Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900-1000 о С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300-400 о С называется синеломкостью , при температуре 850-1000 о С – красноломкостью .

Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности.

Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается из-за перегрева и пережога. Перегрев выражается в чрезмерном росте зерен предварительно деформированного металла. Перегрев исправляется нагревом до определенной температуры и последующим быстрым охлаждением. Пережог - неисправимый брак. Он заключается в окислении границ крупных зерен. При этом металл хрупко разрушается.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

Оценить пластичность можно через . Если увеличивается, то и пластичность увеличивается, и наоборот. Опыт показывает, что изменяя напряженное состояние, можно все твердые тела сделать пластичными или хрупкими. Поэтому пластичность считают не свойством, а особым состоянием вещества .

Самый страшный враг железных конструкций – коррозия металла . Она разрушает любое металлическое изделие, особенно в условиях повышенной влажности. Коррозии подвержено не только железо, но и другие металлы, хотя время разрушения изделий из них существенно больше. Человечество постоянно борется с разрушениями, вызванными коррозией металла , и создаёт разнообразные способы защиты от неё, но глобального решения проблемы пока не найдено, и каждый год десятая часть металла оказывается разрушенным коррозией.

Более всего подвергаются коррозионному разрушению разнородные металлы, собранные в одном изделии. Если металлы имеют различные электрохимические потенциалы, то при воздействии влаги они превращаются в электроды, и быстро разрушаются. Так свойства меди оказываются несовместимыми со свойствами железа и алюминия. Несовместим алюминий с оловом, а цинк с медью.

Упругость и пластичность металлов

Помимо коррозионной устойчивости и совместимости друг с другом, важны для использования и другие механические свойства, такие как, например, прочность, пластичность металлов , их упругость. Сравним проволоку одинакового сечения, но сделанную из различных металлов. Проволока из алюминия рвётся достаточно легко, а медная и железная - способны противостоять большим нагрузкам. Недаром струны музыкальных инструментов, функции которых как раз и заключаются в способности выдержать высокие нагрузки, делают из стали. Повышенная прочность металла на растяжение необходима также проводам ЛЭП, тросам, и многим другим конструкциям. Помимо прочности металла на растяжение имеет значение прочность на сжатие, изгиб, и другие.

Если тонкую стальную пластину согнуть, и затем отпустить, она распрямится, проявляя такое свойство, как упругость металлов . Часто металлоконструкции специально проектируются так, чтобы они проявляли упругость. Так упругая деформация требуется пружинам, булавкам, амортизаторам. Другие изделия проектируются так, чтобы упругость была минимальной. Это характерно в первую очередь для балок или различных механизмов.

Свойство, обратное упругости металлов , называется пластичностью. Оно проявляется в том, что изделие под влиянием нагрузки меняет свою форму - деформируется, но не разрушается при этом. А после того, как нагрузка снята, сохраняет эту новую форму. Примером может служить гвоздь, согнутый при ударе, и так и остающийся в согнутом состоянии.

Пластичность металлов особенно важна при их художественной обработке методами, чеканки, скани, выколотки и многими другими. Прочность, пластичность металлов возрастает при термической их обработке, а также в результате термохимических воздействий; например цементации стальных сплавов или азотирования. Испокон века использовался для увеличения прочности такой способ, как поверхностный наклёп. Мы все знаем такое выражение, как "отбивать косу". А означает это - упрочнение рабочей поверхности косы способом проковывания наружного слоя металла.

Сложности выбора идеального металла

Невозможно найти металл, свойства которого оказались бы идеально подходящими для какой-либо конкретной конструкции. В качестве примера можно взять обычную посуду - кастрюлю. Издавна для её изготовления брали медь и медные сплавы, отличающиеся хорошей теплопроводностью. Однако медные изделия слишком быстро окислялись и приходили в негодность. В 18-ом веке внутреннюю поверхность кастрюль и другой посуды научились лудить - наносить слой олова, препятствовавший окислению.

Новейшая разработка исследователей из Швеции - трёхслойная посуда особой долговечности: внешний слой её из теплоёмкой и теплопроводной меди, средний - из алюминия, а внутренний - из устойчивой к окислению нержавейки.

