САНКТ- Петербурзький
ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
-----------------------------
Рудська А.І., Луньов В.А.
ТЕОРІЯ ОБРОБКИ
МЕТАЛІВ ТИСКОМ
Навчальний посібник
Санкт-Петербург
видавництво СПбГТУ
2007
УДК 621.771.001
Рудська А.І., Луньов В.А.
Теорія обробки металів тиском. Навчальний посібник. СПб: Изд-во СПбГТУ, 2007. 138 с.
У посібнику викладено основні положення сучасної теорії обробки металів тиском і теорії поздовжньої прокатки.
Посібник призначений для студентів, які навчаються за спеціальністю «Обробка металів тиском» в СПбГТУ, і може бути корисним для студентів суміжних спеціальностей і цієї ж спеціальності інших вузів.
Матеріал підготовлений на основі лекцій, що читаються студентам зазначеної спеціальності в рамках ДОС.
Санкт-Петербурзький державний політехнічний університет, 2003
Рудська А.І., Луньов В.А.
Загальна ЗМІСТ
Введение ........................................................................................ 5
1. Загальні питання деформації металу ............................................................ .. 6
1.1. Типи кристалічної решітки ............... ......................... 6
1.2. Пластична деформація монокристалів .................................... 8
1.3. Основні положення теорії дислокацій ...... .............................. 10
1.4. Особливості деформації полікристала ......... ........................... 12
1.5. Зміна властивостей металу при пластичній деформації ............ .. 14
1.6. Процеси, що протікають при нагріванні ................................. ......... 16
1.7. Пластичність і руйнування металу при ОМД ..................... ...... 18
1.8. Основні закономірності пластичної деформації. закон зміни
обсягу .............................................................................. ...... 20
1.9.Треніе при ОМД ......................................................... ......... 23
1.10. Вплив технологічних факторів на коефіцієнт тертя ......... 27
2. Стиснення (осаду) зразка ............................................................... .. 28
2.1. Загальні положення .................................................................. 28
2.2. Експериментальне дослідження процесу опади ........................ 31
2.3. Теоретичний аналіз напружень при осіданні .............................. 36
2.4. Сила опади ................................................... ............... .. 38
3. Осередок деформації при поздовжньої прокатці ............ ............... ...... .. 39
3.1. Показники деформації при прокатці ...... ........................... ...... 39
3.2. Умови захоплення і усталеного процесу ........................ ......... 44
3.3. Загальна характеристика осередку деформації ....................................... 47
3.4. Нейтральний кут ............................................................ ...... .. 48
3.5. Випередження при прокатці .......................................................... 50
3.6. Коефіцієнт тертя при прокатці .............................................. 53
4. Характер деформації при поздовжньої прокатці 55
3.7. Середні вогнища деформації ............... ................................. .. 55
3.8. Високі вогнища деформації ..................... .................................. 60
3.9. Низькі вогнища деформації ......................................................... 66
3.10. Пружне сплющивание валків ................................................... 72
3.11. Наднизькі вогнища деформації ................................................ 74
3.12. Розширення при прокатці .......................................................... 77
3.13. Розподіл контактних напружень по ширині смуги ............ 83
3.14. Методика розрахунку сили прокатки .............................................. 86
3.15. Сили, що діють при прокатці, і крутний момент на валках ... 88
3.16. Опір металу деформації ....................................... .. 96
4. Прокатка в калібрах ........................... ........................................ 105
4.1. Основні поняття і характеристики деформації металу в калібрах. 105
4.2. Розташування калібрів на валках ............................................. .. 108
4.3. Деформація металу в простих калібрах .................................... .. 110
4.4. Системи калібрів ................................................................... 117
4.4.1. Система ящикових калібрів ................................................ 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. Витяжна здатність калібрів ................................................ 124
5. Поздовжня періодична прокатка ............................................. 128
5.1. Загальні положення .................................................................. 128
5.2. Осередок деформації .................................................................. .. 130
5.3. Параметри осередку деформації .................................................... 132
5.3.1. Довжина дуги захоплення ............................................................. 132
5.3.2. Кут захоплення ..................................................................... 133
5.3.3. Кут критичного перетину g, випередження і відставання ............... 134
5.3.4. Розширення ......................................................... ............... 135
5.3.5. Сила прокатки ................................................................... 137
5.4. Контури випередження і відставання .............................................. 139
Література .................................................................................... 142
Вступ
«Теорія обробки металів тиском» (Теорія ОМД) є одним з базових курсів, що визначають світогляд майбутнього інженера, який готується присвятити себе роботі в галузях промисловості, де широко використовуються технології обробки металів тиском. Незважаючи на велику різноманітність технологічних схем, заснованих на обробці тиском, можна виділити загальні закономірності більшості процесів, визначити загальні підходи до аналізу деформації металу на прикладі декількох найбільш поширених в металургії видів обробки тиском, наприклад, опади, поздовжньої прокатки. В теорії поздовжньої прокатки накопичений значний експериментальний матеріал, який отримав правильне пояснення і узагальнення. Теорія прокатки широко застосовується при розробці технології металургійних процесів, тому ГОС спеціальності «Обробка металів тиском» для інженерів включає теорію прокатки як обов'язкову складову загальної теорії обробки тиском.
