САНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
————————————————————————————-
Рудской А.И., Лунев В.А.
ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
Издательство СПбГТУ
2007
УДК 621.771.001
Рудской А.И., Лунев В.А.
Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие. СПб: Изд-во СПбГТУ, 2007. 138 с.
В пособии изложены основные положения современной теории обработки металлов давлением и теории продольной прокатки.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Обработка металлов давлением» в СПбГТУ, и может быть полезным для студентов смежных специальностей и этой же специальности других вузов.
Материал подготовлен на основе лекций, читаемых студентам указанной специальности в рамках ГОС.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2003
Рудской А.И., Лунев В.А.
Общее СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………………………………………………………. 5
1.Общие вопросы деформации металла …………………………………………………….. 6
1.1. Типы кристаллической решетки …………… ……………………. 6
1.2. Пластическая деформация монокристалла ……………………………… 8
1.3. Основные положения теории дислокаций …… ………………………… 10
1.4. Особенности деформации поликристалла ……… ……………………… 12
1.5. Изменение свойств металла при пластической деформации ………….. 14
1.6. Процессы, протекающие при нагреве …………………………… ……… 16
1.7. Пластичность и разрушение металла при ОМД ………………… …… 18
1.8. Основные закономерности пластической деформации. Закон изменения
объема …………………………………………………………………… …… 20
1.9. Трение при ОМД ………………………………………………… ……… 23
1.10. Влияние технологических факторов на коэффициент трения ……… 27
2. Сжатие (осадка) образца……………………………………………………….. 28
2.1. Общие положения ………………………………………………………… 28
2.2. Экспериментальное исследование процесса осадки …………………… 31
2.3. Теоретический анализ напряжений при осадке ………………………… 36
2.4. Сила осадки …………………………………………… …………….. 38
3. Очаг деформации при продольной прокатке ………… …………… …….. 39
3.1. Показатели деформации при прокатке …… ……………………… …… 39
3.2. Условия захвата и установившегося процесса …………………… ……… 44
3.3. Общая характеристика очага деформации ………………………………… 47
3.4. Нейтральный угол …………………………………………………… …….. 48
3.5. Опережение при прокатке …………………………………………………. 50
3.6. Коэффициент трения при прокатке ………………………………………. 53
4. Характер деформации при продольной прокатке 55
3.7. Средние очаги деформации …………… …………………………….. 55
3.8. Высокие очаги деформации ………………… ……………………………. 60
3.9. Низкие очаги деформации ………………………………………………… 66
3.10. Упругое сплющивание валков …………………………………………… 72
3.11. Сверхнизкие очаги деформации ………………………………………… 74
3.12. Уширение при прокатке …………………………………………………. 77
3.13. Распределение контактных напряжений по ширине полосы ………… 83
3.14. Методика расчета силы прокатки ………………………………………. 86
3.15. Силы, действующие при прокатке, и крутящие моменты на валках … 88
3.16. Сопротивление металла деформации ………………………………….. 96
4. Прокатка в калибрах ……………………… …………………………………. 105
4.1. Основные понятия и характеристики деформации металла в калибрах . 105
4.2. Расположение калибров на валках ……………………………………….. 108
4.3. Деформация металла в простых калибрах ……………………………….. 110
4.4. Системы калибров …………………………………………………………. 117
4.4.1. Система ящичных калибров ………………………………………… 117
4.4.2. Система ромб – квадрат …………………………………………… 119
4.4.3. Система овал – квадрат ………………………………………………… 120
4.4.4. Система овал – ребровой овал ……………………………………….. 122
4.5. Вытяжная способность калибров ………………………………………… 124
5. Продольная периодическая прокатка ……………………………………… 128
5.1. Общие положения ………………………………………………………… 128
5.2. Очаг деформации ………………………………………………………….. 130
5.3. Параметры очага деформации ……………………………………………. 132
5.3.1. Длина дуги захвата ……………………………………………………. 132
5.3.2. Угол захвата …………………………………………………………… 133
5.3.3. Угол критического сечения g, опережение и отставание …………… 134
5.3.4. Уширение ………………………………………………… …………… 135
5.3.5. Сила прокатки …………………………………………………………. 137
5.4. Контуры опережения и отставания ………………………………………. 139
Литература …………………………………………………………………………142
Введение
«Теория обработки металлов давлением» (Теория ОМД) является одним из базовых курсов, определяющих мировоззрение будущего инженера, который готовится посвятить себя работе в отраслях промышленности, где широко используются технологии обработки металлов давлением. Несмотря на большое разнообразие технологических схем, основанных на обработке давлением, можно выделить общие закономерности большинства процессов, определить общие подходы к анализу деформации металла на примере нескольких наиболее распространенных в металлургии видов обработки давлением, например, осадки, продольной прокатки. В теории продольной прокатки накоплен значительный экспериментальный материал, который получил правильное объяснение и обобщение. Теория прокатки широко применяется при разработке технологии металлургических процессов, поэтому ГОС специальности «Обработка металлов давлением» для инженеров включает теорию прокатки как обязательную составляющую общей теории обработки давлением.
