Анализ макроструктурных исследований металла слитков различной массы и различного химического состава, а также металла заготовок, полученных на машинах непрерывного литья, позволил сформулировать признаки макро строения, важные с точки зрения физико-механического воздействия пластической деформации на металл:
1) литая дендритная структура в виде столбчатых кристаллов, образующая зоны транскристаллизации;
2) ликвационные зоны (осевая и внеосевая) грубой формы и значительных размеров, обогащенные неметаллическими включениями;
3) макропористость металла, образующая зону осевой рыхлости; 4) неметаллические включения, распределенные различным образом в объеме слитка.
Для раздробления столбчатых кристаллов требуется развить деформации сдвига в направлении, перпендикулярном к главным осям дендритов. Наличие ликвационных зон требует заданной организации макро потоков металла в объеме проковываемого слитка, а наличие макро пористости металла — сосредоточения больших местных деформаций в осевой зоне слитка для закрытия (смыкания) этих дефектов и значительных напряжений сжатия для успешной их заварки; дополнительные условия связаны с ориентацией главных деформаций и напряжений относительно дефектов макро несплошности. Наличие неметаллических включений (деформируемых) в слитке обусловливает требования их раздробления (и таким образом измельчения) и заданной ориентации в изделии.
При разработке и построении процесса ОМД следует учесть зонное сосредоточение местных деформаций, напряжений, преимущественных сдвиговых деформаций и выбрать схему макро течения металла. Некоторые существенные из опущенных особенностей реальных слитков (например, наличие трещин) затем учитывают в деталях при разработке технологии ОМД.
С точки зрения деформации проблема проработки металла осевой зоны особенно сложна для крупного слитка.
Количественное определение крупности слитка важно для построения геометрической модели объекта деформирования. Крупность слитка определяют не только по его массе (например, свыше 50 т), но также в зависимости от его химического состава и зонного строения (например, когда в его макроструктуре различают более трех зон).
При деформировании слитков большой массы регулирование распределения местных, единичных и итоговых деформаций посредством изменения граничных условий — формы инструмента, контактных сил трения — не влияет сколько-нибудь значительно на характер течения металла: например, явление бочкообразования, связанное у обычных заготовок с действием контактных сил трения, практически не наблюдается. Таким образом, при деформировании крупного слитка приходится разрабатывать специальные методы проработки осевой зоны. С этой точки зрения крупным считают такой слиток, при обжатии которого граничные условия не оказывают существенного влияния на характер течения металла, что связано с небольшой величиной контактной поверхности относительно объема слитка и малым влиянием контактных граничных условий на течение металла во всем объеме.
Выражение удельных контактных поверхностей представим не только как функцию геометрических размеров слитков, но и как функции их объемов FJFL = где V и D — объем и диаметр слитка).
Скорость убывания этих функций изменяется с увеличением объема слитка. Для обычных слитков увеличение объема сопровождается уменьшением удельных контактных поверхностей. Замедление этого уменьшения считают переходом к крупным слиткам. Количественно этот момент определяют незначительной разницей изменения функции по сравнению с изменением аргумента в 10 раз (на порядок) (рис. 2.2). Применительно к реальным слиткам единицы величин по осям координат конкретизируют (м"1; м8). Тогда крупными можно считать слитки массой от 78—126 т (из углеродистой стали), а мелкими — слитки массой до 3—4 т. Если выразить функцию удельной контактной поверхности
следующим образом: Фк (К, D) Щ FJV — nD2/2V Щ 2/Я = if KF, V, то можно непосредственно проследить зависимость ее от геометрических размеров заготовок, например диаметра D или высоты Н.
Адекватность количественного определения крупной заготовки проверена экспериментально путем измерения степени бочкообразности слитков массой 8,5—145 т в процессе осадки. В диапазоне масс 75—145 т бочкообразование не наблюдалось при обжатии до 25—40 % у слитков с соотношением размеров D/H = 0,5 -*-2,0.