Основные факторы, влияющие на пластичность металла

Величина пластической деформации не безгранична, при определённых её значениях начинается разрушение металла.

Величина предельной деформации зависит от пластичности металла и на неё оказывают влияние многие факторы.

Влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Компоненты сплава оказывают различное влияние на его пластичность. В стали углерод и кремний снижают пластичность. Сера вызывает красноломкость, фосфор - хладноломкость. Марганец нейтрализует вредное действие серы. В легированных сталях Cr и W снижают пластичность, а Ni, Mo и V - повышают.

Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металла обычно возрастает, а прочность уменьшается. В то же время для углеродистых сталей характерно наличие интервала синеломкости (при температуре 100…400 0 С)

Влияние скорости деформации. Скорость деформации - изменение степени деформации в единицу времени d/dt. В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучести возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. Для каждого сплава существует определённая критическая скорость деформации, превышать которую не рекомендуется. Это необходимо учитывать, т.к. при некоторых видах ОМД развиваются значительные скорости деформации (на прессах и ковочных машинах - 0,1…0,5 м/с, на молотах - 5…10 м/с, при штамповке на высокоскоростных молотах - 20…30 м/с). Механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 м/с.

Влияние напряженного состояния. Деформируемое состояние металла характеризуется схемой приложенных напряжений. При этом, чем больше напряжение сжатия и меньше напряжения и деформации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Наибольшей пластичностью обладает металл в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Схемы напряженного состояния в различных процессах обработки давлением различны, вследствие чего для каждого процесса и температурно-скоростных условий различна величина предельной деформации.

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

С увеличением степени деформации заметно увеличиваются прочность и твёрдость металла, пластичность и вязкость при этом снижаются; возрастают остаточные напряжения. Происходит упрочнение металла. Такое упрочнение металла, наблюдаемое при пластической деформации, носит название наклепа. При этом пластические свойства могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызовет разрушение. Металл при наклёпе характеризуется значительно искаженной кристаллической решеткой. Структура наклепанного металла приобретает волокнистое строение. Такую структуру ещё называют полосчатой, т.к. для неё характерны вытянутые в направлении наибольшей деформации строчки неметаллических включений. Для волокнистой структуры свойственна анизотропия механических свойств (в поперечном направлении пластические и вязкие свойства металла заметно выше, в то время как характеристики прочности отличаются незначительно). Изменения структуры и свойств металла после наклёпа не являются не обратимыми. Наклёп может быть снят при нагреве металла до температур, составляющих более 0,4Т пл. При этом образуются новые равноосные зёрна, и свойства металла восстанавливаются. Этот процесс носит название рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температурой рекристаллизации. Для чистых металлов она составляет 0,4Т пл, для сплавов эта температура выше. Для повышения пластичности и уменьшения прочности металла применяют рекристаллизационный отжиг.

Холодная и горячая деформация - различается в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования. При этом могут происходить два противоположных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочнение металла, обусловленное рекристаллизацией.

В соответствии с этим холодное деформирование производится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Деформирование заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения металла (горячий наклёп) и рекристаллизации.

При этом горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всём объеме заготовки, и микроструктура получается без следов упрочнения. Для протекания горячей деформации с увеличением скорости деформирования увеличивают и температуру нагрева заготовки. В противном случае металл будет иметь не полностью рекристаллизированную структуру (неполная горячая деформация), это приводит к снижению механических свойств и пластичности.

При горячей деформации пластичность металла выше, а сопротивление деформации приблизительно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно использовать при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также крупногабаритных литых заготовок.

В то же время использование холодной деформации позволяет получить лучшее качество поверхности и большую точность размеров заготовки (вследствие отсутствия на поверхности слоя окалины), а также сократить продолжительность технологического цикла и повысить производительность труда.

Получение наилучших экспериментальных свойств деталей может быть достигнуто рациональным сочетанием холодной и горячей деформации, а также выбором числа и режимов обработки в процессе изготовления.

