http://www.ostu.ru/conf/tech2002/sect2/utkin.html


Уткин Е.Ф, ВПИ (филиал) ВолгГТУ


ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА ИХ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ


   Широкое применение высоколегированных, аустенитных, мартенситно-стареющих сталей и сплавов и сплавов на основе тугоплавких материалов для изготовления различных деталей для машин и механизмов создает большие затруднения по их механической обработки лезвийным инструментом. Их обрабатываемость в большей степени определяется процессом производства в цикле металлургического производства, так и в машиностроительном производстве.
   Реальные металлические сплавы практически неоднородны по своему химическому составу и структуре. Наиболее существенное влияние на обрабатываемость оказывает неравномерность химического состава и структуры высоколегированных и титановых сплавов. С расширением областей применения высоколегированных сплавов все острее ставится вопрос о повышении их обрабатываемости на основе исследовании физических процессов при резании лезвийным инструментом.
   Сплавы между металлическими элементами черезвычайно разнообразны. Бывают сплавы, в которых преобладает один элемент, а другие играют роль примесей; в этом случае их называют твердыми растворами – типа "замещения", если посторонние атомы заменяют атомы основного вещества, тит типа "внедрения", если они помещаются в междоузлиях исходного кристалла. С другой стороны, существуют такие сплавы, в которых оба компонента присутствуют в одинаковых количествах или кратных (стеометрических) отношениях; такие сплавы имеют характер химических соединений между соответствующими металлами.
   Приведенные до настоящего времени экспериментальные исследования российских и зарубежных ученых свидетельствуют о том, что при обработке высоколегированных и титановых сплавов резанием обнаруживается ряд весьма существенных особенностей. Для дальнейшего развития теории обработки металлов резанием, а именно титановых сплавов, важно и необходимо исследовать какая существует связь между структурной неоднородностью, физическими и химическими свойствами и физическими процессами происходящих при резании титановых сплавов.
   При рассмотрении физических процессов необходимо учитывать влияние химической, структурной и дислокационной неоднородности наструктурные превращения происходящие при резании высоколегированных и титановых сплавов. Также важно учитывать и влияние температурно-деформационных закономерностей процессов происходящих в зоне стружкообразования и контактной зоне.
   В процессе пластического деформирования по мере перемещения элементарного объема металла в зоне стружкообразования и контактной зоне происходит последовательное изменение степени деформации e, скорости деформации , температуры Q. В соответствии с особенностями температурно-деформационными закономерностями процесса высокоскоростного деформирования изменение величин e, t, x, Q находятся в тесной взаимосвязи.
   До недавнего времени оба эти обстоятельства обычно не учитывалось, т.е. процесс пластической деформации часто рассматривалься независимо от особенностей микроскопической и кристаллографической структуры сплава. Хотя речь здесь идет не об обычном вытягивании и поворотах зерен, а об изменении структуры в связи с физико-химическими превращениями при высоких степенях и скоростях деформирования.
   Несовершенность структуры усложняет процесс установления законов высокоскоростного пластического деформирования поликристаллического тела: а именно влияние неоднородности исходной структуры, изменение структуры в процессе деформации, изменение температуры металла и влияние на протекание высокоскоросного пластического деформирования по мере перемещения его через контактные зоны.
   Взаимодействие обрабатываемого и инструментального материалов на рабочих режимах резания протекает в условиях высокоскоростного пластического деформирования контактных объемов металла, высокой температуры, высоких контактных удельных давлений. В зависимости от условий резания взаимодействие контактируемых материалов может осуществляться в зависимости от диффузионных, диффузионно-химических, химических, окислительных и других процессов.
