Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Пластичность металла — это способность материала необратимо изменять форму под действием нагрузки без образования трещин и разрушения. Именно это свойство определяет, можно ли обрабатывать металл давлением: ковать, штамповать, прокатывать. Без достаточной пластичности любая операция ОМД приводит к браку. Понимание механизма пластической деформации и факторов, влияющих на неё, — базовая компетенция технолога кузнечно-штамповочного производства.
Пластичность — одно из фундаментальных механических свойств металлических материалов. В отличие от упругой деформации, которая исчезает после снятия нагрузки, пластическая деформация необратима: металл сохраняет новую форму. Именно это делает ОМД возможной как технологию.
На атомном уровне пластическая деформация реализуется через движение дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Чем меньше препятствий для движения дислокаций, тем выше пластичность. Легирующие элементы, мелкодисперсные фазы, границы зёрен — всё это тормозит дислокации и снижает способность металла к пластическому течению.
Пластичность — не постоянная характеристика. Она существенно зависит от условий деформирования: температуры, скорости, схемы нагружения и структурного состояния материала.
Относительное удлинение δ — основной стандартизированный показатель пластичности при растяжении. Определяется как отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к его начальной расчётной длине, выраженное в процентах:
δ = (l₁ − l₀) / l₀ × 100%, где l₀ — начальная расчётная длина образца, l₁ — длина после разрыва.
Значения δ для конструкционных сталей при нормальной температуре составляют от 10 до 30%. Чистый алюминий в отожжённом состоянии показывает δ до 40–45%, медь — до 40% и выше. Малоуглеродистые стали типа Ст3сп имеют δ5 ≥ 26% по ГОСТ 535-2005. Материалы с δ менее 5% принято считать малопластичными.
Относительное сужение ψ характеризует местную пластическую деформацию в зоне разрушения — шейке образца. Вычисляется по формуле:
ψ = (F₀ − F₁) / F₀ × 100%, где F₀ — начальная площадь поперечного сечения, F₁ — минимальная площадь в шейке после разрыва.
Для большинства конструкционных сталей ψ находится в диапазоне 40–65%. Показатель ψ точнее отражает объёмную пластичность, чем δ, поскольку не зависит от длины расчётной базы и ориентирован именно на зону концентрированной деформации. Ψ нормируется преимущественно для прутков и поковок; для листового проката этот показатель, как правило, не регламентируется.
В технологической практике применяются и другие показатели. Испытание Эриксена (ISO 20482, ASTM E643) оценивает способность листового материала к вытяжке: пуансон вдавливается в лист до появления первой трещины, фиксируется глубина лунки в мм. Для низкоуглеродистой листовой стали толщиной 1 мм глубина лунки составляет порядка 10–12 мм.
При объёмном деформировании используют технологические пробы: осадку цилиндрических образцов до появления первых трещин на боковой поверхности, прокатку на клин с замером относительного обжатия до разрушения.
Температура — наиболее мощный инструмент управления пластичностью. При нагреве металла усиливаются тепловые колебания атомов, снижаются силы межатомного взаимодействия, активируются дополнительные системы скольжения. Одновременно протекает разупрочняющий процесс — рекристаллизация, устраняющая накопленные дислокационные скопления.
Для углеродистых сталей горячую ковку начинают при температурах 1100–1280°C (в зависимости от марки стали), а заканчивают при 750–850°C. Конкретные границы определяются маркой: для стали 20 по справочным данным температура начала ковки составляет 1280°C, конца — 750°C; для стали 45 — начало 1250°C, конец 750°C. Работа выше верхней границы грозит перегревом и пережогом; ниже нижней — металл теряет достаточную пластичность и высока вероятность трещинообразования.
Для каждого сплава существует интервал горячей деформации с верхней и нижней границами температуры. Работа за пределами этого интервала критически снижает пластичность и ведёт к образованию дефектов.
Влияние скорости деформации носит двойственный характер. При горячем деформировании высокая скорость ограничивает время для протекания рекристаллизации и возврата, что снижает пластичность и повышает сопротивление деформации. Скоростной удар молота создаёт адиабатический разогрев, частично компенсирующий этот эффект по сравнению с медленным обжатием прессом.
При холодном деформировании умеренное повышение скорости практически не влияет на пластичность. Однако при сверхвысоких скоростях (взрывная штамповка) адиабатический разогрев может вызывать локальное оплавление по границам зёрен и резкое снижение связности структуры.
Схема НДС — один из ключевых факторов, определяющих реализуемую пластичность в конкретной технологической операции. Чем больше в очаге деформации сжимающих напряжений (гидростатическое давление), тем труднее развиваются трещины и тем выше достижимая степень деформации без разрушения.
