ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Сущность обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением — технологический процесс формоизменения металлического тела с целью получения заготовок или деталей (изделий), основанный на способности металлов и их сплавов пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил.

Пластическая деформация идеального кристалла

Атомы металлов характеризуются небольшим (1—2) количеством электронов на наружной электронной оболочке, поэтому их ионизационный потенциал мал, что и объясняет легкость отрыва у них внешних электронов, при этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы, «омываемые газом» из свободных коллективизированных электронов. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется силами притяжения и отталкивания между ионами и обобщенными электронами, образуя металлическую связь. Поэтому в металле атомы располагаются на расстояниях друг от друга, соответствующих минимальной суммарной силе взаимодействия, образуя правильную кристаллическую решетку (рис. 4.1) с минимальной энергией взаимодействия.

Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед, последовательным перемещением которого в пространстве вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл. Этот параллелепипед, дающий представление об атомной структуре и свойствах металла во всем объеме, называется элементарной ячейкой.

Рис. 4.1. Схема кристаллической решетки:

a, ft, с — линейные характеристики решетки, жирной линией выделена элементарная ячейка

Силы притяжения и отталкивания обеспечивают связь между соседними (ближний порядок) или удаленными (дальний порядок) атомами.

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного из трех типов: объемно-центрированный куб (ОЦК) — атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 4.2, а) — металлы: К, Na, Li, Ti, Zr^, W, Та, Fe_a, Cr и др.; гранецентрированный куб (ГЦК) — атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 4.2, б) — металлы: Fe_y, Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co_a и др.; гексагональная плотно упакованная решетка (ГПУ) — атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 4.2, в) — металлы: Mg, Ti_a, Cd, Os, Zn, Cop и др.

Рис. 4.2. Кристаллические решетки металлов:

a — объемно-центрированный куб; б — гранецентрированный куб;

в — гексагональная плотно упакованная решетка; а, Ь, с — характеристики решетки

В отличие от монокристаллов технические литые металлы и сплавы являются поликристаллами, состоящими из большого количества различно ориентированных анизотропных кристаллов. Среднестатистическая плотность атомов по всем направлениям примерно одинакова, т.е. поликристаллическое тело является изотропным.

Вследствие отсутствия условий для свободного роста в процессе кристаллизации каждый кристалл, входящий в поликристалл, имеет неправильную форму и называется в отличие от монокристалла зерном. Величина зерна поликристалла колеблется от нескольких миллиметров до 1—2 нм. Если зерна в теле расположены беспорядочно, то среднестатистические свойства тела в различных направлениях будут одинаковы. Это явление называется квазиизотропией (ложной изотропией), так как свойства каждого зерна зависят от выбранного направления.

При воздействии внешних сил на деформируемое тело внутри него возникают напряжения, которые могут привести к деформации. Рассмотрим упрощенную схему деформаций одного атомного слоя (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Упрощенная схема деформаций одного атомного слоя:

а — беспрепятственное перемещение атома; б—наличие препятствия перемещению атома; 1 — устойчивое состояние; 2 — упругая деформация (у.д.); 3, 5 — пластическая деформация (п.д.) и упругая деформация; 4 — препятствие; 6—лунка

В ненагруженном состоянии атомы совершают колебательные движения относительно вершины кристаллической решетки (аналог на рис. 4.3 — шарик 1 совершает небольшие колебательные перемещения в лунке 6) — устойчивое положение. При небольшом перемещении шарика (положение 2) он после снятия воздействия (нагрузки) возвратится в исходной устойчивое положение 1 — нет остаточных деформаций (упругая деформация). При перемещении шарика больше линейной характеристики кристалла (положение 3) и снятии нагрузки шарик вернется в устойчивое положение 1, но уже в другой лунке. Следовательно, после снятия нагрузки не произошло возвращение в исходное состояние — появилась остаточная (пластическая) деформация, но одновременно мы наблюдаем и небольшую упругую деформацию (так называемое «пружинение»), Если на пути перемещения шарика разместить преграду, то для переноса шарика из положения 1

в положение 5 (допустим, что перемещения 1—3 и 1—5 равны) потребуется больше энергии, т.е. повысилась прочность.

Рассмотренная простейшая схема позволяет сделать следующие выводы:

• ? касательные напряжения в кристалле приводят к его деформации;
• ? при малых напряжениях деформация может быть упругой. После снятия напряжений происходит восстановление формы тела;
• ? при возрастании касательных напряжений в кристалле выше определенной величины (т > т_к; где т_к — критическое напряжение) деформация становится необратимой, и после снятия нагрузки происходит сдвиг одной части тела относительно другой — пластическая деформация;
• ? пластическая деформация сопровождается упругой (пружи- нение);
• ? наличие преград перемещению атомов (границы зерен — мелкозернистая структура) приводит к повышению прочности тела;
• ? повышение прочности поверхностного слоя приводит к повышению сопротивления тела внедрению в него другого более твердого тела, т.е. к повышению твердости (или уменьшению антагониста твердости — вязкости).

Различают две разновидности сдвига: скольжение и двойникование.

При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига (рис. 4.4, б).

Рис. 4.4. Деформация скольжения (в) и двойникования (в); а - исходное положение

Двойникование сводится к переориентировке части кристалла в положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (рис. 4.4, в). По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение и возникает, когда скольжение затруднено. В металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдают только при низких температурах или при высоких скоростях деформирования. В металлах с ГПУ решеткой деформация развивается как скольжением, так и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов там, где величина сопротивлению сдвигу (т_к) наименьшая — пересекается наибольшее число металлических связей (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Расположение плоскостей скольжения в кристаллах с решеткой ОЦК (я) и ГЦК (б)

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них может происходить по многим направлениям. Металлы с ГПУ решеткой менее пластичны и труднее поддаются деформации.

В идеальном кристалле в скольжении одновременно участвуют все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого синхронного (жесткого) сдвига требуется касательное критическое напряжение:

где т_кр — критическое напряжение сдвига;

G — модуль упругости при сдвиге.

В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуется напряжение около 10 ⁴С, что примерно в 1000 раз меньше т_кр. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурными несовершенствами.