Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Металлургия черных металлов

Коэффициент трения при пластической деформации

Как следует из изложенного, благодаря силам тре­ния происходит захват металла валками, т. е. процесс прокатки осуществим только при достаточной силе тре­ния. В ряде случаев для улучшения захвата металла валками применяется принудительная подача, когда по­лоса заталкивается специальным приспособлением в вал­ки, на поверхности валков выполняется наварка, концы полос делаются скошенными и др. Это вызвано тем, что соотношение между углом захвата и коэффициентом тре­ния справедливо для момента начала процесса прокат­ки. При заполнении металлом зоны деформации бывает достаточным для протекания устойчивого процесса про­катки выполнение следующего условия: f^1/2 tg а, т. е. при заполнении зоны деформации металлом угол захва­та может в дЁа раза превышать коэффициент трения. Трение является не только положительным, определяю­щим возможность осуществления процесса прокатки. К техническим процессам обработки металлов давлением предъявляют такие требования, как выполнение дефор­мации при наименьшем расходе энергии, более длитель­ном сроке службы инструмента, получение требуемого качества поверхности. При решении перечисленных за­дач трение является нежелательным.

Для уменьшения трения в зону деформации подают различные смазочно-охлаждающие жидкости: вода, эмульсии, масла и т. д. Трение при обработке металлов давлением отличается от трения в узлах машин интен­сивным обновлением поверхности металла, изменением рельефа поверхности рабочего инструмента, значитель­ной температурой в зоне трения, большим перепадом давления по длине дуги захвата, изменением механичес­ких свойств металла, переменным значением скорости относительного смещения трущихся поверхностей. При прокатке полосы на гладкой бочке значение коэффици­ента трения находится в пределах 0,5.

Значение коэффициента трения, близкое к верхнему пределу, имеет место при горячей деформации. Ниже приведены ориентировочные значения коэффициента трения:

Горячая прокатка: обжимные станы с насеченными или наварными вал­ками 0,45—0,50

Крупно-, средне — и мелкосортные станы………………………………. 0,35—0,45

Продолжение

Толстолистовые и широкополосные станы………………………….. и,/о—и, бо

Холодная прокатка: жестепрокатные и ленточные станы со шлифованными

Валками………………………………………………………………………….. 0,03—0,07

Листовые станы с нешлифованными валками. . . 0,10—0,15 то же, со шлифованными валками 0,07—0,10

§11. Условие захвата металла валками

При контакте с вращающимися валками (рис. 121, а) на полосу действуют силы со стороны каждого валка: сила реакции F, направленная по радиусу, и перпенди­кулярно радиусу сила трения Т. Соотношение горизон­тальных проекций указанных сил определяет возмож­ность захвата. Сила трения равна произведению силы нормальной к поверхности на коэффициент трения меж­ду металлом и валками f. Горизонтальные проекции сил равны: Fx=F sin a; Tx=fF cos а.

Следует отметить следующие соотношения между указанными силами FX>TX (захвата металла нет); FX<TX (захват металла будет осуществлен).

Захват металла валками будет обеспечен, если (Тх[ /Fx)^l, или f^tg а. Это соотношение называется усло­вием захвата. Для захвата металла валками необходи­мо, чтобы коэффициент трения был равен или больше тангенса угла захвата. Для небольших углов захвата условие может быть записано в виде т. е. для за­

Хвата металла валками необходимо, чтобы угол трения был больше или равен углу захвата. Физический смысл последнего условия заключается в следующем: если угол трения р больше угла захвата а, то равнодействующая нормальной силы F и силы трения T будет отклонена в направлении вращения валков и полоса будет заполнять зону деформации; при обратном соотношении углов за­хвата металла валками не произойдет.

•§ 10. Основы теории прокатки

Рассмотрим процесс прокатки в цилиндрических вал­ках. В исходном состоянии расстояние между образую­щими валков s устанавливается величиной меньше тол-

Рис. 121. Направление сил, действующих при прокатке (.а—в), и схема осад­ки (г)

Щины полосы h0 (см. рис. 120). При соприкосновении полосы с вращающимися валками происходит захват. Тол­щина полосы после прокатки уменьшится и станет рав­ной h, после прокатки она будет несколько больше рас­стояния между образующими валков, т. е. h=s-\-&s.

В процессе деформации валки будут испытывать со­противление со стороны металла — усилие прокатки. Рабочая клеть прокатного стана является упругой систе­мой. Усилие прокатки вызовет упругую деформацию де­талей и, следовательно, увеличение первоначально уста­новленного расстояния между валками.

