Деформируемость сталей

Пластичность является важнейшим свойством металлов и сплавов. Она зависит от кристаллической структуры материала, количества возможных плоскостей и направлений скольжения в кристаллитах. характера межатомных связей, химического состава, структурного состояния. количества и дисперсности избыточных структурных составляющих. Пластичность прежде всего зависит от природы материала. ею физико-химических

констант, с изменением которых изменяется и пластичность материала.

Рисунок 8 - Диаграмма напряжение-деформация

при испытании образца на растяжение

Пластичность материала тем выше, чем больше число плоскостей и направлений скольжения, больше период легкого (ламинарного) скольжения, меньше коэффициент упрочнения, четче выражен металлический характер межатомных связей‚ меньше искажена кристаллическая структура и чем меньше количество дисперсных упрочняющих частиц. С изменением состояния данного материала изменяются перечисленные факторы, а вместе с ними и его пластичность.

Таким образом, под пластичностью следует понимать свойство материала (стали, сплава), позволяющее необратимо изменять форму тела без нарушения его оплошности, определяемое с помощью принятого объективного метода испытания и выраженное количественно в тех или иных условных единицах [3].

Рисунок 9 - Диаграмма растяжения для хрупкого и пластичного металлов

Каждый материал обладает определенным комплексом природной пластичности, который может проявиться при деформировании тем полнее, чем сложнее условия деформирования [5].

---

Методы испытания

С помощью существующих методов испытания невозможно выявлять и оценивать количественно весь комплекс природной пластичности материала, а также выбирать наиболее целесообразные методы его деформирования. Это относится и к известным, широко применяемым методам испытания на ударный изгиб, на растяжение, на кручение и др.

Рисунок 10 - Испытания на статический изгиб

При каждом из этих испытаний создаются свои особые, специфические условия деформирования и разрушения образца. при которых проявляются лишь некоторые характеристики пластичности материала, но не весь комплекс его природной пластичности. Поэтому пластичность материала. выявляемая с помощью лишь одного из названных методов испытания, носит условный характер, выражается в соответствующих условных единицах и ее правильнее называть условной пластичностью (по С. И. Губкину - единичная пластичность).

---

Рисунок 11 – Испытание на растяжение

Это относится и к показателям пластичности α, δ, ψ и n. полученным с помощью испытания на удар, растяжение и кручение, которые не в одинаковой степени отражают результаты тех или иных изменений, происходящих в структуре материала или в условиях испытаний образца. Например, изменение распределения вторичных карбидов в конструкционной легированной стали от равномерного до распределения в форме сетки, расположенной но границам зерен, при растяжении образца не приводит к изменению показателей δ и ψ, тогда как при ударном испытании образца величина α, после такого перевода карбидов снижается в 1,5—2 раза. Или, например, пониженная пластичность в некоторых сплавах, обусловленная недостаточной раскисленностью металла, практически не выявляется при испытании образцов на растяжение, но величина α снижается при этом в 2—3 раза.

Все испытания, выполняемые для сравнения уровня условной пластичности образцов различных материалов или одного и того же материала, но разных плавок, или же металла одной и той же плавки, но в разных структурных состояниях, должны выполняться в приведенных условиях. При этом приведенными должны быть условия деформирования образцов. форма образцов и состояние материала [5]. Условная пластичность, полученная в таких приведенных условиях, является приведенной условной пластичностью.

Таблица 1 - Механические свойства стали обыкновенного качества группы А

(ГОСТ 380 - 71)

На величину условной пластичности материала, определяемую с помощью принятых методов испытаний оказывают влияние температура испытания (ф_т). Скорость испытания образца (ф_с.и.) структурное состояние материала (ф_с.с.)` химически: состав материала (ф_х), чистота границ зерен от легкоплавких соединений или элементов (ф_ч).

Способность металлического тела необратимо изменять свою форму, без нарушения сплошности, при деформировании его в данных условиях ковкой, прокаткой, прессованием и др., следует называть деформируемостью тела D.

Рисунок 12 – Диаграммы зависимости деформируемости D слитков (в баллах) от пластичности сплавов (номера группы)

Оценка деформируемости тела

Количественно деформируемость тела можно характеризовать с помощью:

1) величины допустимой деформации тела до начала образования трещин;

2) количества образовавшихся трещин и их размеров при данной величине произведенной деформации.

