Ранее было отмечено, что допустимое формоизменение является функцией многих переменных, в числе которых одной из существен­ных является штампуемость, т. е. способность деформироваться при формоизменяющих операциях листовой штамповки без разрушения.

Отметим, что в таком определении штампуемости есть некоторая неопределенность, связанная с тем, что схемы напряженного и деформированного состояний при различных формоизменяющих операциях различны, а следовательно, различны и условия возникновения разрушений и соответствующие им деформации.

Отсюда следует, что один и тот же материал может хорошо штам­поваться (допуская значительное формоизменение) при одной операции, а при другой будет показывать худшую штампуемость.

Это затрудняет отыскание единых показателей (критериев) штам­пуемости, позволяющих по данным испытания материала с достаточ­ной определенностью судить о возможном поведении материала во всех формоизменяющих операциях листовой штамповки.

Трудности эти усугубляются еще и тем, что листовой штамповкой изготовляют детали из самых разнообразных материалов.

Материалы, применяемые для листовой штамповки, можно подраз­делить на три группы: металлы, неметаллические материалы и ком­позиционные материалы. Из металлов наиболее широко используются в листовой штамповке стали (особенно низкоуглеродистые), латуни, бронзы, алюминиевые сплавы, сплавы на основе магния и титана, а также такие металлы, как молибден, никель и т. п.

Неметаллические материалы, применяемые для листовой штам­повки, можно, в свою очередь, подразделить на естественные (кожа, слюда) и искусственные (текстолит, стеклотекстолит, органическое стекло, эбонит, полистирол, фибра, гетинакс, миканит и т. п.). Харак­теристики материала, в том числе и механические, приводятся в справочниках [20]. Заметим, что в справочниках обычно приводят­ся характеристики, обусловленные требованиями соответствующих ГОСТов. Как будет показано далее, эти характеристики не всегда позволяют с достаточной определенностью судить о поведении метал­ла при штамповке.

По результатам многочисленных исследований и производственного опыта можно считать, что штампуемость существенно зависит от следующих факторов:

Химического состава материала;

Строения материала, которое, в частности, для металла определя­ется: а) типом кристаллической решетки; б) размером зерна, одно­родностью размеров зерен и их формой; в) строением зерен; г) тек­стурой, создаваемой преимущественной ориентировкой кристаллогра­фических осей в зернах поликристаллического материала; д) полосча­тостью макроструктуры.

Характер и степень влияния этих факторов весьма сложен.

Влияние химического состава. Рассмотрим для примера характер влияния отдельных элементов в стали на ее штампуемость.

Для углеродистых сталей с уменьшением содержания углерода» штампуемость улучшается, и для изготовления деталей сложной формы желательно применять низкоуглеродистые стали, содержащие 0,08-0,1 % углерода (сталь 08; сталь 10). На штампуемость также влияет способ выплавки и раскисления сталей. У кипящих сталей штампуемость выше.

Содержание марганца в феррите (твердом растворе) небольшое, и упрочняющее его влияние ощутимо проявляется при содержании свыше 0,6 %. Марганец в стали остается в результате ее раскисления, кроме того, он предупреждает образование вредного неметаллического включения FeS, для чего нужно, чтобы содержание марганца было в пять раз больше содержания серы. Крупные включения FeS ухудша­ют штампуемость стали.

В сталях, предназначенных для штамповки деталей сложной конфигурации, рекомендуют содержание марганца ограничивать 0,3-0,35 % для кипящей стали и 0,46 % для спокойной стали.

Кремний находится в твердом растворе и способствует снижению штампуемости, вследствие чего для глубокой вытяжки не рекомен­дуется применять стали, раскисленные ферросилицием. В сталях, предназначенных для штамповки сложных деталей, ограничивают содержание кремния: для кипящей стали допускают следы кремния, а для спокойной, раскисленной алюминием стали содержание крем­ния не должно превышать 0,04-0,05 %.

Фосфор является вредной примесью, способствующей снижению штампуемости и повышению прочностных характеристик. В сталях для холодной штамповки рекомендуется не допускать содержание фосфо­ра более чем 0,05 %, причем снижение содержания фосфора способ­ствует улучшению штампуемости.