давление металл прокатка штамповка

О пластичности металла при любых условиях его деформа­ции до последнего времени судили по результатам испыта­ний образцов на растяжение. На основании этих данных считают, что пластичность всех металлов тем выше, чем выше температура, при кото­рой он подвергается обработ­ке. В действительности такое влияние температуры не явля­ется общим.

Ю. М. Чижиков рекоменду­ет пять типовых закономерно­стей влияния температуры на предел пластичности Δh/H, ха­рактеризуемый относительным обжатием (рис. 51). Кривая 1 характеризует металлы и спла­вы, пластичность которых с по­вышением температуры увели­чивается. Эта кривая типична для углеродистых и легирован­ных конструкционных сталей и др. Кривая 2 приведена для металлов и сплавов, пластичность которых с повышением температуры понижается. Эта кривая годна только для некоторых высоколегированных сплавов, но она представляет больший инте­рес, показывая, что с повышением температуры пластич­ность не всегда повышается. Кривая 3 характеризует ме­таллы и сплавы, пластичность которых очень мало изме­няется с повышением температуры. К ним относятся мно­гие качественные легированные стали. Согласно кривой 4 при повышении температуры до какой-то средней пластич­ность возрастает; при дальнейшем увеличении температу­ры она снижается. Кривая 5 показывает, что при каких-то средних температурах происходит снижение пластичности; при более высоких или более низких температурах пластич­ность получается более высокой. Эта кривая типична для технически чистого железа.

Влияние химического состава стали

Содержание углерода в стали до 0,8-1 % незначительно уменьшает пластичность металла. Повышение содержания углерода в стали приводит к тому, что металл в литом со­стоянии можно обрабатывать только ковкой. Так, стали, содержащие около 1,5 % С, в литом состоянии обрабатыва­ют ковкой. После ковки или после дробления первичной структуры и превращения ее во вторичную их можно про­катывать.

Углерод принадлежит к активным элементам, влияю­щим на изменение сопротивления деформации. Особенно заметное влияние углерода на повышение сопротивления деформации начинается при содержании его 0,5 % и выше.

Марганец повышает способность металла пластически деформироваться благодаря тому, что он с серой образует сульфид, который находится в металле в виде шарообраз­ных включений. При повышенном содержании марганца (12% и более) пластичность металла зависит от условий разливки стали. Так, горячоотлитый металл вследствие гру­бозернистой структуры прокатывается и куется хуже. Ме­талл, отлитый при низкой температуре, имеет мелкозерни­стое строение и хорошо поддается обработке давлением, но сопротивление его деформации резко повышается.

Никель является хорошим поглотителем газов, находя­щихся в расплавленном металле. Это свойство никеля осо­бенно существенно при наличии в стали водорода. В отли­чие от марганца никель и соединении с серой (сульфид ни­келя) располагается в стали по границам зерен, что способ­ствует появлению красноломкости. Сульфиды никеля, об­ладая пониженной температурой плавления, увеличивают склонность сталей к пережогу. Влияние никеля на сопро­тивление деформации незначительное.

Хром способствует образованию крупнокристаллической структуры. Крупнозернистая столбчатая структура в круп­ных слитках при охлаждении может вызвать появление межкристаллических трещин. Особенно это заметно в хро­мистых сталях с большим содержанием углерода. В неко­торых высокоуглеродистых сталях типа ЭХ12 или хромонн- келсвых (3-4 % Ni, 1-5 % Cr) указанные трещины могут выходить даже на поверхность. Хром в стали, особенно при содержании никеля или повышенном содержании углерода, резко повышает сопротивление деформации вследствие на­личия карбидов хрома, стойких даже при высоких темпе­ратурах.

Ванадий , как и марганец, имея сродство к кислороду, является хорошим раскислителем. Кроме того, ванадий, по­добно кремнию, служит хорошим дегазификатором. Прак­тикой и исследованиями установлено, что ванадий способ­ствует образованию мелкозернистой структуры слитка, при этом пластичность стали повышается.

Вольфрам уменьшает пластичность стали в горячем со­стоянии и увеличивает сопротивление деформации. Некото­рые марки стали с содержанием вольфрама в литом состо­янии сначала обрабатывают ковкой и только после вторич­ного нагрева слитка прокатывают его в валках.

