, т. е. атомы, смещенные из положения равновесия, располагаются по винтовой линии.

Исходя из сущности краевой дислокации, можно построить схему (рис. 2.6) и дать определение некоторых элементов дислокации. Как видно из рисунка, в верхней части от плоскости скольжения Р появляется как бы добавочная плоскость S, усеянная атомами б', б", и отсутствуют атомы ниже плоскости скольжения Р. В теории дислокации приняты следующие наименования отдельных элементов, характеризующих систему дислокаций. Положительной краевой дислокацией называют ту, у которой дополнительная плоскость S находится выше плоскости скольжения и обозначается знаком +. У отрицательной краевой дислокации, обозначаемой знаком T, дополнительная плоскость S находится ниже плоскости скольжения Р. Точки, расположенные на линии г - д, равно как и точку б, называют центрами дислокации, а линию, проходящую через центры дислокации, в данном случае линию г - д, называют линией дислокации.

В связи с появлением дополнительной плоскости вызывается нарушение правильного взаимного расположения атомов, что соответствует минимуму потенциальной энергии. Вблизи линии дислокации нарушение правильности взаимного расположения атомов повышает потенциальную энергию участка кристаллической решетки в районе линии дислокации, что вызывает возникновение силового поля с повышенным уровнем потенциальной энергии.

Рис. 2 Схема краевой дислокации

Краевая дислокация может перемещаться в направлении действия сдвигающих сил, в данном случае под действием касательных напряжений ф (рис. 2). Это перемещение происходит на одно межатомное расстояние, т.е. центр дислокаций б переходит в положение нового центра в. Следовательно, дополнительная плоскость 5 занимает положение, соответствующее точкам в, в', в"… и максимальное межатомное расстояние образуется не между точками а и в, а между точками в и е. На рис. 2.6 отчетливо видно, что искажения межатомных расстояний быстро убывают по мере удаления от центра или линии дислокаций и что в районе положительных краевых дислокаций межатомные расстояния (например, а' - б', б' - в') меньше расстояний в идеальной решетке, а в районе отрицательных краевых дислокаций межатомные расстояния (например, а₁, в₁, а₂, в₂) больше, чем межатомные расстояния в идеальной решетке.

Это же положение сохраняется и при указанном выше элементарном передвижении краевой дислокации. Таким образом, краевая дислокация переходит, как бы пробегая от одной стороны, монокристалла к другой (противоположной), в результате чего верхняя часть монокристалла смещается относительно нижней на одно межатомное расстояние. Такое перемещение атомов и есть начало пластической деформации, а так как дислокаций очень много в металле, то пластическая деформация приобретает ощутимые размеры. По данным А.Д. Манасевича, число дислокаций по теоретическим подсчетам в металле в 1 см² составляет 10⁸, а в наклепанном металле до 10¹².

В теории дислокаций различают движение и переползание дислокации. При краевой дислокации, как уже указывалось выше, движение дислокации происходит в одной и той же плоскости скольжения, а переползание дислокации происходит в результате перехода (переползания) из одной плоскости скольжения в другую, ей параллельную. При этом происходит диффузия переноса вещества из одной плоскости в другую, вследствие чего размеры дополнительной плоскости претерпевают изменения.

Как известно, диффузия активизируется при увеличении температуры и переползание в связи с этим активизируется, в результате при определенных условиях направленная диффузия может вызвать пластическую деформацию или быть источником ее.

Переползание винтовой дислокации не предусматривает диффузионного процесса, так как она не имеет дополнительных атомных плоскостей и поэтому осуществляется сравнительно беспрепятственно.

Для раскрытия механизма пластической деформации также необходимо раскрыть механизм возникновения дислокаций как несовершенств кристаллической решетки вещества.

Дислокации в реальных монокристаллах образуются главным образом в процессе кристаллизации, когда происходит в результате различных температурных полей различная ориентировка ветвей дендритов. Механизм возникновения дислокаций заключается в срастании симметрично разориентированных частей двух соседних кристаллов.

Винтовая дислокация образуется при кристаллизации, главным образом, в связи с наличием посторонних примесей или атомов дисперсного включения других металлов (другой кристаллографической решетки), что искажает кристаллическую решетку основного металла-сплава и при этом дополнительные плоскости атомов не образуются.

В реальных поликристаллах механизм возникновения дислокаций может быть результатом локальных затруднений движению дислокаций в процессе пластической деформации.

Дислокации характеризуются также и скоростью их движения, которая зависит от материала, действующих напряжений и температурных условий. Некоторые авторы приводят формулы в виде экспоненциальной функции, определяющие скорость движения дислокации и полученные на основании экспериментальных данных. Так, например

 (1)

где А - постоянная материала; Т - абсолютная температура опыта; ф - Действующее касательное напряжение; х_дис - скорость движения дислокации; х₀-скорость звука в данном металле.

