Обработке давлением подвергают деформируемые черные и цветные металлы. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе с углеродом и легирующими элементами, все остальные металлы и сплавы называют цветными. Черные металлы подразделяют на стали (до 2 % углерода) и чугуны, содержащие более 2 % углерода. Цветные металлы подразделяют на легкие, тяжелые (с плотностью более 8 000 кг/м3) , редкие и благородные. К тяжелым металлам относятся свинец, цинк, никель, кадмий, кобальт, олово и др. К благородным относят золото, серебро, платину и их сплавы, которые, благодаря высокой пластичности и химической стойкости, находят широкое применение в технике и ювелирном деле.
Используются следующие стали:
— углеродистые (Ст 0…Ст 6, 10, 20, 45, 60, 70, У7…У13, А 20 и др.);
— легированные (40Х, 30ХГСА, 38ХС, 12Х1МФ, 38Х2МЮА, ШХ 15 и др.);
— высоколегированные коррозионно-стойкие (нержавеющие), легированные хромом и никелем (08Х18Н10Т, 12 Х18Н10Т,
03 Х12Н10МТ, 07Х16Н6, 03Х18Н12ВМ, Х15Н5Д2ТЮ и др.);
— жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, сохраняющие эксплуатационные свойства при температурах более 600 °С (12Х21 Н5Т, 15Х20Н12Т и др. ).
Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—94), например Ст0, Ст3кп, Ст6сп, где последние буквы обозначают степень раскисленности стали: кп — кипящие, сп — спокойные, пс — полуспокойные. Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050—88) отличаются меньшим содержанием вредных примесей серы и фосфора (S, P 0,035…0,040 %) и обозначаются 08 кп, 10 пс, 10…60 и др. Углеродистые инструментальные стали ( ГОСТ 1435—99) обозначаются У7…У13, где цифра — массовая доля углерода (У7 — 0,7 %; У13 — 1,3 %). Углеродистые автоматные сернистые стали А11…А35 (ГОСТ 1414—75) относятся к сталям специального назначения для последующей обработки резанием на токарных станках и автоматах. К углеродистым сталям специального назначения относятся также судовые свариваемые стали марок А, В, Д, Е (в виде проката по ГОСТ 5521—93), котельные стали 15К…22К (в виде листового проката по ГОСТ 5520—79), мостовые стали 16Д (прокат по ГОСТ 6713—91). Цифра в обозначении углеродистых сталей обозначает в большинстве случаев массовую долю углерода в сотых долях процента.
Содержание углерода влияет на свойства стали: с увеличением содержания углерода возрастает прочность (временное сопротивление в) и твердость, но уменьшается пластичность стали. Однако прочность повышается только примерно до 1 % С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться в связи с образованием вторичного цементита по границам зерен в заэфтектоидных сталях (> 0,8 % С).
Легированные стали подразделяются на низколегированные (содержание легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированные (2,5…10 %) и высоколегированные (более 10 %).
Легирующие элементы в маркировке сталей по российским стандартам обозначаются следующими буквами:
| М — молибден
| Х — хром
|
| А — азот
| Ф — ванадий
|
| Д — медь
| В — вольфрам
|
| Н — никель
| П — фосфор
|
| Ю — алюминий
| Г — марганец
|
| Б — ниобий
| К — кобальт
|
| Т — титан
| Ц — цирконий
|
| Р — бор
| С — кремний
|
Легирующие элементы придают сталям определенные свойства.
А з о т (N) применяется в сталях в качестве заменителя углерода и никеля. Он значительно повышает коррозионную стойкость стали.
В а н а д и й (V) улучшает такие свойства стали, как твердость и прочность, а также значительно повышает ее износостойкость. Ванадий присутствует в инструментальных и быстрорежущих сталях.
В о л ь ф р а м (W) является металлом с самой высокой температурой плавления. Он используется во многих отраслях. Вольфрам наравне с молибденом является обязательным элементом для быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к высокой температуре, наличие вольфрама в стали улучшает такие свойства, как износостойкость и твердость.
К о б а л ь т (Co) в небольшом количестве присутствует в твердых сплавах и быстрорежущих сталях, увеличивая твердость и прочность стали.
К р е м н и й (Si) не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1 % снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
М а р г а н е ц (Mn) увеличивает твердость и устойчивость стали к износу. Однако его содержание в больших количествах (более 1,5 %) повышает хрупкость.
М о л и б д е н (Mo) повышает красностойкость, упругость, временное сопротивление, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Также он делает состав стали более равномерным. Молибден является обязательным элементом в быстрорежущих сталях.
Н и к е л ь (Ni) повышает коррозионную стойкость стали. Кроме того, он незначительно повышает прочность.