Центральный угол а называется углом захвата, дуга ab, соответствующая углу захвата, называется дугой за­хвата (рис. 121).

Приближенное значение угла захвата равно, рад:

Дуга захвата ab, соответствующая центральному уг­лу а, равна Ctb=Ra, или после подстановки значения уг­ла захвата получим: ай = /дяз ]/AhR, гдeR — радиус валка, мм.

§ 9. Закон наименьшего сопротивления

При обработке металлов давлением соотношение пе­ремещений металла по отдельным направлениям (сме­щенные объемы) определяется на основании правила на­именьшего сопротивления. Свободному перемещению металла препятствуют два фактора — трение на контакт­ной поверхности и форма зоны деформации. В случае осаживания образца прямоугольного сечения между па­раллельным плитами можно представить два вида деформации. При отсутствии трения на контактных по­верхностях объем металла, смещенный по высоте, рав­номерно распределится по всем направлениям в горизон­тальной плоскости и конечная форма изделия повторит исходную. При осадке параллелепипеда получится па­раллелепипед, при осадке образца треугольного сечения получится изделие треугольного сечения. Осадка образ­ца в реальных условиях сопровождается трением по кон­тактным поверхностям, в результате чего после осадки образцов любой формы поперечного сечения форма ко­нечного изделия будет стремиться к форме круга, как имеющей наименьший периметр. В условиях трения на контактных поверхностях перемещению металла будет препятствовать сила трения — в направлении большего линейного размера действует большая сила трения и на­оборот. Так, в случае деформации параллелепипеда наи­большая сила трения будет действовать на металл по направлению диагоналей. В направлении, перпендику­лярном большей стороне параллелепипеда, сопротивле­ние перемещению металла будет наименьшим. Переме­щение металла по различным направлениям будет об­ратно пропорционально величине подпирающих сил тре­ния. В случае возможности перемещения точек деформи­руемого тела в различных направлениях каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наи­меньшего сопротивления. При осадке параллелепипеда между наклонными плитами течение металла в различ­ных направлениях будет определяться силой трения и горизонтальной составляющей деформирующего усилия. Рассматривая только подпирающее действие горизон­тальной составляющей деформирующего усилия, можно утверждать, что меньшая часть смещенного по высоте; ¦объема металла переместится в направлении суживаю­щейся щели.

§ 8. Дислокации

Скольжение в металлах нельзя рассматривать как одновременный сдвиг одной части кристалла относитель­но другой по всей плоскости скольжения. Для такого смещения необходимо было бы создать напряжения чрезмерно большой величины. Теоретическое значение максимального сдвигающего напряжения равно % = = Gj2n (G — модуль сдвига). Расчеты показывают, что теоретическое значение максимального сдвигающего напряжения во много раз больше, получаемых экспери­ментально. Несоответствие теоретических и эксперимен­тальных значений максимального касательного напря­жения можно объяснить, если учесть, что в реальных кристаллах имеют место несовершенства решетки. Это примеси, образующие растворы внедрения и замещения, отсутствие атомов в узлах решетки, лишние атомы меж­ду узлами решетки и др. Дислокации являются особым видом несовершенства. Различают дислокации линейные и винтовые. Линейная дислокация представляет собой несовершенство решетки, когда над плоскостью сколь­жения и ниже ее число атомов в плоскостях неодинако­во. Лишняя по сравнению с идеальной решеткой плос­кость вызывает искажения — сжатие или растяжение ре­шетки.

Под действием сдвигающих напряжений дислокация перемещается вдоль плоскости скольжения. Для пере­мещения дислокации требуется меньшее касательное на­пряжение, так как атомы находятся в состоянии неус­тойчивого равновесия в решетке. Винтовая дислокация заключается в том, что часть кристаллической решетки на некотором протяжении оказывается сдвинутой на один параметр решетки относительно другой. При вин­товой дислокации лишней атомной плоскости нет. Дис­локации зарождаются при кристаллизации металлов и их сплавов, а также образуются в процессе пластичес­кой деформации. В процессе пластической деформации дислокации могут образоваться по механизму Франка— Рида. Сущность механизма образования дислокаций Франка — Рида заключается в следующем. Линейная дислокация, зародившаяся при кристаллизации, под дей­ствием касательных напряжений выгибается и принима­ет форму полуокружности. Этому моменту соответству­ет наибольшее значение касательных напряжений. При дальнейшем выгибании дислокация принимает форму замкнутой кривой (окружности), внутри которой оста­ется исходная дислокационная линия. Наружная дисло­кация разрастается до внешней поверхности кристалла, а внутренняя вновь выгибается, порождая новую дисло­кацию. Препятствием движению дислокаций являются границы блоков и кристаллов. При пластической дефор­мации кристаллы дробятся, увеличивается число бло­ков и протяженность их границ. Скопление дислокаций затрудняет зарождение новых дислокаций, так как для их генерирования теперь потребуются большие касатель­ные напряжения. Усилие, необходимое для осуществле­ния пластической деформации, возрастает с увеличени­ем плотности дислокаций. Так, теория дислокаций объясняет упрочнение металла при пластической дефор­мации.

