Пластичность металлов и сопротивление металлов пластической деформации

Пластичностью называют свойство металлапод действием сил изменять свою форму и размеры без разрушения. Пластич­ность представляет собой сложную характеристику металла и зависит от целого ряда факторов. Основными факторами, оп­ределяющими пластичность металла при обработке давлением, являются химический состав и структура металла, темпера­тура, скорость деформации, а также схема напряженного состояния.

В значительной степени на пластичность влияет химический состав металла. Наибольшую пластичность проявляют чистые металлы. Примеси, и даже ничтожное их содержание, как правило, значительно снижают пластичность. Примеси, растворяясь в небольших количествах, образуют хрупкие сетки по границам зерен. Такие примеси называют вредными. Вместе с тем некоторые примеси повышают пластичность, подавляя вредное влияние других примесей. Так, в стали содержание углерода до 0,8–1 %незначительно уменьшает пластичность металла. Дальнейшее повышение содержания углерода приводит к тому, что сталь в литом состоянии можно обрабатывать только ковкой.

При рассмотрении влияния структуры металлана пластич­ность различают литую структуру и деформированную. Металл в литом состоянии обладает меньшей пластичностью, чем в деформированном состоянии. Структурная неоднородность ли­того металла, которая выражается в различном строении дендритов, дендритной и зональной ликвации, наличии не­плотностей и неравномерном распределении примесей снижает его пластичность.

После горячей пластической деформации литого металла структурная неоднородность его уменьшается и повышается его пластичность.

Как правило, пластичность металлов повышается с повышениемтемпературы. Наибольшую пластичность металлы имеют между температурой рекристаллизации и температу­рой плавления. Пластичность с ростом температуры уве­личивается не монотонно. Это объясняется тем, что некото­рые примеси и легирующие добавки образуют легкоплавкие соединения (эвтектики), которые при некоторых температу­рах резко уменьшают пластичность.

Когда температура нагрева близка к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева (интенсивный рост зерна) и пережога (окисление границ зерен).

Действие скорости деформации на пластичность при го­рячей деформации зависит от протекающих одновременно в металле двух процессов: упрочнения (наклепа) и разупроч­нения (рекристаллизации). Скорость упрочнения металла определяется скоростью деформации, а скорость разупрочнения – скоростью рекристаллизации, которая зависит от тем­пературы нагрева металла.

С увеличением скорости деформации при холодной обра­ботке давлением в обрабатываемом металле выделяется боль­ше тепла деформации, которое может вызывать отчасти раз­витие процесса разупрочнения и, следовательно, повысить пластичность металла.

При обработке давлением большое влияние на пластичность металла оказывает схема напряженного состояния. Положительное влияние на пластичность оказывают сжимающие напряжения, а отрицательное – растягивающие. Проявление пластических свойств металла зависит не только от того, какие напряжения к нему приложены – растягивающие или сжимающие, но и от величины этих напряжений, которая оп­ределяется значением среднего дав­ления:

, (2)

где – среднее давление, МПа;

, , – главные напряжения, МПа.

В зависимости от того, какие по величине и по знаку прикладываются к обрабатываемому материалу напряжения, он может находиться в хрупком или пластическом состоянии. Например, в условиях всестороннего растяжения весьма пластичные материалы, как низкоуглеродистая сталь, пере­ходят в хрупкое состояние. С другой стороны, при всесто­роннем сжатии такие хрупкие по своей природе материалы, как песчаник и мрамор, могут обладать пластичностью, т.е. устойчиво изменять свои форму и размеры без разрушения. Некоторые металлы (например, магний и его сплавы, ряд жа­ропрочных сплавов и др.) успешнее пластически деформируются тогда, когда более ярко проявляется схема всестороннего сжатия. Поэтому на практике при обработке металлов давлением стремятся создать схему, близкую к всесторонне­му сжатию, которая обеспечивает самую высокую пластич­ность.

Наряду с пластичностью важной технологической характе­ристикой металлов является сопротивление пластической де­формации. Эта характеристика дает количественную оценку податливости обрабатываемого металла и имеет большое зна­чение при назначении технологических режимов прокатки ме­талла, определяя силовые условия процесса. Чем выше со­противление деформации металла, тем ниже его податливость обработке давлением и тем труднее его обрабатываемость. Металл, обладающий большим сопротивлением деформации, об­рабатывают с меньшими обжатиями и при этом используют большие усилия и более мощное оборудование.

Сопротивление пластической деформации при обработке давлением также зависит от ряда факторов: химического состава металла; температуры, при которой деформируется металл; скорости и степени деформации; напряжен­ного состояния деформируемого металла.

Химический состав обрабатываемого металла, его кристаллическая решетка в значитель­ной степени влияют на сопротивление пластической деформа­ции. Тугоплавкие металлы имеют более высокие значения со­противления пластической деформации, чем легкоплавкие. Как правило, легирующие примеси повышают сопротивление плас­тической деформации. Температура является наиболее сильно действующим фактором. Понижение сопротивления пластичес­кой деформации с повышением температуры часто не имеет плавный характер.

При относительно низких температурах сущест­венное влияние на сопротивление пластической деформации оказывает наклеп (упрочнение). При наклепе сопротивление деформации металлов повышается. Это явление наблюдается при холодной прокатке у большинства металлов, за исключе­нием свинца и олова, температура рекристаллизации которых не превышает комнатную температуру.

При горячей обработке металлов влияние наклепа тесно связано с влиянием скорости деформации, т.е. приращением степени деформации за единицу времени. Сущность этого яв­ления заключается в следующем. При деформировании металла протекающая в нем рекристаллизация осуществляется проти­воположно процессу наклепа. Однако скорость рекристалли­зации в большинстве случаев отстает от скорости деформа­ции и, тем самым, не полностью снимается наклеп металла. Следовательно, чем выше скорость деформации, тем меньше полнота протекания рекристаллизации, и тем выше сопротив­ление пластической деформации.