Н и о б и й (Nb) является достаточно редкой легирующей добавкой и повышает износостойкость и коррозионную стойкость стали.
Т и т а н (Ti) обычно добавляют в сталь для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. Также он способствует измельчению зерна и улучшает обрабатываемость.
Х р о м (Cr) оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали в количестве до 2 %; он растворяется в феррите и цементите, увеличивает стойкость стали к коррозии и износу. Сталь считается нержавеющей, если содержание хрома в ней больше или равно 14 %.
В ОМД наиболее часто применяются следующие цветные металлы и сплавы:
— алюминиевые (Д1, АД-1, АМц, АМг6 и др.);
— медные (техническая медь М0, М1 и др.), легированные оловом и др. элементами (бронзы Бр.А7, Бр.АЖМн10-3-1,5 и др.) и легированные цинком (латуни Л96, Л68, Л63 и др.);
— титановые (ВТ1-0, ОТ4-0, ВТ 5 и др.);
— магниевые (МА2, МА8, МВ65-1 и др.);
— прочие сплавы на основе циркония, молибдена, хрома и др. Эти сплавы обладают уникальными свойствами (хром и молибден придают жаропрочность, цирконий — радиационную стойкость).
Алюминиевые сплавы получили распространение благодаря легкости (плотность порядка 2700 кг/м3), высокой пластичности (относительное удлинение = 40…45 %) и высокой коррозионной стойкости благодаря оксидной пленке. Легирующие элементы придают алюминиевым сплавам высокую прочность (медь, магний, марганец) и жаропрочность (никель, железо). Например, такие сплавы, как АМг6 (примерно 6 % магния), дюралюминий Д16 (около 4 % меди, 1 % кремния, до 1 % марганца и магния), широко применяют в самолетостроении для обшивки фюзеляжей.
Медные сплавы относятся к тяжелым металлам (плотность порядка 8500—8900 кг/м3) , имеют высокую электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость. Применяется техническая медь марок М0 (содержание меди не менее 99,95 %), М1 (не менее 99 ,9 %), М4 (99,0 %) и др. Самыми распространенными медными сплавами являются латуни, содержащие до 50 % цинка. Хорошо обрабатываются давлением латуни марок Л63…96 (цифра означает среднее содержание меди), специальные латуни (алюминиевые ЛА85-0,5, ЛА77-2; свинцовистые ЛС59-1, ЛС63-3 и др.). Основными легирующими элементами бронз являются олово, алюминий, марганец, кремний, бериллий, железо (например, оловянистая бронза Бр.ОФ6,5-0,15: олова 6,5 %, фосфора 0,15 %). В настоящее время применяют в основном безоловянистые (специальные) бронзы, которые по своим свойствам превосходят оловянистые бронзы. Это сплавы с алюминием (Бр. А7), с алюминием, железом и марганцем (Бр. АЖМн10-3-1,5), бериллиевая бронза (Бр. Б2) и др.
Широкое применение в авиационной и космической технике нашли титановые сплавы благодаря малой плотности (4500 кг/м3) , коррозионной стойкости и прочности. Например, ВТ1 (99,3 % титана), ВТ3-1 (5 % алюминия, 2,5 % хрома, 1,9 % молибдена), ВТ14 (4 % алюминия, 3 % молибдена ).
Еще более легкими конструкционными материалами являются сплавы магния (плотность 1800 кг/м3) . В качестве легирующих добавок применяют алюминий, цинк, марганец. Ниже в табл. 2.1 приведены свойства деформируемых высокопрочных сплавов МА2 и МА8, легированных марганцем, и сверхлегкого сплава МА18, легированного литием.
Обрабатываемость давлением может быть оценена механическими свойствами металла при комнатной температуре (временным сопротивлением в, пределом текучести т, относительным удлинением и сужением ) . В теории ОМД обрабатываемость оценивают пластичностью и сопротивлением деформации металла (см. подразделы 2.1.3 и 2.1.5). Пластичность может быть выражена через относительное удлинение или сужение, а сопротивление деформации — это напряжение, значение которого находится между пределом текучести и временным сопротивлением (см. рис. 2.5),
т. е. временное сопротивление оценивает максимально возможное значение сопротивления деформации.
В табл. 2.1 приведены значения механических свойств некоторых сплавов, а также оценка обрабатываемости давлением.