§ 7. Постоянство объема металла и коэффициенты деформации

Изменение плотности металла при пластической де­формации составляет доли процента. Поэтому с доста­точной для практических целей точностью можно при-

Рис. 120. Схема деформации прямоугольной заготовки в глад­ких валках

Нять, что объем тела после пластической деформации равен объему, имевшему место в исходном состоянии. Для прямоугольной полосы (рис. 120) объем тела до деформации равен Vo=Hob0Io и после деформации V= =Hbl.

Условие постоянства объема при пластической де­формации дает основание записать: (Hbl)/(Hobolo) =1, где /о, I — длина заготовки до и после деформации.

Отношения линейных размеров тела г\=Н01Н называ­ют коэффициентом высотной деформации; $ = b/bo —ко­эффициентом уширения; K = IoIl — коэффициентом удли­нения или вытяжкой металла.

Для принятых обозначений отношений линейных раз­меров условие постоянства объема определяется выра­жением: |ЗХ(1/г]) = 1, откуда следует, что произведение коэффициентов уширения и вытяжки равно коэффици­енту высотной деформации.

При равенстве единице коэффициента уширения вы­тяжка равна высотной деформации. Для общего случая вытяжка металла может быть найдена по формуле X= =r\f$=S0[S, где S0, S —площадь поперечного сечения полосы до и после деформации.

Для описания деформации металла, кроме указан­ных коэффициентов, применяют следующие параметры:

1) абсолютное обжатие (А/г), определяемое как раз­ность исходной и конечной толщины полосы, мм: Ah = =h0—h\

2) абсолютное уширение (Ab), определяемое разно­стью ширины полосы после и до прокатки, мм: Ab =

=ь-ь0-,

3) относительное обжатие (е), равное отношению аб­солютного обжатия к исходной толщине полосы, %: е = = (AhIh0)IOO.

Относительное обжатие определяется следующей за­висимостью через вытяжку металла, %: S= (К—1 )/К.

При прокатке в несколько проходов общая вытяжка Хоб определяется отношением площади поперечного се­чения полосы до начала деформации S0 к площади по­перечного сечения полосы после последнего прохода S: Xoe=SoIS.

Если известны вытяжки в каждом проходе, то общая вытяжка определяется произведением частных вытяжек

= где Acp — среднее значение вытяж­

Ки за все проходы.

Найдем значение вытяжки Я= 1/(1—е) и подстанов­кой в уравнение общей вытяжки получим после преобра­зований формулы для общего относительного обжатия

П

€0б = 1—П(1—е») или е0б = 1 — (1—е0Р)п, где ег, е0р — ча­стное и среднее арифметическое значение относительного обжатия; п — число проходов.

§ 6. Неравномерность деформации

Технические процессы обработки металлов давлени­ем сопровождаются неравномерностью деформации — непостоянством коэффициентов деформации по ширине, высоте и длине деформируемых изделий. Неравномер­ность деформации определяется рядом факторов: фор­мой заготовки и инструмента, неоднородностью химиче­ского состава металла и температуры по объему тела, наличием трения на контактной поверхности, упругими деформациями инструмента и др. При получении изде­лий сложной формы из прямоугольной заготовки нерав­номерность деформации является неизбежной. При оса­живании заготовки, имеющей большую высоту, боковые поверхности получаются бочкообразными в результате подпирающего действия сил трения. На контактных пло­щадках трение препятствует течению металла при оса­живании, а к середине высоты образца подпирающее действие трения уменьшается и металл получает боль­шее перемещение. Чем больше коэффициент трения на контактной поверхности, тем больше бочкообразность. При прокатке на блюминге в результате неравномерно­го напряженного состояния по высоте слитка в первых проходах пластически деформируется объем металла, прилегающий к валкам. Неравномерность напряженно­го состояния по высоте приводит к неравномерности де­формации в поперечном сечении, и раскат имеет боль­шую ширину в зоне контакта с валками и меньшую в середине высоты. Прокатка сортового металла всегда со­провождается неравномерностью деформации. При про­катке квадратной заготовки в овальном калибре в сред­ней части обжатие металла по высоте меньше, чем по краям; при прокатке той же заготовки на диагональ в ромбическом калибре средняя часть получает большее обжатие.