На основании этой формулы при постоянной абсолютной температуре, при которой проводился опыт, дается зависимость скорости движения дислокации как функции от касательных напряжений

х_дис = f (ф).

В теории дислокаций подробно изучается вопрос взаимодействия. Силовые поля дислокаций могут не только взаимодействовать с силовыми полями инородных атомов, но и между собой; разноименные дислокации притягиваются друг к другу, а одноименные - отталкиваются. Располагаясь в пересекающихся плоскостях, дислокации взаимодействуют между собой; стремясь занять положение с тенденцией к уменьшению потенциальной энергии кристаллической решетки.

Если дислокации располагаются чрезвычайно плотно друг к другу, то это приводит к группированию их, и таким образом образуются новые пространственные сетки, затрудняющие движение дислокаций. Чем меньше число дислокаций, тем больше повышается сопротивление пластическим деформациям. Это положение подтверждается тем, что у полученных в естественных или искусственных условиях нитевидных монокристаллов («усов»), почти не имеющих дислокаций, сопротивление пластическим деформациям близко к теоретическому, рассчитанному из предположения об одновременном смещении атомов параллельных плоскостей.

Прочность монокристалла в зависимости от количества дислокаций, т. е. от количества имеющихся в нем искажений кристаллической решетки, характеризуется диаграммой, приведенной А.А. Бочваром. Рассматривая ее (рис. 3), можно прийти к следующему выводу: повышение прочности монокристалла относительно минимального его значения можно получить увеличением искажений в кристаллической решетке - правая ветвь, или сведением этих искажений к минимуму - левая ветвь. Максимальное количество искажений в кристаллической решетке (по величине и количеству), приводящих к появлению наибольших трудностей смещения дислокаций, можно обеспечить легированием металла определенными компонентами. Уменьшение дислокации до минимума достигается получением особо чистых металлов.

Некоторые авторы считают, что одним из важных механизмов пластической деформации, кроме описанных выше, является межкристаллитная (межзеренная) деформация, другие основными процессами деформации считают процессы внутрикристаллитной деформации, к которым относятся изложенные выше механизмы пластической деформации. Нам представляется, что межкристаллитная деформация имеет очень важное значение при определенных условиях (температура, скорость и пр.) и, главным образом, в случаях, когда межзеренное вещество имеет прочность значительно ниже, чем прочность кристалла.

Рис. 3 Зависимость прочности монокристалла от количества искажений решетки

Одним из видов механизма межкристаллитной деформации является такой, при котором нарушаемые связи между зернами не восстанавливаются, и это приводит к охрупчиванию деформируемого металла. Поэтому, как правило, имеется частичное восстановление связей «схватыванием». При этом, чем интенсивнее происходит восстановление нарушенных связей, тем пластичность процесса выше. Восстановление нарушенных связей может происходить за счет следующих факторов: образование прочностных связей между двумя свободными поверхностями различно ориентированных кристаллических решеток при температурах более низких, чем температура рекристаллизации металла, решетки которого взаимодействуют; рекристаллизация при определенных температурных градиентах; химические взаимодействия для поликристаллов, состоящих из зерен различных фаз. Последний фактор А.А. Бочвар назвал растворно-осадительным механизмом. При достаточно большой и сильно меняющейся с изменением температуры растворимости элементов смеси зерен двух различных фаз, благодаря местному повышению температуры в процессе деформации, происходит взаимное растворение элементов смеси и обратное выделение их из растворов при охлаждении. В результате такого взаимодействия элементов смеси происходит «залечивание» субмикроскопических очагов разрушения, вызванных перемещением зерен двух различных фаз относительно друг друга. Таким образом, при залечивании полностью или даже частично (но в значительной степени) межзеренные перемещения могут играть значительную роль в формоизменении тела.

Рассмотрим некоторые особенности межзеренной деформации поликристалла.

В зернах поликристалла с различно ориентированными плоскостями скольжения будут различные величины упругой деформации, которая является началом пластической деформации отдельных зерен; при снятии нагрузки также будут возникать остаточные напряжения между отдельными зернами поликристалла. Механизм возникновения этих остаточных напряжений можно представить себе следующим образом.

В зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения, называемых «слабыми» зернами, составляющая упругой деформации меньше, чем у «сильных» зерен с неблагоприятной ориентировкой плоскостей скольжения. Казалось бы, что при разгрузке «сильные» зерна должны изменяться по размерам больше чем «слабые», но вследствие их взаимосвязи деформации у тех и других одинаковые. Изменяются только напряжения, т. е. напряжения, действующие в «сильных» зернах, не падают до нуля, имея положительное значение, а напряжения в «слабых» зернах падают ниже нуля и имеют отрицательное значение по сравнению с напряжениями, существовавшими при нагружении. В результате того, что возникают остаточные напряжения между отдельными зернами поликристалла, и не одновременности включения зерен в пластическую деформацию появляются некоторые особенности деформации: нарушение линейной зависимости деформаций от напряжений при нагружении выше предела пропорциональности, упругое последействие, релаксация напряжений, упругий гистерезис, эффект Баушингера, наличие площадки текучести,

Остановимся кратко на каждой из приведенных особенностей деформации.

