Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением, группа технологических процессов, в результате которых изменяется форма металлической заготовки без нарушения её сплошности за счёт относительного смещения отдельных её частей, т. е. путём пластической деформации.

Деформация (от лат. deformatio — искажение), изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Д. представляет собой результат изменения междуатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно Д. сопровождается изменением величин междуатомных сил, мерой которого является упругое напряжение. 

 Наиболее  простые виды Д. тела в целом: растяжение — сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. В большинстве случаев наблюдаемая Д. представляет собой несколько Д. одновременно. В конечном счёте, однако, любую Д. можно свести к 2 наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу. Д. тела вполне определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки. Д. твёрдых тел в связи со структурными особенностями последних изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах — теорией упругости и пластичности. У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование Д. заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.  

 Д. твёрдого  тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикционный эффект), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил. Д. называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае полностью). Все реальные твёрдые тела при Д. в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, т. е. не обнаруживающим заметных пластических Д., пока нагрузка не превысит некоторого предела. 

 Природа пластической  Д. может быть различной в  зависимости от температуры, продолжительности  действия нагрузки или скорости  Д. При неизменной приложенной  к телу нагрузке Д. изменяется  со временем; это явление называется  ползучестью.

Ползучесть материалов, медленная непрерывная пластическая деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. П. в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические, так и аморфные. Явление П. было замечено несколько сот лет назад, однако систематические исследования П. металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу 20 в. и особенно к 40-м гг., когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с П. дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Потребовались конструкционные материалы (жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. Долгое время считали, что П. может происходить только при повышенных температурах, однако П. имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная П. наблюдается при температуре —269 °С, а у железа — при —169 °С. 

 П. наблюдают  при растяжении, сжатии, кручении  и др. видах нагружения. В реальных  условиях службы жаропрочного  материала П. происходит в весьма  сложных условиях нагружения. П.  описывается т. н. кривой ползучести (рис. 1), которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, или стадии: АВ — участок неустановившейся (или затухающей) П. (I стадия), BC — участок установившейся П. — деформации, идущей с постоянной скоростью (II стадия), CD — участок ускоренной П. (Ill стадия), E₀ — деформация в момент приложения нагрузки, точка D — момент разрушения. Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 0 4—0,8 температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание П. на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). Т. к. П. происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — т. н. возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия П. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.  

 Описанные  кривые П. имеют одинаковый вид для широкого круга материалов — металлов и сплавов, ионных кристаллов, полупроводников, полимеров, льда и др. твёрдых тел. Структурный же механизм П., т. е. элементарные процессы, приводящие к П., зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит П. Физический механизм П. такой же, как и пластичности. Всё многообразие элементарных процессов пластической деформации, приводящих к П., можно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций, и процессы вязкого течения. Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при температурах, близких к температурам плавления. При постоянных деформациях вследствие П. напряжения с течением времени падают, т. е. происходит релаксация напряжений (рис. 2). 

 Высокое сопротивление  П. является одним из факторов, определяющих жаропрочность. Для сравнительной оценки технических материалов сопротивление П. характеризуют пределом ползучести — напряжением, при котором за заданное время достигается данная деформация. В авиационном моторостроении принимают время, равное 100—200 ч, при конструировании стационарных паровых турбин — 100 000 ч. Иногда сопротивление П. характеризуют величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. Скорость  полной деформации e складывается из скорости  упругой деформации и скорости  деформации П. 

  В. М. Розенберг.   

  Теория П. близко примыкает к пластичности теории, однако в связи с разнообразием механических свойств твёрдых тел единой теории П. нет. Для металлов большей частью пользуются теорией течения:  = f (s, t) (s —- напряжение, t — время), которая удовлетворительно описывает П. при напряжениях, изменяющихся медленно и монотонно, но имеет существенно нелинейный характер зависимости  от s.  

 Более полное  описание П. даёт теория упрочения:   = f (s, ), которая удобна для приближённого анализа кратковременной П. при высоком уровне напряжений. Теория упрочения правильно улавливает некоторые особенности П. при изменяющихся напряжениях, однако её применение связано с большими математическими трудностями.  

 В механике  полимеров обычно пользуются  теорией наследственности:

где K (t - t) т. н. ядро последействия, которое характеризует, в какой мере в момент времени t ощущается влияние (последействие) на деформацию единичного напряжения, действовавшего в течение единичного промежутка времени в более ранний момент t. Т. к. напряжение действует и в др. моменты времени, то суммарное последействие учитывается интегральным членом. Теория наследственности определяет полную деформацию и даёт качественное описание некоторых более сложных явлений (например, эффекта обратной П.). 

  Л. М . Качанов.

