Влияние скорости деформации на пластичность и сопротивление деформированию

Обычно определения механических свойств металлов производят на испытательных машинах со скоростями деформирования, не превышающими 10 мм/с,.; Обработка давлением на прессах и ковочных машинах ведется при средней скорости движения рабочего органа машины в пределах примерно 0,1—0,5 м/с. При обработке на молоте воздействие на металл носит уже динамический характер; скорость бабы молота в момент удара составляет 5—10 м/с, а весь процесс деформации за один удар длится лишь сотые доли секунды. Еще более высокие скорости деформирования возникают при штамповке на высокоскоростных молотах (~20—30 м/с и выше), а также при штамповке взрывом, электрогидравлическим разрядом, магнито импульсным и другими видами импульсного нагружения, ныне с успехом внедряющимися в промышленность. Поэтому весьма важно знать, можно ли при анализе и проектировании процессов обработки давлением пользоваться данными о механических свойствах металлов, полученными путем обычных испытаний. Иначе говоря,, очень важно знать, как влияет скорость деформации на пластичность и напряжение текучести.
 В первом приближении можно сказать, что при увеличении скорости деформации напряжение текучести возрастает, а пластичность падает.
 С увеличением скорости деформации особенно резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скорости деформации большинство алюминиевых сплавов, низколегированная и углеродистая конструкционная стали [391. Последние обладают при горячей обработке вполне достаточной пластичностью при любых практически применяемых скоростях деформирования. Влияние скорости деформации при холодной обработке давлением значительно меньше, чем при горячей. Интенсивность роста этого влияния больше в диапазоне малых скоростей (мм/мин) и весьма мала в диапазоне больших скоростей. Однако приведенные данные требуют уточнения. Надо учитывать прежде всего два существенных обстоятельства: наличие при горячем пластическом деформировании двух противоположных процессов: упрочняющего и разупрочняющего (возврат и рекристаллизация), а также тепловой эффект пластической деформации. О возврате и рекристаллизации говорилось ранее. Тепловой эффект выражается в том, что энергия, расходуемая на пластическую деформацию, превращается в основном в теплоту. Коэффициент выхода теплоты, по данным С. И. Губкина, составляет для чистых металлов 0,85—0,90, для сплавов 0,75—0,85. Остальная часть работы деформации идет на повышение внутренней энергии металла. Тепловой эффект при прочих равных условиях уменьшается с увеличением температуры деформации, так как с повышением температуры падает напряжение текучести и снижается энергия, необходимая для деформации. Поэтому при одной и той же степени деформации данного образца в холодном и горячем состоянии в последнем случае теплоты выделится меньше. Если скорость деформации малая, то теплота будет рассеиваться и процесс будет протекать почти изотермически. Наоборот, при больших скоростях деформации выделяющаяся теплота повысит температуру тела, иначе говоря, будет наблюдаться температурный эффект. На основании сказанного температурный эффект при горячей деформации меньше как вследствие выделения меньшего количества теплоты, так и потому, что количество выделившейся теплоты мало по сравнению с теплосодержанием нагретого металла. При холодной обработке давлением разупрочняющие процессы не происходят. Напряжение текучести растет со степенью деформации в результате упрочнения, изменение скорости в некоторых пределах мало влияет на ход процесса. В отдельных же случаях холодной обработки давлением при высоких скоростях деформирования в результате температурного эффекта может возникнуть явление возврата; напряжение текучести станет меньше, а пластичность больше, чем это было при более низкой скорости. При горячей деформации идет процесс рекристаллизации. Чем выше скорость деформации и чем меньше скорость рекристаллизации, тем больше напряжение текучести и тем меньше пластичность. Сталь при низких температурах нагрева и магниевые сплавы при нормальном температурном интервале ковки имеют очень малую скорость рекристаллизации, поэтому повышение скорости деформации может изменить характер обработки: из горячей она обратится в неполную горячую, что и вызовет резкое уменьшение пластичности при одновременном' росте напряжения текучести. Особый эффект может дать изменение скорости деформации, если обработка производится при температурах, близких к зонам хрупкости. Например, у технически чистого железа (армкожелеза) зона хрупкости лежит в температурном интервале 825— 1100° С. Если производить ковку, например, при температуре, близкой к 825° С [39], с большой скоростью деформации, то вследствие температурного эффекта деформации металл окажется в зоне хрупкости. Тот же температурный эффект при температуре, близкой к 1100° С, может вывести металл из зоны хрупкости. Таким образом, в одних случаях повышение скорости деформации ведет к увеличению напряжения текучести и снижению пластичности, а в других в связи с температурным эффектом может привести к обратным результатам.
 Многие исследователи пытались аналитически выразить зависимость напряжения текучести от скорости деформации при заданной температуре и степени деформации. Наибольшего внимания заслуживают формулы, предложенные П. Здесь as и оь0 — напряжения текучести соответственно при скоростях деформации е и в0; п и т — константы, определяемые экспериментально.
 С. И. Губкин считает, что первой формулой целесообразно пользоваться в области температур деформации с полным и неполным упрочнением, а вторую применять для температур деформации с полным и неполным разупрочнением. Это в общем подтверждает и Л. Д. Соколов в своих исследованиях, посвященных изучению влияния температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию.
 При практических расчетах можно учитывать влияние скорости деформации при помощи так называемого скоростного коэффициента показывающего, во сколько раз увеличивается напряжение текучести при том или ином увеличении скорости деформации. Поведение металла при весьма больших скоростях деформирования, соответствующих, например, процессам штамповки взрывом, пока еще изучено недостаточно. Однако опыты показывают, что углеродистые и легированные конструкционные стали, а также пластичные сплавы цветных металлов при высоких скоростях деформирования допускают неограниченную степень деформации. У сплавов же с низкой пластичностью значительного повышения пластичности не наблюдается. С другой стороны, известно, что некоторые сплавы, трудно деформируемые в обычных условиях, успешно обрабатываются под действием взрыва. Вместе с тем для многих металлов и сплавов обнаружены критические скорости деформации, при которых они теряют пластичность и становятся хрупкими. Кроме того, при весьма значительных скоростях деформирования уже сказывается влияние сил инерции. Нагрев же обрабатываемого металла за счет тепловыделения бывает выражен настолько резко, что могут возникнуть явления местного пережога, если нагревать металл до обычно принятых температур.
 В последнее время начали применять обработку металлов давлением при одновременном воздействии ультразвуковыми колебаниями на очаг деформации. Эксперименты показывают, что при облучении металла ультразвуком в процессе деформации заметно снижается напряжение текучести и тем самым уменьшаются необходимое деформирующее усилие и работа деформации. Однако в отдельных случаях наблюдается и некоторое уменьшение пластичности, выражающееся в снижении допустимой степени деформации.