Так как при незначительном увеличении напряжения, кроме упругой, появляется пластическая деформация, нарушается пропорциональность, т. е. линейная зависимость между напряжением и деформацией. Таким образом, на диаграмме напряжение-деформация образуется закругленный участок в сторону увеличения деформации.

Поликристаллическое тело, находящееся под постоянной нагрузкой, не превышающей предел текучести, с течением времени получает дополнительную деформацию, а после снятия внешних сил имеет некоторую остаточную деформацию, которая также со временем значительно уменьшается и даже исчезает. Такое явление в теории пластических деформаций называется упругим последействием. Объясняется это тем, что незначительные напряжения, действующие в зернах с благоприятной ориентацией плоскостей скольжения, с течением времени приводят к пробегам дислокаций, вызывающим элементы пластических деформаций «слабых» зерен, увеличению упругой деформации «сильных» зерен и, следовательно, к дополнительной деформации всего поликристаллического тела. В результате снятия ранее приложенных внешних сил упруго деформированные зерна, взаимодействуя со «слабыми» зернами, создадут остаточные напряжения обратного знака. В свою очередь, под действием остаточных напряжений в «слабых» зернах с течением времени за счет пробегов дислокаций возникнут пластические деформации обратного знака, что приведет к уменьшению остаточных напряжений или даже к их исчезновению в объеме поликристаллического тела.

С течением времени необходимое для поддержания постоянной деформации поликристалла напряжение уменьшается; это явление называется релаксацией напряжения.

Релаксация напряжения появляется в результате того, что в деформированных зернах, находящихся в плоскостях скольжения с правильной ориентировкой, происходит направленное движение дислокаций, которое приводит к тому, что доля упругой деформации убывает. В связи с этим уменьшается величина напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации, которая связана только с упругой деформацией.

Если нагрузить образец несколько выше предела пропорциональности и затем разгрузить, то заметим на диаграмме усилия - деформация, что линия нагружения не совпадает с линией разгрузки и при этом образуется своего рода петля. Эта петля получила название петли упругого гистерезиса.

Явление упругого гистерезиса объясняется тем, что при нагружении образца выше предела пропорциональности появляется пластическая деформация в зернах с благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения, поэтому учитывается прирост деформации образца при том же увеличении напряжения по сравнению с линейной зависимостью. Разгрузив образец, уменьшим тем самым деформацию «сильных» зерен, что снимет упругую деформацию «слабых» зерен и создаст в них упругую деформацию обратного знака, которая при определенных условиях перейдет в пластическую деформацию. Таким образом, в конечной стадии разгрузки по мере уменьшения деформирующих сил интенсивность убывания деформации возрастает по сравнению с линейной зависимостью.

Петля гистерезиса характеризует работу, затраченную в процессе деформации на выделение тепла.

При релаксации напряжений каждый цикл последовательных нагружений и разгружений растягиваемого образца до напряжений, близких к пределу текучести, дает приращение пластической деформации.

Еще одной из особенностей описываемых деформаций является эффект Баушингера. Он характеризуется тем, что образец, предварительно деформированный выше предела текучести, при последующей деформации обратного знака имеет уменьшенное сопротивление деформированию, т. е. уменьшаются пределы пропорциональности, текучести, упругости. Это явление объясняется тем, что зерна с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения за счет снятия упругой деформации в соседних зернах получат упругие деформации обратного знака; поэтому потребуется меньшее увеличение напряжения (при деформации обратного знака) для появления в этих зернах пластических деформаций. На диаграмме растяжения наблюдаем горизонтальную линию, показывающую, что деформация образца происходит без увеличения напряжения. Эту горизонтальную составляющую диаграммы называют площадкой текучести. Напряжение, соответствующее площадке текучести, является физическим пределом текучести у_т (в отличие от условного предела текучести у₀₂). Это явление объясняется тем, что если дислокации окружены множеством атомов различных примесей, увеличивающих напряжения, необходимые для начала движения дислокаций, то с развитием пластической деформации, когда дислокации выйдут из окружения атомов примесей, последующая деформация потребует меньшие напряжения. Существенное уменьшение сопротивления деформированию приводит к локализации пластических деформаций вблизи зерен с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей скольжения, а возрастающая при этом ориентация напряжений способствует распространению пластических деформаций от этих локальных участков. В результате в образце образуются зоны сосредоточенной пластической деформации. По мере увеличения деформации эти зоны увеличиваются и сливаются, охватывая весь объем тела при деформациях больших, чем максимальная деформация, соответствующая текучести.