Этот факт имеет прямое технологическое применение: при обработке малопластичных сплавов намеренно создают подпирающее давление — прессование в контейнере, гидростатическое прессование, прокатка с натяжением.
Крупнозернистая структура исходного слитка снижает пластичность. Горячая деформация измельчает зерно, что повышает как прочность, так и пластичность готового изделия. Ликвационные зоны в слитке — участки с повышенным содержанием серы, фосфора, кислорода — являются концентраторами разрушения при деформировании.
Повышение содержания углерода в стали снижает пластичность: при переходе от 0,1 до 0,6% С относительное удлинение δ5 уменьшается примерно с 30 до 12% в горячекатаном состоянии. Легирование хромом и молибденом при правильной термообработке позволяет обеспечить высокую пластичность одновременно с высокой прочностью.
Диаграмма пластичности — графическое отображение предельной степени деформации до разрушения в зависимости от схемы напряжённого состояния. Строится экспериментально путём испытания серии образцов при различных схемах нагружения: от одноосного растяжения до трёхосного сжатия.
По оси ординат откладывается накопленная логарифмическая деформация e* при разрушении, по оси абсцисс — показатель жёсткости схемы нагружения η = σср / σи, где σср — среднее (гидростатическое) напряжение, σи — интенсивность напряжений (по Мизесу).
Диаграмма имеет возрастающий характер: чем выше гидростатическое давление (более отрицательное значение η), тем большую логарифмическую деформацию выдерживает металл до разрушения. Для конструкционных сталей при трёхосном сжатии предельная деформация может в 3–6 раз превышать аналогичную величину при одноосном растяжении.
Практическое применение диаграммы пластичности — расчётная оценка запаса пластичности при разработке технологических процессов ОМД. Если расчётная деформация в очаге оказывается ниже предельной кривой — процесс пройдёт без разрушения. Выход за пределы кривой означает неизбежное трещинообразование. Методы построения диаграммы пластичности детально изложены в трудах Сторожева М.В. и Попова Е.А., а также в ASM Handbook Vol. 14A.
При разработке процессов горячей штамповки пластичность оценивается через допустимые степени деформации за один переход. Для углеродистых сталей при температуре 1100–1200°C допустимая степень осадки достигает 70–80% без признаков разрушения при благоприятной схеме НДС. По мере снижения температуры к нижней границе интервала ковки допустимая деформация существенно уменьшается.
Контроль механических свойств поковок из конструкционных сталей регламентируется ГОСТ 8479-70. Стандарт устанавливает пять групп поковок и для каждой — нормируемые характеристики. Для поковок группы IV нормируются предел текучести, временное сопротивление, δ5 и ψ; конкретные значения зависят от категории прочности КП. Так, для категории прочности КП 315–345: ψ ≥ 45%, а для более высоких категорий (КП 395–440) — ψ ≥ 40%. Для специальной категории КП 490С устанавливается ψ ≥ 50%.
В листовой штамповке пластичность материала оценивается через показатель нормальной анизотропии r (коэффициент Ланкфорда) и показатель деформационного упрочнения n. Высокое значение r (более 1,5) означает, что металл лучше деформируется в плоскости листа, что благоприятно для глубокой вытяжки. Высокое n (0,20–0,24) свидетельствует о равномерном распределении деформации по заготовке и высоком ресурсе до разрушения.
Для автомобильных IF-сталей (interstitial-free, бесщелевые) значения r достигают 1,8–2,2, а n — 0,20–0,24, что делает их оптимальными для глубокой вытяжки сложных кузовных деталей. Эти данные подтверждены в работах Marciniak, Duncan, Hu «Mechanics of Sheet Metal Forming» и в ASM Handbook Vol. 14B.
Примечание к таблице: значения δ5 и ψ приведены для нормализованного или отожжённого состояния, соответствующего исходному материалу перед ОМД. Для листовых полуфабрикатов (АМц, медь М1) ψ стандартами не регламентируется.
Пластичность металла — многофакторная характеристика, которая определяет саму возможность обработки давлением и параметры технологического процесса. Базовые показатели — относительное удлинение δ5 и относительное сужение ψ — дают количественную оценку пластических резервов материала. Однако в реальных условиях ОМД не менее важны схема НДС, температурный интервал деформирования и скорость деформации.
Грамотное применение диаграммы пластичности и анализ схемы напряжений в очаге деформации позволяют разрабатывать технологии, обеспечивающие бездефектное формообразование даже для труднодеформируемых сплавов. Именно в этом состоит практическая ценность данного материала для технологов-штамповщиков и конструкторов инструментальной оснастки.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.