Т а б л и ц а 2.1
Оценка обрабатываемости давлением *
| Марка стали
( сплава )
| Предел текучести,
МПа
| Временное сопротивление,
МПа
| , %
| , %
| Обрабатываемость давлением
(шкала оценок)**
|
| Балл
| Кач. оц.
|
Стали
| 08
10
20
45
60
15Х
45Х
45Г2
38ХС
30ХМ
15ХФ
20ХН
50ХН
30ХГС
ШХ 15
| 200
210
250
360
410
500
850
410
700
750
550
600
900
850
420
| 330
340
420
610
690
700
1050
700
900
950
750
800
1100
1100
730
| 33
31
25
16
12
12
9 11
13
11
13
14
9 10
21
| 60
55
55
40
35
45
45
40
50
45
50
50
40
45
46
| 84
78
71
48
40
49
44
43
53
46
54
55
39
44
56
| вв вв в
у н у у н у у у у н у у
|
| Х18Н10Т
| 200
| 550
| 40
| 55
| 73
| в
|
Алюминиевые сплавы
О к о н ч а н и е т а б л. 2.1
| Марка стали
( сплава )
| Предел текучести,
МПа
| Временное сопротивление,
МПа
| , %
| , %
| Обрабатываемость давлением
(шкала оценок)**
|
| Балл
| Кач. оц.
|
| АМг3
АД31
Д1
| 90
50
250
| 190
90
410
| 15
25
15
| 65
30
30
| 80
51
40
| вв у у
|
* Составлено по: Краткий справочник металлиста / под ред. А. Н. Маслова. М. : Машиностроение, 1971. 767 с.; Физическое металловедение: учеб. для вузов / С. В. Грачев, В. Р. Бараз, А. А. Богатов, В. П. Швейкин. Екатеринбург : Изд-во УГТУ—УПИ, 2001. 534 с.
** Шкала оценок: 80—100 — весьма высокая обрабатываемость (вв); 60—80 — высокая (в); 40—60 — удовлетворительная (у); 20—40 — низкая (н); менее 20 — не обрабатывается ОМД.
Количественную оценку обрабатываемости можно дать следующим образом. Представим обрабатываемость в 100-балльной шкале как произведение трех коэффициентов:
Q = 100 K[8]K2K3,
где K1 — коэффициент, учитывающий плас()э 100
тичность металла; ( + )э — эталонная пластичность, принятая за 100 %, что примерно соответствует очень пластичным сплавам (например, для стали 08 — 93 %, для латуни Л68 — 125 %, для алюминиевого сплава АД1 — 115 %);
в в
K2
— коэффициент, учитывающий ин-
1– 0,1
т э
тенсивность упрочнения металла, чем больше отношение в/т, тем хуже обрабатываемость металла, эталонное значение (в/т)э = 1;
1– 0,0001(в т) 1– 0,0001(в т )
K3 — коэффициент, оцеоценивают относительным (%) удлинением или сужением . Установим связь между этими характеристиками.
Степень деформации сдвига при монотонном растяжении цилиндрического образца рассчитывается по формуле
F0 L
3ln 3ln , (2.34)
F L 0
где F0, L0 и F, L — соответственно площади поперечного сечения и длины образца до деформации и текущие[9].
В момент разрушения F = Fp, L = Lp и, учитывая, что
F0 Fp Lp L0 F0 100 Lp 100
100 %, 100 %, а и , F0 L0 Fp 100 L0 100 получим из (2.34):
100
p 3k ln , (2.35)
100
100
p 3k ln , (2.36)
100
где k, k — коэффициенты немонотонности деформации при образовании шейки соответственно в поперечном и продольном направлениях.
Наши расчеты с использованием диаграмм пластичности[10] показали, что для большинства сталей можно принять k = 1,1…1,3; k = 3,0…3,3. Заметим, что формулы (2.35) и (2.36) пригодны для оценки пластичности при показателе напряженного состояния /Т = 0,58, что соответствует одноосному растяжению.
В производственных условиях деформацию заготовки при ОМД
F0 L оценивают чаще всего коэффициентом вытяжки , че-
F L 0
рез который можно выразить степень деформации сдвига при удлинении цилиндрической заготовки, используя формулу (2.34)
3kнем ln, (2.37)
где kнем — коэффициент немонотонности деформации в зависимости от способа ОМД (максимальный при прессовании, минимальный при волочении и средний при прокатке).
Предельной степени деформации (2.37) соответствует формула
p 3kнем lnp , (2.38)
из которой предельный коэффициент вытяжки, который выдерживает металл до разрушения, может быть определен как:
р
p exp. (2.39) нем
Формулу (2.39) можно использовать для определения предельных коэффициентов вытяжки с использованием исследований пластичности металлов и диаграмм пластичности. Так, предположив, что в процессах ОМД имеются опасные зоны растягивающих напряжений с /Т = 0,58, определив пластичность металла по формулам (2.35) и (2.36), можно рассчитать предельные коэффициенты вытяжки за один проход.
2020-02-03
507
Обсуждений (0)
