Характеристика технологических свойств металлов и сплавов

Деформация металлов и сплавов определяется их свойства­ми, которые рассматриваются как технологические, так как они определяют технологический режим их обработки дав­лением. К ним относятся пластичность, сопротивление де­формации, чувствительность к напряжениям и склонность к образованию дефектов.

Пластичность металла — способность его под действием приложенных внешних сил деформироваться без нарушения сплошности. При обработке металлов давлением (прокатке, ковке, прессовании и т. д.) на пластичность металла влияет степень деформации (обжатие), температура деформации, скорость деформации, химический состав металла и его строение, характер напряженного состояния при деформа­ции и др.

Показателем пластичности служит степень деформации, выраженная в виде относительного обжатия. Ю. М. Чижи­ков для оценки пластичности ввел понятие «предел плас­тичности», который характеризуется величиной относитель­ного обжатия, при котором начинается нарушение сплош­ности металла. Чем выше предел пластичности металла в широком интервале температур, тем большим запасом плас­тичности он обладает и тем легче его деформировать. По­этому чем выше пластичность металла, тем большую сте­пень суммарного обжатия е он выдерживает без разруше­ния.

В зависимости от величины предела пластичности ус­ловно различают металлы и сплавы: наивысшей пластично­сти (>0,8 ε); высокой пластичности (0,6÷0,8 ε); средней пластичности (0,4÷0,6 ε); пониженной пластичности (0,2÷0,4 ε); низкой пластичности (≤0,2 ε). Многие марки ста­лей по своим пластическим свойствам относят к категории высокой и даже наивысшсй пластичности. К категориям средней и высокой пластичности относят большинство леги­рованных сталей. Высоколегированные стали и сплавы об­ладают средней и в ряде случаев пониженной пластично­стью.

Существует мнение, что если металл «мягкий», то он может быть деформирован без разрушения, т. е. он плас­тичный. Это не всегда правильно. Мягкий металл, обладая малым сопротивлением деформации, при определенных условиях может быть не пластичным и, наоборот, «твер­дый» металл, т. е. металл, обладающий большим сопротив­лением деформации, может иметь высокие пластические свойства. Например, технически чистое железо, обладаю­щее очень малым сопротивлением деформации, при температуре 1000—1050 °С не пластично и при деформации раз­рушается, а быстрорежущая сталь, обладая сопротивлени­ем деформации в 2—3 раза больше, чем технически чистое железо, при этих же температурах деформируется без раз­рушения.

Сопротивление деформации — очень важное технологическое свойство. При одинаковых условиях деформации чем выше сопротивление деформации того или иного ме­тала или сплава, тем труднее его прокатывать. Стали, об­ладающие большим сопротивлением деформации, прихо­дится прокатывать е меньшими обжатиями или использо­вать для этого более мощное оборудование и т. п.

Сопротивление деформации в большей степени зависит от химического состава стали. Влияние химического соста­ва стали на сопротивление деформации складывается через изменение его механических свойств (пределов прочности и текучести), а также через изменение коэффициента тре­ния.

Пластичность металлов и сплавов определяется растя­жением (удлинением и сжатием), скручиванием, ударным изгибом, осадкой, прокаткой на клин. Показатели пластич­ности следующие: при ратяжении — относительное удлине­ние δ, % и относительное сжатие ψ, %; при ударном изги­бе — ударная вязкость а_н,Дж/м²; при скручивании — число кручений до излома; при осадке и прокатке на клик — относительное обжатие ∇h/h₀.

При растяжении образцы устанавливают в зажимах машины для испытания на разрыв и растягивают при все увеличивающейся нагрузке до полного разрыва. При этом испытании определяют временное сопротивление σ_в, Па, и предел текучести σ_т, Па, которые имеют большое значение при определении сопротивления металла деформации. Ис­пытания производят прн различных температурах (напри­мер, от 20° до 1300°С). Испытание на растяжение отвечает условиям, соответствующим линейному напряженному сос­тоянию.

На рис. 48 приведены кривые относительных удлинений δ и сжатия ψ сплава, испытанного при температурах от 20° до 1100°С. Кривые показывают, что при 700°С оба по­казателя пластичности имеют наименьшее значение. При дальнейшем повышении температуры удлинение и сжатие возрастают, достигая при 1000 °С таких же значений, как и при комнатной температуре, и значительно превышая их при более высоких температурах.

Показатели пластичности, полученные методом растя­жения, дают важные характеристики пластичности спла­вов. При сравнении между собой кривых удлинения и сжа­тия различных сплавов или одного и того же сплава, вы­плавленного различными способами можно установить, ка­кой сплав или плавка обладает большей или меньшей пла­стичностью и каковы вообще пластические свойства данной стали или сплава. Следует отметить, что показатели пла­стичности, полученные методом растяжения, не дают воз­можности в достаточной мере точно определить температу­ру горячей деформации (прокатки, ковки, прессования).

При испытании на ударный изгиб образцы квадратного сечения с надрезом посередине длины нагревают до темпе­ратуры испытания. Излом образцов производят на копре.

На рис. 49 приведена кривая ударной вязкости a_н одного сплава, по которой можно установить, что наилучшей тем­пературой деформации сплава является 1150—1200°С.

Испытание на скручивание производят на приборе, снаб­женном электрической трубчатой печью. Один конец об­разца закрепляют не­подвижно, другой вра­щается от соответству­ющего привода. Обра­зец при заданной тем­пературе подвергают скручиванию до изло­ма. Чем выше пластич­ность, тем больше число скручиваний на 360° до излома выдерживает металл. На рис. 50 приведены кривые, по­лученные испытанием на горячее скручивание стали марок 15, 40ХН, У10. По этим кривым можно установить температуру нагрева металла, при которой достигается наивысшая пластичность.

При испытаниях методом прокатки на клин используют образцы, изготовление до требуемых размеров отливкой, прокаткой или ковкой из слитков. Относительное обжатие, при котором начинается нарушение сплошности, представ­ляет собой предел пластичности металла в данных услови­ях. Исследуя пластичность металла по методу прокатки на клин в широком интервале температур, можно получить полную характеристику пластичности металла с любыми природными свойствами при прокатке его со свободным уширением, т.е. при самых неблагоприятных условиях де­формации.

По результатам исследования пластичности методом прокатки на клин можно установить температурный режим начала и конца прокатки и допустимые обжатия.