Способ обработки металлических материалов

 

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии, в частности к практическому деформированию металлов растяжением и сжатием, однократным нагружению при нормальной температуре. Целью изобретения является повышение пластических свойств материалов и конструкционной прочности в условиях действия растягивающих направлений. Образец подвергают холодному пластическому деформированию растяжением. После растяжения осуществляют деформацию сжатием. При этом деформирование растяжением проводят в пределах стадии деформационного упрочнения, а сжатием - в направлении, противоположном растяжению до остаточных деформаций, соответствующих первой стадии деструкции, определяемой при испытании недеформированного материала. Образец из ст. 30 подвергают деформации растяжением до остаточной деформации 23%, а затем дополнительно сжатием в направлении, противоположном растяжению, на величину остаточной деформации 12% и подвергают испытанию одноосным статическим растяжением. При этом пластичность δ повышается с 17 до 27%

ψ с 42 до 47%.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 С 21 D 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4180590/23-02 (22) 12.01.87 (46) 30.03.90. Бюл. Р 12 (71) Всесоюзный заочный машиностроительный институт (72) Б.А. Прусаков, А.И. Сурин, Л.М. Рыбакова, Е.И. Тронза, 10.А. Pesников и С.Д. Громаковский

:(53) 621.785.79(088.8) (56) Гуляев А.П. Металловедение. M.

Металлургия, 1977, с. 83.

Щербак А.If. Романов А.Н. Сопротивление малоцикловому деформированию и разрушению малоуглеродистых сталей при повышенных температурах в связи с эффектом старения. — Сб. "Структурные факторы малоциклового разрушения металлов". М.: Наука, 1977, с. 51-64. (54). СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к черной

:и цветной металлургии, в частности к практическому деформированию металлов растяжением и сжатием, однократным нагружению при нормальной темпеИзобретение относится к черной и цветной металлургии, в частности к пластическому деформированию металлов растяжением и сжатием однократным нагружением при нормальной температуре.

Цель изобретения - повышение пластических свойств материалов и конструкцнонной прочности в условиях действия растягивающих напряжений.

Деформирование одноосным статичес» ким растяжением проводится до любой

2 ратуре. Целью изобретения является по,вышение пластических свойств материа лов и конструкционной прочности в условиях действия растягивающих направлений. Образец подвергают холодному пластическому деформированию растяжением. После растяжения осуществляют деформацию сжатием. При этом деформирование растяжением проводят в пределах стадии деформационного упрочнения, а сжатием — в направлении, противоположном растяжению до остаточных деформаций, соответствующих первой стадии .деструкции, определяеI мой при испытании недеформированного материала. Образец из ст. 30 подвергают деформации растяжением до остаточной деформации 237, а затем дополнительно сжатием в направлении, противоположном растяжению, на величину остаточной деформации 127 и подвергают испытанию одноосным статическим растяжением. При этом пластичность повышается о с 17 до 27Х, Ф с 42 до

47Х. 6 ил.

Cb остаточной деформации, соответствующей стадии деформационного упрочнения в пределах от Я или 0д до Еь (от площадки текучести до начах1а ло- р кализации деформации и появления шейки). Деформирование ниже или выше

:,интервала Е - Е> нецелесообразно, так как при ссЯ происходит только упругая деформация, которая полностью устраняется после снятия нагрузки и, следовательно. не приводит к упрочне1553565 нию. При б Я пластическая деформа ция локализуется в небольшом объеме (шейке), что делает невозможным ее использование для упрочнения детали по всей длине (фиг. 1).

Величина остаточной деформации при сжатии не является произвольной, Она выбирается на основе разработанного метода пластически-деструкционного, анализа, позволяющего проводить оценку повреждаемости (деструкции) материала. В соответствии с ним по кривой сжатия стрится деструкционная диаграмма, представляющая зависимость истинного напряжения течения S от остаточной деформации е", ° По диаграмме определяются деформация деструкции и деформация начала потери устойчи 1 ности пластического течения материала gp (точки 13 и Dq) на участке деформационного упрочнения при сжатии. Пластическое деформирование при сжатии . проводят до остаточной деформации.в пределах от Ев, до Е, Деформирова- 25 ние сжатием до 6 < Я>, приводит при последующем испытании растяжением к менее заметному снижению прочностных свойств по сравнению с упрочнением, достигнутым при предварительном растяжении, однако пластичность при этом получается существенно ниже. Деформирование сжатием до Я Я п уже не приводит к повышению пластичности при последующем испытании растяжением, а в отдельных случаях даже приводит к ее

35 снижению из-за интенсивного развития повреждаемости на стадии потери устойчивости пластического течения (фиг. 2).