Незважаючи на наявність хороших підручників з теорії обробки металів тиском, жоден з них не може бути рекомендований в якості єдиного і достатнього. Багато з них видані порівняно давно, нові загальноросійські підручники не з'являються, в більшості вузів воліють видавати власні підручники і методичні посібники, що відповідають специфіці вузу. Це і дешевше, і мобільніше. Даний посібник також в основному відображає навчальний план конкретного вузу - Санкт-Петербурзького політехнічного університету і рекомендується перш за все студентам цього ВНЗ. Проте, потреба в загальноукраїнському підручнику з теорії обробки тиском не знімається. Більшість наявних підручників написані видатними вченими в окремих областях обробки тиском, які внесли великий вклад в розробку конкретного розділу цієї порівняно молодої науки. Природно, їх підручники більше схожі на монографії, в яких досить глибоко, зі скрупульозними доказами, всебічним аналізом і посиланнями на численні літературні джерелами розглядаються близькі їм питання теорії. Підручники перевантажені математичними викладками і полемічними виступами. До речі, почасти з цієї причини автори визнали за необхідне відмовитися від великого списку використаної літератури, обмежившись основними підручниками, рекомендованими для обов'язкового вивчення. Необхідний підручник, в якому висвітлюються тільки усталені уявлення хоча б по окремих видах обробки тиском. Саме таку мету ставили автори цього підручника. Свідомо були виключені математичні аспекти аналізу та розрахунків процесів обробки тиском, засновані на використанні теорії пружності і пластичності, оскільки ці питання в навчальному плані Політехнічного університету і багатьох інших вузів виділені в окремий самостійний курс. Основна увага зосереджена на поясненні суті відбуваються при обробці тиском процесів, перш за все при прокатці, на аналізі експериментального матеріалу.
Курс теорії обробки металів тиском передує курсу «Технологія обробка металів тиском». На думку авторів, методично обидва курсу повинні бути побудовані в одному ключі як деякий єдиний курс, що формує «закваску» фахівця-технолога з обробки металів тиском. Для кафедр кількох провідних вузів Росії, які готують технологів з обробки металів тиском для металургійної та машинобудівної промисловості, потрібен єдиний підручник з теорії та технології ОМТ. Автори цього посібника поставили перед собою завдання написання деяких його частин.
Очевидно, неможливо створити такий підручник по всіх майданчиках теорії і технології обробки металів тиском. По-перше, технологія безперервно удосконалюється, сильно залежить від кон'юнктури ринку, рівня, організації та стану конкретного виробництва і обладнання і т. Д. Підручник може швидко втратити свою актуальність. По-друге, самих технологічних процесів, заснованих на принципах обробки тиском, безліч, кожен з них має свою специфіку і по суті свою теорію. У навчальному курсі, в тому числі в даному підручнику, розглянуті основні положення теорії, що базуються на схемах деформування при розтягуванні, осаді та прокатки, які служать основою більшості технологічних процесів. У теоретичному плані представлені також прокатка в калібрах і поздовжнє періодична прокатка.
1.1. Типи кристалічної решітки
В теорії ОМД розглядаються процеси деформації металу на основі вивчення, з одного боку, фізико-хімічних закономірностей, що протікають в металі при деформації і, з іншого, - чисто механічних явищ, заснованих на досягненнях теорії пружності і пластичності.
Спочатку коротко зупинимося на фізико-хімічних основах деформації, пам'ятаючи про те, що глибоке вивчення цього напрямку присвячений окремий курс.
Метали і сплави являють собою тверді тіла. На відміну від аморфних (рідин) тверді тіла мають кристалічну будову. Якщо в аморфних тілах атоми і молекули розташовуються в хаотичному порядку, то в кристалічних тілах, в тому числі в металах, атоми впорядковані. Первинним осередком будови металевого тіла є кристал, який являє собою однорідне фізичне тіло, що складається з правильно покладених і однаково орієнтованих елементарних кристаликів, що мають форму опуклого багатогранника з певним чином укладеними в ньому атомами. Кристал неправильної форми називається монокристалом, але в ньому, як і в кристалі, всі атоми мають одну орієнтацію і впорядковані однаково. Зрощені між собою кілька разнооріентірованних монокристалів називаються полікристала. Кілька зрощених полікристалів утворюють зерно металу (або кристаліт).