Стали с содержанием молибдена относятся к самозака­ливающимся. Содержание в стали молибдена не уменьша­ет способность пластического изменения формы при ковке или прокатке. В то же время сопротивление деформации не­сколько повышается. Недостаток сталей, содержащих мо­либден в большом количестве (до 1,5% и более), состоит в свойстве их при охлаждении подвергаться воздушной за­калке, что иногда сопровождается появлением трещин. В сталях с малым содержанием молибдена (0,25-0,3%) это явление не наблюдается.

В металле сера находится чаще всего в виде соединений FeS и MnS. При наличии в стали легирующих элементов (Cr, W и особенно Ni сера, соединяясь с ними, образует сульфиды, которые выделяются по границам зерен метал­ла. Эти сульфиды, обладая пониженной температурой плав­ления и прочностью, обусловливают красноломкость стали при пластической обработке в области температур 800- 1000°С. Кроме того, сульфиды создают опасность пережо­га металла при температурах, близких к 1200°С.

Наличие водорода в стали способствует образованию внутренних трещин-флокенов. Прямого влияния на пластич­ность и сопротивление деформации водород не оказывает.

В металле азот находится в виде соединений с другими элементами. Содержание нитридов в пределах 0,002- 0,005 % заметного влияния на пластичность металла не оказывает. При повышении содержания нитридов до 0,03 % и выше металл становится хладноломким и красколомким. Однако добавление азота, в частности в коррозионно-стой­кую сталь, уменьшает размеры первичного зерна при от­ливке. Так, содержание азота в пределах 0,15-0,2 % в кор­розионно-стойкой стали при содержании хрома до 25 % способствует получению мелкозернистой структуры и улуч­шению пластичности с одновременным повышением сопро­тивления деформации. Неметаллические включения в виде оксидов (особенно FeO) отрицательно влияют на пластичность металла при высоких температурах. По данным ряда исследований, количество оксидов не должно превышать 0,01 %. При большем содержании в металле оксидов неза­висимо от их формы и природы даже при деформации ков­кой получаются трещины.

Кроме рассмотренных общих технологических свойств (пластичности и сопротивления деформации), каждый ме­талл или сплав имеет еще специфические особенности, ко­торые нужно знать и учитывать при разработке технологи­ческих режимов. Так, автоматная сталь (углеродистая сталь с повышенным содержанием серы) обладает низким коэффициентом трения, что затрудняет ее захват валками при прокатке.

Многие легированные стали склонны к образованию трещин, чрезмерному обезуглероживанию, перегреву. Все эти и другие особенности каждого металла необходимо учитывать, чтобы правильно вести технологический про­цесс.

1. Химический состав
Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, наименьшей - химические соединения (больше сопротивление движению дислокаций).
Легирующие добавки Cr, Ni, W, Co, Mo - увеличивают пластичность; С, Si - снижают пластичность.
2. Микро-, макроструктура
С уменьшением величины зерна пластичность увеличивается (сверхпластичность). Разнородность зерен снижает пластичность.
3. Фазовый состав
Наибольшей пластичностью обладает металл однородного строения. Разные фазы, имеющие некогерентные решетки, затрудняют движение дислокаций и понижают пластичность.
Кроме того, они деформируются по-разному, что способствует образованию трещин.

Снижение пластичности при температуре выше 800°C связано с образованием второй фазы - остаточного феррита. Повышение пластичности при температурах выше 1000°С свидетельствует о резком снижении сопротивления металла деформации.
4. Скорость деформации
Следует различать скорость перемещения инструмента или скорость деформирования (V, м/с) и скорость деформации - изменение степени деформации в единицу зремени (u или ε, с-1),

где L - базовая длина образца, подвергнутого растяжению; Δl - абсолютное удлинение образца Δl=l-L; t - время; V - скорость перемещения инструмента; Н, h - высота тела соответственно до и после деформации; Ah - абсолютное обжатие Δh = H-h; R - радиус рабочих прокатных валков.
С увеличением скорости деформации пластичность снижается , так как не успевает переместиться нужное число дислокаций.
Увеличение пластичности при высоких скоростях деформации объясняется повышением температуры металла.
5. Окружающая среда. Некоторые поверхностно активные вещества повышают пластичность металла (олеиновая кислота) - облегчают пластический сдвиг, другие - способствуют хрупкому разрушению (керосин).
Таким образом, необходимо уделять должное внимание смазкам.

