Теория обработки материалов давлением

http://

1 Деформация при повышенных температурах. Возврат и рекристаллизация При нагревании деформируемого металла в последнем возникают разупрочняющие процессы, а именно возврат и рекристаллизация. Таким образом, при повышенных температурах в процессе деформации протекают одновременно как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы. При холодной деформации вследствие неодинакового направления плоскостей скольжения в зернах, неравномерного распрелеления деформаций в объеме заготовки, различия в форме, размерах и свойствах зерен последние получают разную по величине упругую деформацию. В результате после снятия внешних усилий в холодно деформированном металле возникают остаточные напряжения.

При нагреве до определенных температур амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается настолько, что облегчает возвращение атомов в положение равновесия. В связи с этим возникающие при деформировании указанные выше упругие деформации зерен в значительной мере выравниваются, что обеспечивает снижение остаточных напряжений после снятия внешних усилий (если не учитывать термических напряжений, которые могут возникнуть при неравномерном охлаждении заготовки после деформирования). Это явление называется возвратом (отдыхом).

Для чистых металлов возврат проявляется при абсолютных температурах выше (0,25−0,30) Тпл, где Тпл — абсолютная температура плавления. Наличие растворимых примесей в металле приводит к увеличению температуры возврата (отдыха).

Возврат в процессе обработки приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформированию и к увеличению пластичности. Тем не менее, деформирование при температурах возврата сопровождается упрочнением, хотя интенсивность его несколько меньше.

Возврат не оказывает влияния на размеры и форму зёрен, которые при деформации с наличием возврата, так же как к при его отсутствии, вытягиваются в направлении более интенсивного течения металла. Возврат также не препятствует образованию текстуры при деформации.

Возврат протекает во времени; с увеличением температуры скорость возврата увеличивается. В связи с этим эффект возврата зависит от соотношения между температурой скоростью деформации. Повышение скорости деформации при данной температуре может снизить эффект возврата.

Возврат происходит также при нагреве (отпуске) металла после его холодного деформирования.

Нагрев холоднодеформированного металла до температуры возврата пе оказывает заметного влияния на показатели его механических свойств (показатели прочности незначительно уменьшаются, а показатели пластичности несколько увеличиваются).

Возврат повышает сопротивление холоднодеформированного металла коррозии и резко уменьшает возможность самопроизвольного растрескивания. Последнее явление наблюдается в деталях, полученных холодной штамповкой, особенно из латуни, и происходит под действием остаточных напряжений при уменьшении сопротивления разрушению за счет межкристаллитной коррозии.

У ряда металлов и сплавов, например у углеродистой стали, при температурах возврата может возникать явление старения, оказывающее противоположное возврату влияние на механические свойства. Старение приводит к увеличению показателей прочности при одновременном уменьшении показателей пластичности. Физическая природа старения окончательно еще не выяснена. Предполагается, что изменение механических свойств в процессе старения происходит вследствие выпадения мелкодисперсных частиц примесей по плоскостям скольжения.

Есть данные, что процесс старения связан с концентрацией примесных атомов вблизи дислокаций, а образующиеся «облака» примесных атомов затрудняют движение дислокаций.

Увеличение температуры деформируемого металла сверх температуры возврата ведет к возникновению процесса рекристаллизации. Рекристаллизация при пластической деформации заключается в появлении зародышей, возникновении и росте новых зёрен взамен деформированных.

Возможность рекристаллизации обусловлена тем, что увеличение температуры деформируемого металла поднимает энергетический потенциал атомов настолько, что последние получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами. Зародышами новых зерен становятся имеющиеся в деформируемом металле ячейки с относительно правильной, не искаженной в процессе деформации решеткой (отдельные блоки мозаики, обломки зерен на плоскостях скольжения или в пограничных межзёренных слоях). К этим зародышам в соответствии с параметрами решетки пристраиваются атомы, смежные с зародышами вереи, х начинают рани новые верха. Последние увеличиваются в размерах и с течением времени могут полностью поглотить атомы деформированных зерен. Вследствие одинаковой возможности роста новых вереи по всем направлениям новые образующиеся из зародышей зерна равноосны, т. е. имеют в среднем одинаковые размеры по всем направлениям.

Таким образом, деформация металла прет температурах выше температуры рекристаллизации сопровождается двумя противоположно и одновременно действующим процессами: деформацией зерен (упрочнением) и их рекристаллизацией.