Рисунок 13 - Диаграммы зависимости деформируемости тела от напряженности состояния и неравномерности деформации

Факторы, влияющие на деформируемость

Все элементарные факторы, влияющие на деформируемость тела, можно разделить (условно) на три группы.

Рисунок 14 - Диаграммы зависимости деформируемости тела от дробности деформации

К первой группе следует отнести факторы, влияющие на величину пластичности самого материала, из которого состоит деформируемое тело, такие как:

---

1. температура испытания материала;

2. скорость испытания;

3. химический состав;

4. структурное состояние материала;

5. чистота границ зерен материала от легкоплавких включений.

Рисунок 15 - Диаграммы зависимости деформируемости тела от скорости деформации

Рисунок 16 - Диаграммы зависимости деформируемости слитка от его размера

Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания углерода (для медленно охлажденных сталей) приведено на рис.24. Как видно, с увеличением содержания углерода, твердость сталей увеличивается, однако уменьшается пластичность. Прочность стали повышается лишь до содержания углерода 0,8…1,0%, а при его дальнейшем увеличении прочность начинает резко снижаться.

Поэтому хотя теоретически стали могут содержать до 2,0% углерода, однако в практике применяются стали, в которых содержание углерода не превышает 1,3%. С увеличением количества углерода увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается содержание феррита, что обуславливает увеличение прочности и твердости и уменьшение пластичности сталей. При этом наибольшая прочность наблюдается у сталей с содержанием углерода около 0,8…0,9%. Однако, при более высоком содержании углерода на границах зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, что и обуславливает, снижение прочности стали.

Рисунок 17 - Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Ко второй группе следует отнести герметические характеритстики тела, такие как:

1. размеры тела или его масштабный фактор;

2. фактор формы деформируемого тела.

К третьей группе относят:

1. напряженность состояния тела;

2. неравномерность деформации;

3. дробность деформации;

4. скорость деформации.

Рисунок 18 – Температурный интервал пластической деформации в зависимости от степени легирования труднодеформируемых сплавов

Как видно, пластичность материала является лишь одним из факторов, определяющих деформируемость тела.

Чем выше пластичность тем, большей величине деформации можно подвергнуть тело до образования трещин, тем выше деформируемость тела.

Так же, с повышением равномерности деформации тела и объемного сжатия возрастает деформируемость.

Дробность деформации на деформируемое тело так же оказывает положительное влияение.

Влияние скорости деформации на деформируемое тело не однозначно. У сталей и сплавов обладающих повышенной скоростью деформации обычно приводит к ухудшению деформируемости слитков и заготовок.

Уменьшение степени деформации и ухудшение деформируемости тела, при увеличении его размеров, хорошо известно на практике. Поэтому существуют предельные размеры слитков.

Критерии деформируемости. Первым шагом в развитии критериев явились критерии Мора, Шлейхера-Надаи, Давиденкова-Фридмана и др. В этих теориях используют представление о некоторых поверхностях напряжений, при достижении которых в материалах нарушается сплошность (наступает разрушение) - это широко используемые критерии сопротивления материалов. В случае небольших пластических деформаций, для хрупких материалов, такие теории дают удовлетворительные результаты. Однако при больших пластических деформациях, когда кривая течения имеет очень пологую форму, предсказание наступления предельного состояния приведёт к существенным погрешностям. В настоящее время эти теории не используются для оценки деформируемости в процессах обработки металлов давлением.

---

Рисунок 19 – Зависимости порообразования от пластической деформации: а – зависимость среднего числа пор от деформации; б – зависимость размера пор от деформации.

Рассматривая физико-механические аспекты и критерии пластической повреждаемости конструкционных металлов можно заметить, что традиционный, преимущественно макромеханический, подход к исследованию и моделированию процессов пластической деформации металлоизделий с высокими эксплуатационными свойствами не всегда соответствует предъявляемым современным требованиям. Успешное решение этой проблемы требует использования связанного физико-механического подхода с прогнозированием макро и мезоструктурных параметров деформируемых материалов на основе современных положений теории пластичности и механики деформационной повреждаемости материалов.

---