Несмотря на наличие хороших учебников по теории обработки металлов давлением, ни один из них не может быть рекомендован в качестве единственного и достаточного. Многие из них изданы сравнительно давно, новые общероссийские учебники не появляются, в большинстве вузов предпочитают издавать собственные учебники и методические пособия, соответствующие специфике вуза. Это и дешевле, и мобильнее. Данное пособие также в основном отражает учебный план конкретного вуза – Санкт-Петербургского политехнического университета и рекомендуется прежде всего студентам этого вуза. Тем не менее, потребность в общероссийском учебнике по теории обработки давлением не снимается. Большинство имеющихся учебников написаны выдающимися учеными в отдельных областях обработки давлением, внесшими большой вклад в разработку конкретного раздела этой сравнительно молодой науки. Естественно, их учебники больше похожи на монографии, в которых достаточно глубоко, со скрупулезными доказательствами, всесторонним анализом и ссылками на многочисленные литературные источниками рассматриваются близкие им вопросы теории. Учебники перегружены математическими выкладками и полемическими выступлениями. Кстати, отчасти по этой причине авторы сочли необходимым отказаться от большого списка использованной литературы, ограничившись основными учебниками, рекомендуемыми для обязательного изучения. Необходим учебник, в котором освещаются только устоявшиеся представления хотя бы по отдельным видам обработки давлением. Именно такую цель ставили авторы настоящего учебника. Сознательно были исключены математические аспекты анализа и расчетов процессов обработки давлением, основанные на использовании теории упругости и пластичности, поскольку эти вопросы в учебном плане Политехнического университета и многих других вузов выделены в отдельный самостоятельный курс. Основное внимание сосредоточено на объяснении сути происходящих при обработке давлением процессов, прежде всего при прокатке, на анализе экспериментального материала.
Курс теории обработки металлов давлением предшествует курсу «Технология обработка металлов давлением». По мнению авторов, методически оба курса должны быть построены в одном ключе как некоторый единый курс, формирующий «закваску» специалиста-технолога по обработке металлов давлением. Для кафедр нескольких ведущих вузов России, готовящих технологов по обработке металлов давлением для металлургической и машиностроительной промышленности, необходим единый учебник по теории и технологии ОМД. Авторы настоящего пособия поставили перед собой задачу написания некоторых его частей.
Очевидно, невозможно создать такой учебник по всем разделам теории и технологии обработки металлов давлением. Во-первых, технология непрерывно совершенствуется, сильно зависит от конъюнктуры рынка, уровня, организации и состояния конкретного производства и оборудования и т. д. Учебник может быстро устареть. Во-вторых, самих технологических процессов, основанных на принципах обработки давлением, великое множество, каждый из них имеет свою специфику и по существу свою теорию. В учебном курсе, в том числе в данном учебнике, рассмотрены основные положения теории, базирующиеся на схемах деформирования при растяжении, осадке и прокатке, которые служат основой большинства технологических процессов. В теоретическом плане представлены также прокатка в калибрах и продольная периодическая прокатка.
Глава 1. Общие вопросы деформации металла
1.1. Типы кристаллической решетки
В теории ОМД рассматриваются процессы деформации металла на основе изучения, с одной стороны, физико-химических закономерностей, протекающих в металле при деформировании и, с другой, – чисто механических явлений, основанных на достижениях теории упругости и пластичности.
Сначала кратко остановимся на физико-химических основах деформации, памятуя о том, что глубокому изучения этого направления посвящен отдельный курс.
Металлы и сплавы представляют собой твердые тела. В отличие от аморфных (жидкостей) твердые тела имеют кристаллическое строение. Если в аморфных телах атомы и молекулы располагаются в хаотическом порядке, то в кристаллических телах, в том числе в металлах, атомы упорядочены. Первичной ячейкой строения металлического тела является кристалл, который представляет собой однородное физическое тело, состоящее из правильно уложенных и одинаково ориентированных элементарных кристалликов, имеющих форму выпуклого многогранника с определенным образом уложенными в нем атомами. Кристалл неправильной формы называется монокристаллом, но в нем, как и в кристалле, все атомы имеют одну ориентацию и упорядочены одинаково. Сросшиеся между собой несколько разноориентированных монокристаллов называются поликристаллом. Несколько сросшихся поликристаллов образуют зерно металла (или кристаллит).