Части полосы, получающие большее обжатие по вы­соте, стремятся получить большую длину. Менее обжи­маемые части полосы, получая меньшую вытяжку, будуг оказывать сдерживающее влияние на части полосы, де­формация которых могла бы быть больше. Конечная длина всех частей полосы будет одинаковой. В частях полосы с большей вытяжкой возникнут напряжения сжа­тия, а в менее обжимаемых частях полосы возникнут напряжения растяжения.

Неравномерность деформации является нежелатель­ной, а в некоторых случаях должна быть строго ограни­чена. Вынужденное выравнивание длины полосы при неравномерной деформации приводит к появлению допол­нительных и остаточных напряжений по сечению изде­лий. В процессе деформации дополнительные напряже­ния растяжения приводят к возникновению трещин и разрушению металла при их критическом значении, к повышению деформирующего усилия. По окончании деформации в металле, получившем неравномерное об­жатие различных частей, возникают остаточные напря­жения, которые могут привести к нежелательным дефор­мациям готового проката.

§ 5. Пластическое изменение формы кристаллических тел

Металлы являются кристаллическими телами. В про­цессе затвердевания жидкого металла образуются крис­таллы с правильным расположением атомов в простран­ственной решетке. При даль­нейшем росте правильная форма кристаллов искажа­ется в результате взаимного воздействия. Кристаллы с неправильной формой назы­ваются зернами или кри­сталлитами. В металлах и сплавах зерна взаимодей­ствуют друг с другом по плоскостям сложной фор­мы, определяемой вынуж­денной формой зерен, через межзеренную прослойку.

V,. . » _______ 1 Рис. 119. Ориентация плоскостей

Химическии состав И физи — скольжения, вЗернах металла ческие свойства зерен и про­слойки существенно разли­чаются. Опыты показывают, что вследствие такого строения металл чаще разрушается не по границам зерен, а по самим зернам — по плоскостям сколь­жения кристаллов. Экспериментами установлено, что для металлов и их сплавов основным механизмом пластиче­ской деформации является скольжение — сдвиг одной части кристалла относительно другой под действием ка­сательных напряжений. Плоскости, по которым проис­ходит скольжение, называют плоскостями скольжения. Рассмотрим схему сжатия металлического тела (рис. 119).

В отожженцом состоянии плоскости скольжения зе­рен металла расположены произвольно. При сжатии об­разца усилием в вертикальном направлении плоскости скольжения отдельных зерен окажутся наклоненными под различными углами к направлению действия силы. В первую очередь будут деформироваться зерна I, плос­кости скольжения которых наклонены к направлению- действия силы под углом 45°. По мере увеличения сжи­мающей силы будут деформироваться и другие зерна,, плоскости скольжения которых наклонены больше или меньше 45° к направлению действующей силы, и только при значительном увеличении силы все зерна окажутся пластически деформированными. Опытами установлено,, что отдельное зерно (монокристалл) деформируется при меньшем усилии и имеет более высокую пластичность. Объясняется это тем, что в поликристалле напряженное состояние зерен неоднородно, что в свою очередь объяс­няется различной ориентировкой плоскостей скольже­ния зерен и наличием межзеренной прослойки. Пласти­чески деформируемые зерна будут создавать напряже­ния сжатия в зернах, плоскости скольжения которых менее благоприятно расположены к направлению силы и поэтому упруго деформированы. Одни зерна металла находятся в условиях всестороннего сжатия, что — требу­ет повышенных усилий, в других зернах металла возни­кают напряжения растяжения, что приводит к снижению усилия. В многофазных сплавах условия деформации бо­лее сложные. В результате различия свойств отдельных кристаллов неравномерность напряженного состояния их будет более резкой, что требует больших усилий для де­формации и определяет меньшую пластичность.

§ 4. Пластическая деформация металлов и сплавов в горячем и холодном состоянии

Обработка металлов давлением основана на пластич­ности металлов и сплавов. Пластичностью называют способность металлов изменять свою форму под действи­ем инструмента без разрушения. Пластичность металлов и сплавов не является физической характеристикой, а определяется также и условиями деформации. Один и тот же металл или сплав будет иметь в одних условиях большую пластичность, допускающую большие дефор­мации, в других — разрушаться при небольших остаточ­ных изменениях формы. Пластичность металлов и спла­вов зависит от химического состава и фазового состоя­ния, структуры, а также от условий — температуры, скорости, степени деформации и механической схемы.