Повышение пластичности при ограничении деструкционных характеристик в указанных пределах объясняется следующими причинами. В точке деструкции

Dg возникает такая повреждаемость, 45 которая начинает оказывать влияние на поведение твердого тела в целом, причем с увеличением остаточной деформации вьппе этой точки доля деструкционных процессов в общей деформации возрастает. Возникает ансамбль микротрещин, расположенных достаточно однородно в объеме тела. В точке Dg производит новый этап развития повреждаемости, который заключается во взаимодействии этих трещин между

55 собой, слиянии некоторых иэ них, что в конечном счете приводит к появлению магистральной трещины. В случае прйменения схемы сжатие + растяжение (при окончательной деформации растяжением

3,87) на поверхности образца отчетливо наблюдаются микротрещины, при этом резко изменяется профиль поверхности, т.е. для изделий, работающих в услови- ях действующих напряжений растяжения, обработка по такому циклу является неблагоприятной: она естественно приводит к снижению пластичности.

В случае предварительного деформирования по схеме растяжение + сжатие (при окончательной деформации 3,8Z) на поверхности образца уже практически не наблюдаются микротрещины (происходит их залечивание) и ее профиль близок к исходному. Такая обработка является благоприятной, поскольку она не приводит к возникновению повышенной повреждаемости. Процессы залечивания трещин наблюдаются и при рекристаллизационном отжиге деформированного материала, но только в том случае, когда процессы деструкции развиваются только в указанных интервалах деформиравания. Выход за верхний предел этих ограничений приводит к необратимым структурным изменениям, что является причиной снижения характеристик пластичности

При холодном пластическом деформировании растяжением на стадии деформационного упрочнения прочность металла возрастает, а пластичность понижается, при этом отношение 6g,q/бь, хаграктеризующее ресурс пластичности, стремится к единице. При последующем деформировании сжатием в пределах

Е1,, — Я п вРеменное сопРотивление металла несколько понижается по сравнению с предварительным растяжением, в то время как предел текучести и отношение 6 щ /бз уменьшаются намного сильнее, а относительное удлинение и сужение поперечного сечения возрастают, что свидетельствует о повьппении ресурса пластичности металла и, следовательно, конструкционной прочности изделий.

Проведенные исследования показали, что аналогов предлагаемому способу обработки нет.

Пример 1 ° Отожженную сталь

30 испытали одноосным статическим сжатием: определили интервал деформаций, в котором происходит развитие деструкционных процессов и сохраняется устойчивость пластического течетановленного интервала не позволяют получить такие результаты: оно приво дит к более низким значениям пластичности. Действительно, если деформация сжатием составляет 57, т.е. ниже нижнего предела установленного интервала (таблица, пункт 3), то в этом случае относительное удлинение составляет

207 по сравнению с 27%, а поперечное сужение — 44% по сравнению с 47Х. При этом ресурс пластичности и конструк2 ионная прочность также.уменьшаются, о чем свидетельствует повышение отношения бои / о до 0,9. Есди же деформация стали составляет 16Х, т..е. она выше верхнего предела установленного интервала (табл., пункт 5),.то и в этом случае характеристики пластичности получаются ниже: 8 = 23Х по сравнению с 27Х и Ф = 40X по сравнению с 47Х.

Таким образом, растяжение конструкционной стали в пределах участка

35 деформационного упрочнения и последующее сжатие в пределах от деформации деструкции до начала потери устойчивости пластического течения материа-. ла приводит к одновременному повыше3Q нию пластичности и конструкционной прочности стали.

Пример 2 ° В качестве базового объекта выбрана втулка шарнирноболтового соединения, изготавливаемая из алюминиевой бронзы Бр АЖН 10-4-4 и Бр ARM 10-3-1,5. Условия эксплуата-. ции втулки предполагают возникновение в ней напряжений Растяжения в направлении продольной оси, которые в пределе приводят.к ее разрушению, т.е. на последнем этапе .работа детали контролируется растягивающнми усилиями.

Учитывая то обстоятельство, что фактически все упрочняющие обработки приводят одновременно к снижению пластичности, то для условий действия в. детали растягиваюцих напряжений это существенно затрудняет, а часто даже исключает воэможность применять для этой цели такие способы упрочнения как холодная пластическая деформация.

В этих случаях эффективным является предлагаемый способ одновременного повышения при холодной пластической деформации как прочности, так и пластичности, что в конечном счете приводит к увеличению конструкционной прочности детали.