Порядок розташування атомів в первинному елементарному кристалі кристалічного тіла характеризує тип кристалічної решітки. З усього розмаїття типів решітки для обробки тиском найбільший інтерес представляють три - гранецентрированная, об'емноцентрірованная і гексагональна решітки, так як основна маса деформованих металів і сплавів мають таке кристалічну будову. Так g-залізо при високій температурі, мідь, нікель, золото, алюміній, срібло мають гранецентрированную грати, a-залізо (низькотемпературне), ванадій, вольфрам, молібден, хром, тантал мають об'ємно-центрованої грати, і гексагональна грати утворюють магній, цинк, кобальт , a-титан, берилій, кадмій. На рис. 1 наведені розглянуті типи кристалічних решіток.
Будова кристалічної решітки визначає одне з фундаментальних властивостей металу - його пластичність. Пластичність - це властивість металу змінювати свою форму без руйнування. Пластичність металу може бути оцінена кількісно тим ступенем деформації, при якій з'являються в металі перші тріщини. Така гранично допустима ступінь пластичної деформації може бути названа запасом пластичності. 
Мал. 1. Типи кристалічних решіток основних
металів.
а) об'емноцентрірованная,
б) гранецентрированная, в) гексагональная.
Серйозного вивчення пластичності різних металів за навчальним планом присвячений окремий великий курс, який є одним з основних в спеціалізованій підготовці інженера-технолога з обробки металів тиском.
Пластичність металу істотно залежить від типу кристалічної решітки. Найбільш пластичні метали з гранецентрированной гратами, об'ємно-центрованої метали менш пластичні, ще меншу пластичність мають метали з гексагональної гратами. Це визначається кількістю кристалографічних площин і їх напрямків, за якими відбувається ковзання металу при пластичній деформації металу. Для визначення площин у кристалічній решітці прийнята система індексації. Для кубічної решітки площину позначається трьома цифрами, укладеними в круглі дужки. Цифри є зворотні величини координат відрізків, що відсікаються площиною по трьох осях кубічної решітки, причому за одиницю вимірювання став параметр решітки. 
Мал. 2. Площини кубічної елементарної комірки і їх позначення.
На рис. 2 показані площину (100) - грань куба, площину (110), що проходить через два протилежних ребра, площину (111), що відсікає по кожній осі відрізок, рівний 1, і площина, що проходить через діагональ підстави і середину другого ребра, що має позначення ( 121). У гексагональної решітці (рис 3) площину позначається зворотними значеннями координат, що відсікаються нею на чотирьох осях, три з яких а1, а2 і а3 розташовані в площині підстави (базису), а четверта а4 - по висоті призми. 
Мал. 4. Позначення напрямків в кубічної решітці.
У кристалічній решітці позначаються не тільки площині, а й напрямки. Напрямок задається прямої, що виходить з початку координат, і що проходить через атом, що лежить на цій прямій. Напрямок позначається зворотними значеннями координат цього атома, укладеними в квадратні дужки. Причому, при негативних значеннях координат над цифрою ставиться знак мінус. Приклади напрямків в кубічної решітці показані на рис. 4.
На рис 1 видно, що в кожної решітці в різних площинах і за різними напрямками кількість атомів і відстані між ними різні, тому властивості кристалічного тіла за різними напрямками не однакові. Відмінність властивостей металу з різних напрямків називається анізотропією. Анізотропія є одним з основних властивостей окремого кристала, яке може бути використано у виробі, або, навпаки, з яким доводиться боротися, якщо в металевому виробі цінується однорідність властивостей в усіх напрямках.
Монокристали в металургії використовуються рідко і вирощуються спеціальними методами в лабораторіях. Метал, що отримується в промисловості шляхом затвердіння (кристалізації) розплаву, складається з конгломерату зерен або кристалітів і межзеренного речовини. Напрямки площин атомних решіток в різних зернах різні і сильно залежать від умов кристалізації. При подальшій пластичної деформації напрямки кристалографічних площин в зернах змінюються дуже істотно.
Використовувані в металургії обсяги металу завжди мають полікристалічне будова і можуть не проявляти анізотропії, хоча всередині кожного монокристалла властивості його анізотропні. Пластична деформація металу визначається властивостями окремого зерна, тобто розташуванням кристалографічних площин і розташуванням атомів на них, а також розташуванням зерен в полікристала, величиною зерен, наявністю інших фаз всередині зерна, і, звичайно, будовою і властивостями межзеренного речовини. Як видно, на характер пластичної деформації реального металу впливають багато факторів.