Обобщая все изложенное выше, можно сказать, что пластическая деформация представляет собой механические и кристалле-

графические явления, а также физические изменения, происходящие в деформируемом теле под действием приложенных сил. С. И. Губкин, определяя сущность пластической деформации, указывает: «пластическая деформация представляет собой в общем случае сложный физико-химический процесс, сопровождаемый структурными изменениями и изменением физических и физико-химических свойств деформируемого тела».

Лекция №3. Условия текучести (пластичности)

Операциям листовой штамповки соответствуют определенные схемы напряженного состояния. При разделительных операциях напряженное состояние объемное и приближенно соответствует деформированию сдвигом. При формоизменяющих операциях без принудительного утонения, за исключением гибки, схемы напряженного состояния в очаге деформации близки к схеме плоского напряженного состояния. При операциях с принудительным утонением схема напряженного состояния объемная. При операциях гибки напряжения по толщине материала в очаге деформации переменны не только по величине, но и по знаку, а схемы напряженного состояния могут быть объемными.

Оценка характера схем напряженного состояния важна для установления условий перехода от упругих деформаций к пластическим.

Для операции, при которых схемы напряженных состояний близки к плоским (одно из главных нормальных напряжении равно нулю, а два других постоянны по толщине), предельное состояние может быть охарактеризовано или шестиугольником (по гипотезе Треска-Сен-Венана) или эллипсом (по гипотезе Губера-Мизеса-Генки).

Обозначим меридиональное напряжение через у_с, а тангенциальное через у_в для осесимметричных условий деформирования эти напряжения являются главными.

На рис. 1.1 приведены кривая предельного состояния в координатах у_с, у_в по вышеуказанным гипотезам, а также схемы напряженного состояния при различных операциях листовой штамповки. На этом рисунке показано, что одноименные схемы отбортовки и обжима отличаются лишь знаком напряжений у_с и у_в. При отбортовке оба эти напряжения положительны (двухосное растяжение), а при обжиме оба напряжения отрицательны (двухосное сжатие).

Для последнего случая условия пластичности, для перехода от упругих деформаций к пластическим необходимо, чтобы одно из напряжений (по гипотезе Треска-Сен-Венана) достигло предела (напряжения) текучести. Так как меридиональное напряжение в очаге деформации на свободном крае равно нулю, то достичь предела текучести должно тангенциальное напряжение. Тогда уравнение пластичности может быть записано в виде

Здесь знак плюс - для отбортовки, а знак минус - для обжима. as -напряжение, соответствующее переходу от упругих деформаций к пластическим при линейной схеме напряженного состояния, которое определяется состоянием материала и, в частности, его упрочнением в результате холодной деформации.

Схемы напряженного состояния для вытяжки и раздачи разноимен-ны и отличаются только знаками соответствующих напряжений. Для этих операций уравнение пластичности может быть записано в виде

Рис. 1.1. Кривая предельного состояния

Здесь знак плюс -- для вытяжки, а знак минус - для раздачи.

Такое напряжение у_s, которое может изменяться в процессе деформирования, будем называть напряжением текучести, в отличие от предела текучести (у_т - физический предел текучести и у₀₂ - условный предел текучести), который определяется по результатам испытаний на растяжение и характеризует сопротивление началу пластических деформаций исходного материала при данных условиях испытаний.

Заметим, что при штамповке неосесимметричньгх деталей схемы напряженного состояния в очаге деформации могут быть различными в различных его участках. Так, например, при вытяжке деталей с различным знаком кривизны в плане (в виде восьмерки) схемы напряженного состояния фланца могут изменяться от схемы, характерной для вытяжки (на выпуклых участках наружного контура), до схемы, характерной для отбортовки (на вогнутых участках контура в плане).

При всех операциях листовой штамповки поле напряжений и деформаций в очаге деформации неоднородно, т.е. напряжения в очаге деформации являются функцией координат в каждый момент деформирования, а кроме того, они могут изменяться во времени по мере деформирования заготовки.

Значение и распределение напряжений в очаге деформации зависят от многих факторов, связанных с размерными характеристиками заготовки и инструмента, с контактными условиями деформирования, с температурно-скоростными условиями деформирования и т.п.

Степень допустимого формоизменения в формоизменяющих операциях листовой штамповки ограничивается или разрушением заготовки, или потерей ею устойчивости, приводящей к недопустимому искажению формы.

В ряде случаев степень допустимого формоизменения определяется напряжением у_сmax, действующим на границе очага деформации с не деформируемой частью заготовки (опасное сечение, по которому может возникнуть разрушение).

Чем больше потребное формоизменение и чем меньше допустимое формоизменение, тем больше переходов необходимо для изготовления заданной детали.