Сера также является вредной примесью, которая в соединении с марганцем образует неметаллические включения, снижающие штам­пуемость и способствующие расслоениям металла при штамповке.

Легирующие примеси - никель и хром - растворимы в феррите, повышают прочностные характеристики металла, однако характерис­тики пластичности при этом не только не уменьшаются, но даже возрас­тают.

Приведенный характер влияния отдельных элементов на штампуе­мость является приближенным и свидетельствует лишь о том, что химический состав металла может существенно сказываться на поведении металла при штамповке.

Некоторые дополнительные сведения о характере и степени влияния примесей на способность к деформированию различных металлов и сплавов приведены в работе [20] и др.

Влияние типа кристаллической решетки. Каждый тип кристаллической решетки., характеризуется определенным количеством возможных плоскостей скольжения (обычно плоскости с наиболее плотным расположением атомов). В поликристалле межкристаллитная дефор­мация обычно способствует зарождению трещин, что приводит к уменьшению пластичности и штампуемости. Это объясняется тем, что межзеренные прослойки обычно обогащены примесями и, следова­тельно, в условиях холодной деформации менее пластичны, чем сами зерна.

Кроме того, неправильность формы зерен приводит к тому, что при их относительном смещении могут возникнуть локальные нару­шения сплошности. В силу того, что ориентировка плоскостей сколь­жения не одинакова в различных зернах, межкристаллитная дефор­мация будет тем большей, чем меньше возможных плоскостей сколь­жения в данной кристаллической решетке. Известно, что в кубических решетках имеется 12 возможных систем скольжения. В гексагональной решетке имеется одна плоскость скольжения (плоскость базиса), и в ней три направления - всего три системы скольжения. Этим объясняется то, что поликристаллы с гексагональной решеткой имеют меньшую пластичность по сравнению с металлами, имеющими кубическую решетку. Магний, цинк, кобальт, α-титан, имеющие гексагональную решетку, в обычных условиях холодной штамповки обладают низкой штампуемостью.

Заметим, однако, что количество возможных плоскостей скольже­ния существенно зависит от температуры. Так, например, нагрев магниевых сплавов до температур порядка 350 °С резко увеличивает количество возможных плоскостей скольжения и пластичность их существенно возрастает.

Влияние размера зерна, его однородности, формы и строения. В поликристаллическом металле отдельные смежные зерна будут сколь­зить по разным плоскостям, что неизбежно вызовет межкристалли­ческую деформацию.

С увеличением размеров зерен неравномерность деформаций смеж­ных зерен увеличивает межкристаллическую деформацию, что может привести к разрушению заготовки. Отсюда следует, что улучшению штампуемости должно способствовать уменьшение размеров зерен.

Размеры зерен оцениваются в баллах:

11. (1.14)

Здесь N - номер балла в целых числах; N - число зерен в 1 мм2.

Из соотношения (1.14) видно, что номер балла тем выше, чем мельче зерна.

Заметим, что излишне большие размеры зерен могут влиять не только на штампуемость, но и на качество поверхности, приводя к увеличению шероховатости («апельсиновая корка») за счет неравномерного выдавливания зерен в поверхностных слоях при их деформи­ровании по разным плоскостям скольжения.

Для штамповки рекомендуется иметь зерна, соответствующие баллам от 6 до 8 (средние размеры зерен 0,05...0,03 мм), меньшее число баллов может быть допущено при увеличении толщины листо­вого металла.

Межкристаллитная деформация существенно возрастает из-за неравномерности размеров зерен («пестрое зерно»). При этом нерав­номерность деформации отдельных зерен определяется не только различной ориентировкой плоскостей скольжения, но и разным сопротивлением зерен деформации благодаря разному соотношению между объемами зерен и межкристаллическими прослойками.

Размеры зерен и степень неоднородности их размеров могут опре­деляться не только процессом изготовления листового металла (прокатка и отжиги), но также и условиями межоперационных отжигов в технологическом процессе штамповки деталей. Особенно опасны критические степени деформации, которые при отжиге могут привести к резкому увеличению размеров зерен.

В тех случаях (например, при вытяжке), когда критических степеней деформации избежать не удается, следует выбирать такие температуры отжига (по кривым рекристаллизации), при которых рост зерен в области критических степеней деформации будет незна­чительным, т. е. не приводящим к существенному ухудшению штампуемости.