Порядок расположения атомов в первичном элементарном кристалле кристаллического тела характеризует тип кристаллической решетки. Из всего разнообразия типов решетки для обработки давлением наибольший интерес представляют три – гранецентрированная, объемноцентрированная и гексагональная решетки, так как основная масса деформируемых металлов и сплавов имеют такое кристаллическое строение. Так g-железо при высокой температуре, медь, никель, золото, алюминий, серебро имеют гранецентрированную решетку, a-железо (низкотемпературное), ванадий, вольфрам, молибден, хром, тантал имеют объемноцентрированную решетку, и гексагональная решетку образуют магний, цинк, кобальт, a-титан, бериллий, кадмий. На рис. 1 приведены рассмотренные типы кристаллических решеток.
Строение кристаллической решетки определяет одно из фундаментальных свойств металла – его пластичность. Пластичность – это свойство металла изменять свою форму без разрушения. Пластичность металла может быть оценена количественно той степенью деформации, при которой появляются в металле первые трещины. Такая предельно допустимая степень пластической деформации может быть названа запасом пластичности. 
Рис. 1. Типы кристаллических решеток основных
металлов.
а) объемноцентрированная,
б) гранецентрированная, в) гексагональная.
Серьезному изучению пластичности разных металлов по учебному плану посвящен отдельный большой курс, который является одним из основных в специализированной подготовке инженера-технолога по обработке металлов давлением.
Пластичность металла существенно зависит от типа кристаллической решетки. Наиболее пластичны металлы с гранецентрированной решеткой, объемноцентрированные металлы менее пластичны, еще меньшую пластичность имеют металлы с гексагональной решеткой. Это определяется количеством кристаллографических плоскостей и их направлений, по которым происходит скольжение металла при пластической деформации металла. Для определения плоскостей в кристаллической решетке принята система индексации. Для кубической решетки плоскость обозначается тремя цифрами, заключенными в круглые скобки. Цифры представляют собой обратные величины координат отрезков, отсекаемых плоскостью по трем осям кубической решетки, причем за единицу измерения принят параметр решетки.
Рис. 2. Плоскости кубической элементарной ячейки и их обозначения.
На рис. 2 показаны плоскость (100) – грань куба, плоскость(110), проходящая через два противоположных ребра, плоскость(111), отсекающая по каждой оси отрезок, равный 1, и плоскость, проходящая через диагональ основания и середину второго ребра, имеющая обозначение (121) . В гексагональной решетке (рис 3) плоскость обозначается обратными значениями координат, отсекаемых ею на четырех осях, три из которых а1, а2 и а3 расположены в плоскости основания (базиса), а четвертая а4 – по высоте призмы.
Рис. 4. Обозначение направлений в кубической решетке.
В кристаллической решетке обозначаются не только плоскости, но и направления. Направление задается прямой, исходящей из начала координат, и проходящей через атом, лежащий на этой прямой. Направление обозначается обратными значениями координат этого атома, заключенными в квадратные скобки. Причем, при отрицательных значениях координат над цифрой ставится знак минус. Примеры направлений в кубической решетке показаны на рис. 4.
На рис 1 видно, что в каждой решетке в разных плоскостях и по разным направлениям количество атомов и расстояния между ними различны, поэтому свойства кристаллического тела по разным направлениям не одинаковы. Различие свойств металла по различным направлениям называется анизотропией. Анизотропия является одним из основных свойств отдельного кристалла, которое может быть использовано в изделии, или, наоборот, с которым приходится бороться, если в металлическом изделии ценится однородность свойств по всем направлениям.
Монокристаллы в металлургии используются редко и выращиваются специальными методами в лабораториях. Металл, получаемый в промышленности путем затвердевания (кристаллизации) расплава, состоит из конгломерата зерен или кристаллитов и межзеренного вещества. Направления плоскостей атомных решеток в разных зернах различны и сильно зависят от условий кристаллизации. При последующей пластической деформации направления кристаллографических плоскостей в зернах изменяются весьма существенно.
Используемые в металлургии объемы металла всегда имеют поликристаллическое строение и могут не проявлять анизотропии, хотя внутри каждого монокристалла свойства его анизотропны. Пластическая деформация металла определяется свойствами отдельного зерна, то есть расположением кристаллографических плоскостей и расположением атомов на них, а также расположением зерен в поликристалле, величиной зерен, наличием других фаз внутри зерна, и, конечно, строением и свойствами межзеренного вещества. Как видно, на характер пластической деформации реального металла оказывают влияние много факторов.