5 1553565 ния. Он оказался в пределах 9-13Х остаточной деформации. Группу образцов подвергли пластическому деформированию одноосным статическим растяжени-. ем до остаточной деформации 237., со5 ответствующей концу стадии деформационного упрочнения (точка В на диа,грамме растяжения). Другую группу образцов продеформировали точно так же растяжением, а затем. дополнительно сжатием в направлении, противоположном растяжению, на величину остаточной деформации 12Х, находящуюся. в указанном интервале. После этого все образцы, включая сталь в исходном состоянии, испытали одноосным статическим растяжением.

Механические свойства представле-" ны в таблице. 20

Анализ результатов испытаний показал, что деформирование стали 30 на

237 (таблица, пункт 2) приводит к резкому упрочнению отожженной стали и снижению ее пластичности: G g возрас тает с 390 до 690 МПа, оq — с 570 до

690 МНа, при этом бо,q /6 q = 1; 8 понижается с 44 до 177., à y — с 52 до 42Х.

Деформнрование сжатием на 127 (в пределах установленного интервала) после растяжения на 23Х (таблица, пункт 4) приводит к снижению бо с 690 до 490 МПа, а бь — с 690 до 600 МПа одновременно существенно повышаются характеристики пластичности: 8 †. с 17 до 27X; g — с 42 до 477; изменяется вид диаграммы нагрузка - деформация по сравнению с диаграммой стали, упрочненной только растяжением: дна- 40 грамма удлиняется, на ней появляются две стадии, характеризуюцие пластическое течение (фиг. 3}. При этом резко возрастает ресурс пластичности стали и KQHcTp oHHBsi прочность изделий, о чем свидетельствует заметное снижение отношения бpp /6 q (до 0,8) °

Кроме того, если сопоставить результаты, полученные после обработки по оптимальным параметрам (таблица, пункт 4), со свойствами отожженной и деформированной только растяжением стали, то можно отметить| что эффект ,повышения пластичности еще более значителен, при этом прочносные характеристики получаются выше„ чем в отожженном состоянии.

Деформирование сжатием с остаточными деформациями ниже или выше ус1553565 (1 + Е) t(„, ОД ь

ИПа

8 растяж. E. сжатия

44 52 0,7

17 42 1,0

20 44 0,9

27 47 0,8

23 40 0,8

2

3.

0

5

12

390 570

690 .690

610 670

490 600

480 590

23

23

23

С этой целью обработку нужно вести

Ь следующей последовательности.

В срответствии со штатным техноло ическим процессом втулка вытачивает5 ся из холоднотянутой трубы с повышенНым комплексом механических свойств: 8 ) 650 МПа, д ) 57. Указанные свойства получают в результате холодной астической деформации исходной ци0 индрической заготовки со степенями еформации растяжением Я и 407, т.е. исходном материале холоднотянутой рубы реализуется первый этап упрочения материала растяжением: упрочне- 1 е в области деформаций, исключающих х локализацию с образованием шейки.

Следующая операция изготовления

/ етали предусматривает вырезку иэ рубы цилиндрической заготовки (фиг.4)20 высотой, определяемой предельой степенью деформации сжатием в бласти от деформации деструкции до ачала потери устойчивости пластического течения материала по формуле 25

1.де Š— степень деформации сжатием; высота заготовки после сжатия 30

Полученная заготовка высотой подвергается осадке на прессе до выСоты t + т.е. реализуется второй этап

1 ефориирования детали сжатием с деормациями в интервале от деформации 35

Ю т

РУ Степень предварительи/и ной деформации, % деструкции до начала потери устойчивости пластического течения (фиг.5).

Иэ полученной заготовки вытачивается деталь (втулка) в соответствии с требованиями фиг. 6.

По предлагаемой технологии изготовлено 5 втулок шарнирно-болтового соединения и проведены их испытания на лабораторном стенде с целью проверки эффективности предлагаемого способа.

Оценка остаточных деформаций по сравнению со штатными изделиями показала преимущественно упрочненных по предлагаемой технологии втулок не менее, чем на 20% по остаточной деформации при одновременном повышении напряжения течения не менее, чем на 15%. ф о р м у л а изобретения

Способ обработки металлических материалов, включающий однократное холодное пластическое деформирование в пределах стадии деформационного упрочнения растяжением с последующим сжатием, о т л и ч а ю ц и и с я тем, что, с целью повышения пластических свойств материалов и конструкционной прочности в условиях действия растягивающих напряжений, сжатие проводят с деформациями, превышающими деформацию деструкции, но не выше деформагчи начала потери устойчивости пластического течения материала.

Доагранио ростана

Еу е E

Дс рма ия

8„...... 8 -остаточная дсцтрнацця на юадао 3ерариацвоннога упрочненои

Фиг.1

550

Составитель А. Орешкина

Редактор Н. Киштулинец Техред A.Kðàâ÷óê Корректор Н. Ревская

Заказ 437 Тираж 503 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101