Процесс рекристаллизации происходит во времени с некоторой скоростью, которая зависит от температуры и степени деформации. Чем выше температура и степень деформации, которую получает деформируемое тело, тем выше скорость рекристаллизации. Конечный результат зависит от соотношения между скоростью деформации и скоростью рекристаллизации. Если в процессе деформации рекристаллизации идет с такой скоростью, что в результате все зерна деформированного металла получают равноосную форму, а кристаллическое строение их соответствует строению недеформированных зерен, то изменения свойств металла, вызываемого упрочнением, не произойдет. Для чистых металлов, по данным А. А. Бочвара, температура начала рекристаллизации определяется из соотношения

Трекр?0,4 Тпл, где Т — абсолютная температура рекристаллизации, Тплабсолютная температура плавления. Наличие растворимых примесей несколько повышает температуру рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации для сплавов обычно выше, чем для составляющих сплав металлов, хотя температура плавления ниже. Объясняется это, очевидно, тем, что перестройка решетки из разнородных атомов требует более высокого энергетического потенциала.

В процессе рекристаллизации облегчается диффузия атомов как внутри кристаллитов, так и по границам зерен, что способствует уменьшению химической неоднородности зерен и снятию повреждений, возникающих по границам зерен в результате межкристаллитной деформации.

Размеры равноосных зерен в металле, деформированном при наличии рекристаллизации, зависят от температуры, при которой происходит рекристаллизации, от степени деформации, а также от скорости деформации. Связь между величиной зерна после деформации с рекристаллизации, температурой и степенью деформирования обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации (второго рода), которые строятся по результатам специально проводимых экспериментов и являются характерными дня каждого металла и сплава. На рисунок 1 представлена объемная диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали. Аналогичный характер имеют диаграммы рекристаллизации и для других металлов и сплавов. Особенностью зависимости величины зерна после деформации с рекристаллизации от степени деформации является наличие так называемых критических степеней деформации, при которых наблюдается резкое увеличение размеров рекристаллизованных.

Рисунок 1

Величина критической степени деформации при температурах. близких к температуре начала рекристаллизации, обычно не превышал 8−10°, b и уменьшается при увеличение температуры (зона критических степеней деформации смещается к началу координат).

Наличие критических степеней деформации можно объяснить следующим образом. В начальной стадии деформация происходит в основном за счет внутрикристаллитных процессов без нарушения межкристаллического вещества, обволакивающего зерна. Вследствие этого увеличение размеров зерен при рекристаллизации путём их объединения затруднено. Кроме того, при относительно малой величине деформации количество образовавшихся блоков —обломков кристаллитов — невелико, а следовательно, невелико и число возможных центров рекристаллизации. При критических степенях число центров рекристаллизации остается небольшим (несколько увеличивался), однако межкристаллическое вещество частично разрушается, что приводит к непосредственному соприкосновению кристаллитов. Это обстоятельство в процессе рекристаллизации облегчает присоединение атомов соседних зерен к новому зерну, растущему из центра рекристаллизации, что в конечном итоге приводит к объединению нескольких деформированных зерен в одно, т. с. к увеличению размеров рекристаллизованных зерен. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к увеличению числа центров рекристаллизации, а следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что при данном объеме тела лает уменьшение их размеров. С увеличением температуры прочность межкристаллического вещества уменьшается, непосредственное соприкосновение кристаллов при меньших степенях деформации, что и вызывает смещение критических степеней деформации к началу координат.

Рисунок 2

С ростом температуры увеличивается подвижность атомов, облегчающая объединение соседних зёрен в процессе рекристаллизации, что приводит к относительному увеличению размеров рекристаллизованных зёрен при всех степенях деформации.

Величина зерна после рекристаллизации зависит еще и от длительности выдержки нагретого металле при температурах, превышающих температуру рекристаллизации. При длительной выдержке наблюдается так называемая собирательная рекристаллизации, сущность которой состоит в том, что размеры равноосных зерен, получившихся в результате рекристаллизации обработки, увеличиваются вследствие их объединения.

Собирательная рекристаллизация протекает медленнее, чем рекристаллизация обработки. Возможность роста зерен при собирательной рекристаллизации обусловлена стремлением атомов в процессе перестройки занять положения, отвечающие минимуму потенциальной энергии. Искажения правильности взаимного расположения атомов, имеющиеся в поверхностных слоях зерен, увеличивают потенциальную энергию, накопленную в поликристалле. При увеличении размеров зерен суммарная поверхность их уменьшается, а следовательно, уменьшается и накопленная в теле потенциальная энергия. Особенно интенсивно собирательная рекристаллизации происходит при температурах, значительно превышающих температуру начала рекристаллизации.

Рекристаллизации происходит также и при нагреве холоднодеформированного кого металла до температуре, несколько превышающий температуру начала рекристаллизации (низкий или рекристаллизационный отжиг).

Величина зёрен, получившихся в результате рекристаллизации холоднодеформированного металла, зависит от степени деформации, которую получила заготовка или отдельные ее участки, от температуры рекристаллизации и от времени выдержки при этой температуре.