Прокатка в вакууме или в среде инертных газов редкоземельных элементов (Nb, Mo, Te) не позволяет образовываться окисной пленке, которая является очень хрупкой. При прокатке в вакууме газ диффундирует наружу и металл становится пластичным. В США построены цеха с защитной атмосферой. В г. Чирчик (Таджикистан) на металлургическом заводе работает прокатный стан с герметизированными валковыми узлами, в которых создан вакуум.
6. Дробность деформации
Увеличение дробности деформации приводит к повышению пластичности легированных марок стали.

Прокатка на планетарном стане, благодаря высокой дробности деформации, позволяет получить 98% степени деформации. Дробная деформация способствует уменьшению неравномерности структуры металла, облегчает поворот зерен. При повторном нагружении происходит снижение остаточных напряжений между зерном и пограничными зонами,
7. Механическая схема деформации
Наиболее благоприятной схемой пластической деформации является схема трехстороннего неравномерного сжатия. При прочих равных условиях уменьшение растягивающего напряжения благотворно влияет на пластические свойства металла.
При переходе от деформации по схеме одноосного растяжения к деформации по схеме трехстороннего сжатия теоретически возможно увеличение пластичности металла в 2,5 раза.
В классических опытах Кармана по прессованию мрамора и песчаника была получена величина степени деформации мрамора 68% без разрушения при обработке высоким гидростатическим давлением.
Гидростатическое давление

где σ1, σ2, σ3 - главные напряжения сжатия.
Пластическая деформация возникает за счет разности главных напряжений σ1 ~ σ3 = σт.
При прокатке хрупких литых сплавов для снижения растягивающих напряжений на кромках применяют так называемую «рубашку» (перед прокаткой заготовку заворачивают в оболочку из высоко пластичного металла). При этом растягивающие напряжения возникают в оболочке, а деформируемый металл испытывает сжимающие напряжения, предотвращающие трещинообразование.

Перспективным направлением является применение гидроэкструзии - создания всестороннего неравномерного сжимающего давления в деформируемом металле за счет жидкости (будет рассмотрено позже).
В реальных процессах всегда имеется неравномерность деформации (между зернами, между отдельными локальными участками), которая вызывает неравномерность деформации.
8. Масштабный фактор
Чем больше объем тела, тем ниже его пластические свойства при прочих равных условиях - следует учитывать при разработке процессов ОМД и при проектировании оборудования.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить

05.04.2019

Виноград относится к ягодам с коротким сроком хранения. Даже в холодильнике он очень быстро становится вялым, теряет нормальный вид. Можно, конечно, заморозить его в...

05.04.2019

Правильно подобрать и установить подходящий кондиционер или сплит-систему поможет опытный специалист компании, которая предоставляет услуги по монтажу, ремонту и...

05.04.2019

Газовый котёл является оборудование, с его помощью происходит получение тепловой энергии, которая требуется для нормального отопления комнаты. Подобные агрегаты нередко...

05.04.2019

На территории Ташкентского металлургического предприятия начали привозить главное технологичное оснащение. В качестве поставщика выступила Группа предприятий «МетПром» в...

05.04.2019

С первого дня возникновения залоговых кредитов у заёмщиков появилась возможность брать значительные денежные суммы на лучших условиях, нежели в случае оформления...

05.04.2019

На сегодняшний день любая компания, работающая в химической отрасли, задействует в оде осуществления разнообразных процедур особое оснащение, где реализуются различные...

05.04.2019

Известная корпорация из Канады First Quantum Minerals, которая зимой текущего года передала в использование рудник по добыче медного сырья Cobre Panama на территории...

05.04.2019

ВВГнг-LS является силовым кабелем, обеспечивающим электрическое питание стационарных (в составе различных строений), а также мобильных (в условиях строительных площадок)...