Геометрическая неравномерность деформации в процессах обработки давлением дополняется естественной или искусственной неоднородностью поля сопротивления деформированию. В связи с этим задачу о желаемом распределении деформации — заданной неравномерности деформации — можно решить, создавая различное сопротивление деформированию путем обеспечения неодинакового распределения температур в объеме заготовки. Принципиальный характер заданного теплового поля определяется необходимостью проработки тех или иных зон (участков объема) заготовки, зависит от особенностей физического состояния ее (например, специфики слитка и литой структуры) и должен быть согласован с характером измененного при этом напряженно-деформированного состояния. Поэтому конкретная задача состоит в правильном выборе характера поля сопротивления деформации.
При ковке слитков с ярко выраженной осевой и внеосевой ликвацией технологический процесс должен обеспечить хорошую проработку металла в этих зонах в самой начальной стадии деформирования. Поскольку все несовершенства слитка не удается устранить одновременно, то порядок их устранения устанавливается степенью важности отдельных зональных несовершенств, поведением при этом остальных дефектов и рациональностью построения процесса деформирования в целом. Существенная особенность деформирования слитков заключается в том, что основной задачей является проработка литой структуры — уплотнение осевой зоны, закрытие и заварка усадочных пустот и несплошностей, возникших при кристаллизации металла, раздробление, благоприятное формообразование и ориентирование неметаллических включений и крупных дендритов. В соответствии с особенностями строения восьмигранного слитка можно представить четыре типа тепловых полей в его поперечном сечении (рис. 3.1). Схематическое расположение дефектных зон слитка выбираем из расчета: Ш радиуса сечения слитка на осевую зону, V3 радиуса сечения на промежуточную зону и 1/3 радиуса слитка на поверхностную зону, что соответствует расположению осевой и внеосевой ликвации в средней части по высоте слитка. Для точного расчета теплового поля заготовки надо учесть постепенный переход одной зоны в другую, а также воспользоваться зависимостями сопротивления деформации металла от температуры. Выбор количественных параметров температурного поля диктуется наибольшим перепадом прочностных характеристик в зависимости от температуры. Причем в заданных зонах сосредоточения деформаций температура должна быть достаточной для успешной заварки несплошностей и дефектов усадочного происхождения, а в других зонах металл должен обладать удовлетворительной пластичностью и возможно высоким для данных условий сопротивлением деформированию. Даже в идеальном случае — при нагреве одного слитка в печи— скорость передачи теплоты ограничена (не только тепловой мощностью печи, но и теплопроводностью металла и рабочими термическими напряжениями в нагреваемом слитке). Интенсивность теплоотвода с этой точки зрения можно регулировать в более широких пределах. Рассмотрим возможности создания неоднородного поля сопротивления деформации при различном перепаде температур по сечению заготовок. Графики зависимости разности прочностных свойств от температуры (рис. 3.2), построенные на основании тепловых испытаний на растяжение образцов из сталей 45, 12X18Н9Т и сплава нимоник 90, показывают, что один и тот же температурный градиент приводит к неодинаковой разнице прочностных свойств. Для стали 45 максимальная разница временного сопротивления соответствует средней температуре 600 °С, для стали 12Х18Н9Т — 750—800 °С, а для сплава нимоник 90 800—850 °С. При этом абсолютное изменение температуры от средней по сечению составляет ±50—±250 °С, а перепад температур 100—500 °С. Долгое время считали, что оптимальным вариантом является ковка равномерно прогретых по сечению слитков и заготовок. Затем с развитием производства мало пластичных жаропрочных аустенитных сплавов появились рекомендации о полезности предварительного перед ковкой охлаждения поверхности нагретых заготовок. При этом исходный равномерный нагрев металла осуществляется до температуры несколько выше интервала ковочных температур (некоторый перегрев металла —для последующего охлаждения до температуры деформации). Охлаждать поверхность заготовок следует до температур, при которых не происходит межкристаллитное разрушение сплава, а нагрев до предельной температуры обеспечивает полный перевод межкристаллитного вещества в твердый раствор. Таким образом, уже в первых проходах обжатий на слитке (заготовке) создается пластичная «рубашка» — оболочка металла, в которой удается успешно продеформировать всю заготовку. Этот метод неоднородного теплового поля заготовки удачно учитывает структурные особенности сложнолегированных сплавов. График на рис. 3.2 объясняет кажущееся противоречие: для никелевых сплавов существует такой градиент температур, при котором наряду с низкой температурой на поверхности слитка имеет место высокая температура осевой зоны, значительно превышающая оптимальную температуру деформации при равномерном нагреве. Разрушение глубинного объема слитка предотвращается действием наружной оболочки, и вместе с тем при высокой температуре обеспечивается хорошая завариваемость усадочных пороков. Неоднородные тепловые поля заготовок предложено использовать для заданного перераспределения деформаций в поковках. На этом принципе разработан способ подстуживания на воздухе для улучшения проработки осевой зоны крупных слитков.
Как было показано на рис. 3.2, различные виды зональной неоднородности теплового поля слитка создают заданную неравномерность сопротивления деформации. Последнее можно использовать для требуемой очередности проработки зон слитка при ковке. Равномерный нагрев по сечению предопределяет одинаковые прочностные характеристики металла и однородное поле деформаций. Неодинаковое сопротивление пластической деформации металла по сечению может появиться при зонообразовании и разделении поверхности заготовки на контактную с инструментом и свободную от внешних сил в условиях действия контактного трения и согласования формы инструмента и заготовки.
Охлаждение поверхности нагретой заготовки приводит к образованию наружного слоя металла с более высокими прочностными характеристиками, чем в осевой зоне заготовки. Появляется как бы более прочная оболочка, в которую заключен остальной металл слитка. По мере остывания равномерно нагретого слитка толщина этой наружной оболочки увеличивается, а температура осевой зоны падает. Термическая усадка поверхностных слоев металла создает дополнительные сжимающие напряжения во внутренних слоях металла. С точки зрения использования бокового подпора охлажденного слоя металла надо обеспечить достаточное развитие этого слоя по мере охлаждения слитка, нужный градиент температур в поперечном сечении (который зависит от интенсивности охлаждения поверхности) и сохранение достаточно высокой температуры в осевой зоне. Такие благоприятные условия напряженного состояния в осевой зоне слитка можно реализовать для успешной проработки металла в этой зоне, сосредоточив в ней и наибольшие деформации.
Характер распределения деформаций и возникающего дополнительного поля напряжений будет зависеть в общем случае не только от перечисленных выше (см. равномерный нагрев) факторов, но и от их вариаций, могущих привести к различным вариантам деформации неоднородной заготовки. Появляется фактор совместности деформирования охлажденных слоев металла (оболочки) и нагретой сердцевины.