В результате рекристаллизационного отжига металла, имеющего текстуру деформации, может получится так называемая текстура рекристаллизации, характеризующаяся тем, что кристаллографические оси рекристаллизованных равноосных зерен имеют преимущественную ориентировку в пространстве (большинство зерен имеет одинаковое направление кристаллографических осей в пространстве). Текстура рекристаллизации может быть идентична исходной текстуре деформации. но может и отличаться от неё, т. е. направления преимущественной ориентировки кристаллографических осей в теле после рекристаллизации изменяются.

Возникновение текстуры рекристаллизации объясняется, очевидно тем, что зародыши новых зерен, существующие в деформированном металле, имеют преимущественную ориентировку кристаллографических осей в пространстве. Текстура рекристаллизации, а также возможность устранения текстуры деформации без образования новой текстуры после отжига зависят от состава сплава и содержания примесей. от степени деформации, полученной при холодном деформировании, т характера текстуры деформации, от температуры отжига и его продолжительности. Наличие текстуры рекристаллизации приводит к анизотропии механических свойств в отожженном металле, что может сказаться на служебных свойствах полученной детали или на поведении отожженной заготовка при последующей пластической деформации.

2. Закон постоянства объема пластически деформируемого твердого тела Условие постоянства объема: объем пластически деформируемого тела остается постоянным, или объем тела до деформации равен объему тела после деформации. Пластическая деформация любого твердого тела всегда сопровождается упругой деформации, которая подчинена закону Гука, т. е. имеет место наличие одновременно протекающих и чередующихся деформаций: упругой и пластической.

Если взять элементарный параллелепипед с размерами сторон (x₀, y₀, z₀). Объем его будет составлять V:

V= x₀, y₀, z₀ (1)

После деформации размеры элементарного параллелепипеда изменятся:

(2)

Из условия постоянства объема можно записать равенство:

= = V (3)

(4)

Если прологарифмировать предыдущее равенство, получаем:

(5)

Где — истинные или действительные степени деформации.

В зависимости от того, какая деформация будет иметь место, такой знак будут иметь. Из равенства следует, что при пластичной деформации алгебраическая сумма логарифмических деформаций по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю.

Одна из степеней деформации имеет знак, обратный знаку двух других, а по абсолютной величине равна их сумме:

(6)

Степень деформации при пластическом формоизменении можно выразить иначе:

;; (7)

Данное выражение называется степенями деформации первого рода ().

Между логарифмической деформацией и деформацией первого рода существует связь:

(8)

Разложим в ряд

(9)

Ряд сходящийся. Членами более низшего порядка можно пренебречь. Тогда. Для малых деформаций () разница между д и е составляет менее 5%. Получаем

(10)

Если умножить соответствующую деформацию (или) на объем деформируемого тела, то получим

(11)

(12)

Произведение V тела на соответствующую деформацию называется смещенным объемом. Условие постоянства объема через смещенный объем:

(13)

сумма смещенных объемов по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна О.

При пластической деформации следует различать понятия:

1. скорость деформирования — скорость перемещения деформирующего инструмента, м/с;

2. скорость смещения тех или иных точек в процессе деформации;

З. скорость деформации:

(14)

При пластической деформации с одной и той же скоростью деформирования скорость деформации может быть различной. Между скоростью деформации и скоростью деформирования существует определенная связь

(15)

где Vскорость деформирования;

— размер исходного образца до деформации.

3. Задачи Задача 1

Напряжение в данной точке свинцового образца равны:

МПа

Предел текучести свинца :

В каком состоянии (упругом или пластичном) находится металл?

Решение:

Условие пластичности:

Так как свинец не испытывает упрочнения

Ответ: состояние тела упругое. Тело находится в состоянии равномерного сжатия.

Задача 2

Напряженное состояние точки деформируемого тела определяется тензором главных напряжений:

Т_у =, МПа.

Определить вид деформации: упругая или пластическая, механическую схему деформации. Сопротивление пластической деформации материала 219МПа.

Решение

1) (у_x-у_y)²+(у_y-у_z)²+(у_z-у_x)²+6(у_xy²+у_yz²+у_zx²)=2у_s²

2) (290−170)²+(170−50)²+(50−290)²+6(0²+0²+40²) =2у_s²

3) у_s=219 Мпа

Исходя из пункта 3, данная деформация является пластической т.к. у_s=у_Т

— закон постоянства объёма Ответ: деформация пластическая.