Технические процессы обработки металлов давлением осуществляются как в холодном, так и в горячем со­стоянии. Основными механизмами пластической дефор­мации в горячем и холодном состоянии являются: внут — ризеренное скольжение, двойникование, взаимное пере­мещение и поворот зерен. При пластической деформации происходит измельчение зерен металла, ориентация зе­рен вдоль преимущественного направления деформации, искажаются и заклиниваются плоскости скольжения, возникают напряжения между отдельными зернами, час­тями металла и др.

Указанные изменения приводят к тому, что пласти­ческие характеристики металла или сплава уменьшают­ся, а прочностные свойства (предел текучести, предел прочности) возрастают. Важно отметить, что при холод­ной деформации изменения свойств металлов и сплавов накапливаются по мере увеличения степени деформации. Это приводит к тому, что при достижении определенной суммарной деформации металлы и сплавы теряют спо­собность деформироваться пластически, начинают раз­рушаться.

На рис. 118 показана зависимость предела текучести и относительного удлинения от степени деформации для углеродистой стали У10. При достижении общего отно­сительного обжатия в 50 % предел текучести и предел прочности увеличились в два с лишним раза, а относи­тельное удлинение уменьшилось с 30 до 2,5%. Значи­тельное увеличение Прочностных характеристик метал­ла и почти полная потеря пластичности, как результат упрочнения и образования субмикротрещин, определяют необходимость промежуточных нагревов.

При исследовании изменения свойств упрочненного металла при нагреве пользуются понятием гомологичес­ких температур. Гомо­логическая температу­ра определяется как часть от температуры плавления по абсолют­ной шкале. Например, гомологические темпе­ратуры для низкоугле­родистой стали равны: 0,3 7^ = 0,3 (1530+ +273) =540 K= = 267 °С; 0,4 7ПЛ = =0,4 (1530+273) = = 720 К=447 °С.

He

При нагреве метал-

Рис. 118. Изменение механиче­ских свойств стали У10 при хо­лодной деформации

Ла до 0,3 T11R частично снижаются прочностные харак­теристики и повышается пластичность. Рекристаллиза­ция происходит при температуре >0,4 Tuл. При полной рекристаллизации металл приобретает свойства, при­сущие ему до холодной деформации, т. е. происходит полное разупрочнение и восстановление пластических свойств. Основная часть металла обрабатывается в го­рячем состоянии. При горячей обработке металлов дав­лением значительно ниже прочностные свойства метал­лов и сплавов, меньше усилие, необходимое для осущест­вления деформации.

Б,,бт, МН/м

Mo

1020

O JO 20 JO 40 50 60 70 80 90

Для большинства металлов и сплавов характерно — повышение пластических свойств при нагреве. Это поз­воляет пластически деформировать с повышенными частными обжатиями, которые не могут иметь место при холодной деформации вследствие больших усилий, не­обходимых для осуществления процесса и невысокой пластичности. Горячей обработкой металлов называется деформация при температуре, превышающей температу­ру рекристаллизации. Технические процессы горячей об­работки давлением стали осуществляются при темпера­туре 1000—1250 °С, составляющей (0,7—0,8) Тпл. При горячей обработке давлением одновременно протекают два процесса в деформируемом металле: наряду с упроч­нением металла происходит его разупрочнение под вли­янием высоких температур.

§ 3. Уравнение пластичности

Пластической остаточной деформации металла пред­шествует упругая деформация. Внешняя сила, изменяя межатомные расстояния, совершает работу, а в деформи­руемом объеме накапливается потенциальная энергия отталкивания (притяжения). Потенциальная энергия уп­ругой деформации равна энергии, затраченной внешней силой на изменение объема (Л0) и формы (Лф). Соглас­но теории предельного состояния пластическая дефор­мация наступает только тогда, когда в упругом материале будет накоплен определенный уровень потенциаль­ной энергии. Уровень потенциальной энергии, достаточ­ный для перехода от упругой к пластической деформа­ции, достигается при следующем соотношении главных нормальных напряжений: (aj—cr2)2+(a2—сгз)2+(сгз— —ai)2 = 2a^. Соотношение главных нормальных напря­жений называется условием или уравнением пластич­ности.