    Целью настоящей статьи является обоснование теоретических предположений и подтверждение их экспериментальными результатами при обработке резанием титановых сплавов a и a + b структурой.
   Известно (1,2), что при резании титановых сплавов образуются лемелообразные (сегментные) стружки. Характерной чертой процесса стружкообразования является периодическое возникновение полос концентрированного сдвига с относительно большой деформации, сопровождаемой быстрым сдвиговым разрушением материала вследствие неустойчивой пластической деформации. Согласно исследованиям (3,4) процесс формирования циклических стружек является следствием развития неустойчивости процесса резания в условиях адиабатического сдвига. Результаты исследований и их анализ, согласно различным источникам, бывает, неоднозначен и противоречив. Отметим только одно, что процесс формирования циклических стружек однозначно оказывает влияние на понижение стойкости инструмента.
   Границы зерен являются тонкими областями с толщиной в нескольких атомных диаметров с энергией большей, чем энергия субграниц. Они имеют высокую энергию, которая ответственна за их подвижность, т.е. за рост зерна. Кроме того, атомы на границе зерен имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерна и, как следствие этого, более склонны вступать в реакции. Именно, линейные дефекты позволяют описать несовпадение ориентировок двух зерен так, чтобы энергия искажения была минимальной.
    В поликристаллическом континууме среднее зерно имеет точно шесть сторон. Существуют полигоны, которые не являются шестисторонними, но тогда они имеют искривленные, не плоские поверхности. Так как стык стремится сохраниться под углом 120°, то кривизна обуславливает различное давление в отдельных зернах. Зерна с числом сторон меньшим, чем шесть, имеют выпуклые грани; если число сторон больше шести, то грани вогнутые.
   Таким образом, поликристаллические металлы имеют нерегулярное зеренное построение и в них имеют место искривленные поверхности зерен. Каждая поверхность стремится двигаться в направлении центра кривизны и, тем самым уменьшить энергию границы. При высоких температурах, достаточных для диффузии и движения границ, границы с пятью сторонами стремятся стать четырех сторонними, а эти в свою очередь трехсторонними и так далее. Зерна с числом больше, чем шесть, стремятся иметь вогнутые поверхности и будут расти. Идеальная устойчивая конфигурация никогда не достигается. Замедление и остановка роста происходит по различным причинам, например, границы могут быть закреплены включениями.
    На процесс пластического деформирования оказывает влияние структура материала, которая усложняет процесс деформации поликристалического тела, а именно, влияние неоднородности исходной и изменение структуры в процессе высокоскоростной деформации.
    Изменение структуры в процессе деформарции наблюдается у многих неравновесных сплавов с неравномерной структурой, в особенности обладающих аустенитной и мартенситной структурой. Было доказано (5), что во многих случаях степень нарушения и отклонения от известных закономерностей деформации существенно возрастает при переходе от равновесных к неравновесным и вообще к более сложным и менее изотропным сплавам. Безоговорочное перенесение закономерностей деформаций, обычно устанавливаемых для чистых металлах, на широкий класс других материалов, среди которых могут быть сложные неравновесные сплавы, может привести к неверным заключениям.
    Физико-химические превращения, происходящие при изменении температуры, оказывают влияние на процесс пластического деформирования. Причины ослабления границ зерен при повышении температуры могут быть самого различного характера (выделение примесей или вторичных фаз по границам зерен из твердого раствора, межкристаллическое окисление). Эти процессы вызывают сильное понижение сопротивлению пластической деформации. Физико-химические превращения, происходящие при изменении температуры, оказывают влияние на процесс пластического деформирования.
    В частности было предложено описание природы возникновения немонотонности характера (рис. 1), который может наблюдаться при переходе от упругой деформации к пластической.