4. Анализ операции прямого выдавливания деформация металл штамповка рекристаллизация При штамповке выдавливанием происходит истечение металла, заключенного в замкнутую полость, через отверстие в ней, форма которого определяет поперечное сечение выдавленного участка деформируемой заготовки. Штамповку выдавливанием применяют для получения паковок с формой стержня (цилиндрического, конического, ступенчатого и т. п.) с утолщением на одном конце его. Выдавливанием получают стержневые элементы таких паковок. Штамповка выдавливанием протекает при ярко выраженной схеме неравномерного всестороннего сжатия, обеспечивающей металлу высокую пластичность. Рабочий инструмент содержит З рабочих участка: 1 — выходной цилиндрический участок, предназначенный для калибровки стержневой части паковки; 2 — заводной конический участок, где происходит основная деформация заготовки; З — цилиндрический контейнер, с размещением в нём заготовки. На участке 1металл не претерпевает деформирования. Радиальные напряжения у_р1у стенки не превосходят напряжения текучести у_S1. Сопротивление движению металла будет создавать контактное трение. Удельное усилие р_i на входном сечении цилиндрической части матрицы.

(16)

В конической части матрицы верхняя граница очага деформации ограничена поверхностью тfп шарового сектора радиуса b и углом при вершине конуса 2 г, а нижняя граница — поверхностью тfп шарового сектора радиуса, а и с тем же углом 2 г. Течение металла — радиальное, т. е. смещения по координатам ц и и нет. давление на нижнюю границу очага деформации известно — р₁, удельное давление p₂на верхней границе неизвестно. Для решения задачи по определению p₂ применяется метод баланса работ, т. е.

(17)

где А₂— работа равнодействующейp₂ активного давления на верхнюю поверхность очага деформации; А_D—работа деформации формы; А_т— работа сил контактного трения на конической контактной поверхности; А₁— работа сопротивлений со стороны цилиндрической части. За малый промежуток времени сила, направленная по оси Z, совершает работу перемещений, т. е.

(18)

Работа деформации

(19)

Где е_{i -} интенсивность деформации;

у_S2— напряжение текучести на участке 2; dн — элементарный объем. Работа сил трения находиться следующим образом:

(20)

где ф_k — элементарная сила контактного трения (ф_k =м_Ѕу_Ѕ2); U_кр — перемещение Uр на поверхностиконтакта; dF — площадь контакта. Для работы сил сопротивления со стороны цилиндрического участка 1 имеем:

(21)

Подставляя выражения (18)-(21) в (17), окончательно имеем:

(22)

Здесь — предел текучести материала в исходном состоянии. Условие течения материала в цилиндрическом участке — контейнере отличаются сложностью. Применение современных смазок при выдавливании позволяет исключить пластическую деформацию в данном месте инструмента. Металл перемещается как одно целое в состоянии всестороннего упругого сжатия, т. е. у_р<�у_z.

Таким образом,

(23)

где L, D— длина и диаметр контейнера. Окончательно имеем следующее уравнение для определения усилия выдавливания:

(24)

Прямое выдавливание Исходные данные для анализа процесса Диаметр конечного профиля, мм: d =15 Диаметр заготовки, мм: D = 25 Длина заготовки (контейнера матрицы), мм: l_k =100 Длина калибрующего пояска конической матрицы, мм: l_kp=15 Скорость перемещения заготовки, мм/с: V=2 Температура металла, ⁰C: t =20 Обрабатываемый металл: Сталь 15X Коэффициент контактного трения: м = 0.45

Предел прочности стали 15X, Мпа:

Предел относительного сужения площади поперечного сечения образца при шейкообразовании, %:

Определение сопротивления пластической деформации у_s

Степень относительной деформации:

е =0.438 е=ш=0.64

у_s= 17*10³

Для дальнейшего анализа процесса необходимо соблюдать условие наличия одной переменной величины в формулах для давления и усилия прессования. Поэтому в данном анализе операции прессования предположим наличие фиксированной стадии перемещения заготовки (пуансона), например, соответствующее окончанию прессования, т. е. когда обрабатываемый металл сформирован в требуемый профиль и небольшая его часть находится в прессостатке в деформирующей зоне матрицы. Для этого случая длина заготовки в контейнере матрицы равна: l = 0

Определение оптимального угла конической зоны матрицы По условию величина полу-угла матрицы изменяется в пределах от 0 до радиан. Определим зависимость давления прессования от изменения г в заданных пределах:

Заключение

В данной курсовой работе был проведен анализ операции прямого выдавливания круглого профиля, определили сопротивление пластической деформации у_s, определили оптимальный угол конуса матрицы, определили степень влияния параметров d и l_kp в пределах ±10% от их номинального значения, определили зависимость удельного давления выдавливания от перемещения пуансона. Необходимые расчёты были приведены в среде Mathcad и представлены в приложении. Результаты представлены на графиках.

1. Сторожев М. В. и Попов Е. А. «Теория обработки материалов давлением» Машиностроение, 1978 г.

2. Смирнов В. С. «Сборник задач по обработке материалов давлением» Металлургия, 1973 г.

3. Северденко В. П. «Лабораторный практикум по теории машин и технологий обработки материалов давлением» Минск, Вышэйшая школа, 1975 г.

4. Громов Н. П. «Теория обработки материалов давлением». Металлургия, Москва, 1978 г.