Рис. 1. Пример кривой ползучести

Рис. 2. а — кривые ползучести e_p металлов при различных нагрузках; б — кривые релаксации напряжения s при постоянной деформации. 

С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и последействие упругое. Релаксация — процесс самопроизвольного уменьшения внутреннего напряжения с течением времени при неизменной Д. Процесс самопроизвольного роста Д. с течением времени при постоянном напряжении называется последействием. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической Д., является теория дислокаций в кристаллах. 

 В теории  упругости и пластичности тела  рассматриваются как «сплошные». Сплошность, т. е. способность  заполнять весь объём, занимаемый  материалом тела без всяких  пустот является одним из основных свойств, приписываемых реальным телам. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело. Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.  

 Простейшей  элементарной Д. является относительное  удлинение некоторого элемента: e = (l₁ — l)/l, где l₁ — длина элемента после Д., l — первоначальная длина этого элемента. На практике чаще встречаются малые Д., так что e << 1. 

 Измерение  Д. производится либо в процессе  испытания материалов с целью  определения их механических  свойств, либо при исследовании  сооружения в натуре или на  моделях для суждения о величинах  напряжений. Упругие Д. весьма малы, и измерение их требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации — с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеновский структурный анализ. Для суждения о местных пластических Д. применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком и т.д.

Основные виды О. м. д.: прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка. О. м. д. также применяется для улучшения качества поверхности.

Прокатное производство, получение путём прокатки из стали и других металлов различных изделий и полуфабрикатов, а также дополнительная обработка их с целью повышения качества (термическая обработка, травление, нанесение покрытий). В промышленных странах прокатке подвергается больше ⁴/₅ выплавляемой стали. П. п. обычно организуется на металлургических заводах (реже на машиностроительных); как правило, особенно в чёрной металлургии, является завершающим звеном цикла производства; о П. п. как отрасли металлургической промышленности см. в статьях Чёрная металлургия, Цветная металлургия).

Чёрная  металлургия, отрасль тяжёлой индустрии, включающая комплекс взаимосвязанных подотраслей: собственно металлургическое (доменное, сталеплавильное, прокатное), трубное и метизное производства, добычу, обогащение и окускование рудного сырья, коксохимическое производство, производство ферросплавов и огнеупоров, добычу нерудного сырья для Ч. м. и вторичную обработку чёрных металлов. Важнейшие виды продукции Ч. м.: горячекатаный и холоднокатаный прокат, стальные трубы и металлоизделия. 

 Ч. м. —  основа развития большинства  отраслей народного хозяйства.  Несмотря на бурный рост продукции  химической промышленности, цветной  металлургии, промышленности стройматериалов,  чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве. Так, удельный вес чёрных металлов в общем объёме конструкционных материалов, потребляемых ведущими отраслями машиностроения СССР, превышал в 1976 96%. Отрасль потребляет примерно 20% топливно-энергетических ресурсов страны.  

 На протяжении  тысячелетий развитие человеческого  общества неразрывно связано  с использованием железа как основного материала для изготовления орудий труда. В. И. Ленин называл железо одним из фундаментов цивилизации, одним из главных продуктов современной промышленности (см. Полн. собр. соч., 5 изд., т. 23, с. 377). 

 Производство  железа на территории России  известно с древнейших времён. Железные руды плавили вначале в сыродутных горнах, затем (примерно с 9 в.) в специальных наземных печах-домницах с дутьём ручными мехами. Заводское производство чугуна и железа началось в 1632—37, когда близ Тулы был построен первый завод с доменной печью, выплавлявшей до 120 пудов чугуна в сутки. В 1700 было выплавлено около 150 тыс. пудов чугуна. Увеличив за первую четверть 18 в. его выплавку в 5 раз, Россия заняла по производству чёрных металлов 1-е место в мире и до начала 19 в. удерживала его. Однако в последующие годы темп роста Ч. м. снизился, и к 1913 страна занимала лишь 5-е место в мире, а её доля в мировой выплавке чугуна и стали составляла 5,3%. 

 В результате  Гражданской войны и военной  интервенции 1918—20 выплавка стали  в стране составляла (1920) лишь 4,5% от уровня 1913. Но уже к 1928 она  достигла довоенного уровня. В  годы довоенных пятилеток реконструированы старые и построены новые металлургические предприятия, создана угольно-металлургическая база — Урало-Кузбасс. Вступили в строй гиганты советской металлургии — Магнитогорский и Кузнецкий металлургический комбинаты, Криворожский, Новотагильский металлургические заводы, заводы «Запорожсталь», «Азовсталь», новые мартеновские цехи на заводах им. Дзержинского, Макеевском, «Красный Октябрь», Златоустовском и др.