Фотография корня стружки

Рис.1. Твердый сплав ВК8, V = 1,5 м/, s = 0,2 мм/об, t = 1,5 мм

Осцилограмма записи составляющих сил резания Рz и Py

Рис.2. Твердый сплав Т15К6, V = 0,2 м/с, s = 0,26 мм/об, t = 2 мм, Vл = 5 м/с

   Смещение фаз максимальных значений составляющих силы Рz от Рy составляет 1/9 - 1/10 времени формирования элемента циклической стружки. Причем минимум силы резания Рz соответствует, по времени формирования элемента, максимальному значению силы Рy (рис.2). Сопоставление фрагментов формирования циклической стружки и изменение составляющих сил резания по времени видно, что максимальному значению силы Рz соответствует наибольший угол наклона условной плоскости резания b, а минимальному значению силы резания Рz - наименьший угол наклона условной плоскости сдвига.
  Для описания пластической деформации обычно используется соотношение Орована:
(1)

  Макроскопические деформации на основании соотношения Тейлора-Зегерса может иметь место при выполнении следующего условия:



  Условие (2) отражает тот факт, что подвижные дислокации при их движении, а также дислокации, которые рождаются источниками, необходимо преодолевать упругое противодействие ансамбля уже имеющих дислокаций. Если же o ‹ k, то считалось, что пластическое течение вообще отсутствует. В этом случае выражение (1) могло быть справедливым только при выполнении условия (2).
   Критическое напряжение сдвига при деформации двойникованием, вообще говоря, выше, чем при скольжении. Поэтому двойники обычно не возникают, за исключением тех случаев, когда затруднено скольжение. Двойникование может образовываться во время деформаций, так как скольжение характеризуется высокими критическим напряжениями сдвига. Кроме того, они могут возникать в металлах имеющих относительно небольшое число возможных систем скольжения.
Однако при некоторых значениях параметров развиваемой пластической деформации становится не переменным, так как не удается определить случаи высокой начальной плотности дислокаций и высоких значения максимума на деформационной кривой (которая может быть связана не с плотностью дислокаций, а с внутренними свойствами самого источника). Такое пороговое напряжение необходимо вводить при анализе пластической деформации интерметаллидов, где обусловлено блокировка дислокаций.
  При происходящем процессе механической деформации некоторые фазовые превращения осуществляются в процессе сдвига в котором участвуют и дислокации. При высоких температурах упрочняющее влияние границ может перекрываться разупрочнением в результате ползучести. Во всех металлах существуют межатомные притяжения, которые приводит к образованию атомных связей.
Наиболее известным сдвиговым превращением является образования мартенсита в стали и некоторых сплавах. Мартенсит образуется в сталях путем сдвигового бездиффузионного превращения. Однако на практике приходится принимать во внимание два фактора: содержание вводимых элементов таково, что в результате легирования аустенитная сталь уже приобретает достаточную прочность; образовавшийся мартенсит может иметь исключительно высокие твердость и хрупкость.
  В процессе легирования дислокации "блокируются" атомами растворенного элемента, так как при этом уменьшается энергия деформации. Атомы с меньшим размерам стабилизируются на краю избыточной полуплоскости, тогда как более крупные атомы, располагаясь в растянутой зоне под дислокацией, также способны снизить энергию деформации. Это снижение энергии деформации повышает сдвиговое усилие, необходимое для отрыва дислокации от атома растворенного элемента и для продолжения ее движения.
   Таким образом, хотя и дислокации необходимы для возникновения пластической деформации и способствуют легкому пластическому течению материалов, они могут увеличивать прочность материала, если их число достаточно велико. В то же время взаимосвязь между изменением температуры и скорости деформации существуют и значительные различия:
   1. Упругие характеристики E и G не зависят от скорости деформации но зависят от температуры.
   2. При изучении влияния скорости деформации следует различать изотермические и адиабатические процессы деформации.
   3. Изменение температуры (особенно ее повышение) нередко вызывает наложение чисто механических факторов физико-химических процессов, как происходящих внутри самого металла, так и обусловленных взаимодействием металла с окружающей средой.
   4. Охрупчивающее влияние низкой температуры оказывает гораздо более сильным, чем влияние повышенной скорости деформации.

Список используемой литературы

1. Кривоухов В.А., Чубаров А.Д. Обработка резанием титановых сплавов. – М.: Машиностроение, 1970. – 180 с.
2. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / Под ред. Резникова Н.И. – М.: Машиностроение, 1972. – 200 с.
3. Клушин М.И. Резание металлов. – М.: Машгиз, 1958. – 454 с.
4. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов / Под ред. Кривоухова В.А. – М.: Машгиз, 1961. – 245 с.
5. Ратнер С.И. Прочность и пластичность металлов. М.: Оборонгиз, 1949. – 152 с.



http://www.ostu.ru/conf/tech2002/sect2/utkin.html