Кроме размеров зерен, на штампуемость может влиять и форма зерен. В качестве отделочной обработки, придающей листовому металлу необходимую гладкость поверхности, обычно применяют холодную прокатку, которая сопровождается упрочнением. При холодной прокатке наблюдается вытягивание зерен в направлении наибольшего удлинения и степень вытянутости зерен характеризует степень холодной деформации при прокатке.

Известно, что упрочнение приводит к уменьшению пластичности и, следовательно, целесообразно ограничить степень деформации при заключительной холодной прокатке.

Считается, что в металле, идущем на штамповку, соотношение между средними наибольшими и средними наименьшими размерами зерен не должно превышать 1,4.

Кроме размера и формы зерен, на штампуемость влияет строение зерен.

Известно, что углерод содержится в стали в виде цементита Fe3C, который является весьма твердой и хрупкой составляющей, способной в процессе пластического деформирования образовать зародыши трещин, которые, развиваясь в процессе деформирования, приводят к разрушению заготовки. Этим, в частности, объясняется и то, что способность деформироваться в условиях холодной деформации без разрушения снижается с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому наличие структурно-свободного цементита в стали для холодной штамповки крайне нежелательно.

В углеродистых сталях для холодной штамповки предпочтительно присутствие углерода в виде зернистого или пластинчатого перлита, окруженного зернами феррита. В этом случае форма цементитных включений такова, что она в меньшей степени способствует зарож­дению трещин в процессе деформирования.

Подобные зависимости устанавливаются и для других металлов и сплавов, что позволяет формулировать требования к химическому составу и строению металла, предназначенного для холодной штам­повки.

Отметим еще одно обстоятельство, связанное с размером и формой зерен. Как указано ранее, пластическая деформация поликристалла складывается из внутрикристаллитной и межкристаллитной деформа­ции. Упорядоченное внутреннее строение зерен приводит к тому, что внутрикристаллитная деформация осуществляется движением дисло­каций, а сопротивление деформированию в условиях холодной дефор­мации зависит от препятствий на пути движения дислокаций, коли­чество которых возрастает с увеличением деформации. Этим объясня­ется деформационное упрочнение металла, при котором напряжение текучести возрастает по мере роста величины пластической деформа­ции и в малой степени зависит от скорости деформации.

Межкристаллитные прослойки имеют неупорядоченное строение, близкое к аморфному, в котором дислокации отсутствуют и деформа­ция осуществляется подобно течению вязкой жидкости, т. е. зерна как бы смещаются в слоях» вязкой жидкости, не деформируясь пластичес­ки. В этом случае деформационное упрочнение отсутствует, а сопро­тивление деформированию в основном зависит от скорости деформа­ции (скоростное упрочнение).

Таким образом, если пластическая деформация осуществляется в основном путем внутрикристаллитной деформации (внутризеренной), металл испытывает деформационное упрочнение. Если же пластичес­кая деформация осуществляется путем межкристаллитной деформа­ции, а внутризеренная деформация отсутствует, то металл испытыва­ет в основном скоростное упрочнение, а деформационное упрочнение отсутствует.

Соотношение между внутрикристаллитной и межкристаллитной деформациями зависит от размера зерен и при очень мелких зернах (1...2 мкм) доля межкристаллитной деформации может быть преобла­дающей в общей пластической деформации. Доля межкристаллитной деформации возрастает также с увеличением температуры, при которой увеличивается подвижность атомов, что, облегчает бездисло­кационное течение межзеренных прослоек. В этом случае металл деформируется без деформационного упрочнения, а сопротивление деформированию и степень деформации до разрушения главным образом зависят от скорости.

Именно в этих условиях металл может быть переведен в состояние сверхпластичности, при котором наблюдается резкое увеличение равномерной деформации при определенных ее скоростях с одновре­менным существенным уменьшением сопротивления деформирова­нию.

Влияние полосчатости макроструктуры. При кристаллизации слитка из расплава образующиеся крупные кристаллиты оказываются окруженными прослойками, содержащими неметаллические включе­ния, имеющими обычно более низкую температуру плавления.

При прокатке эти прослойки вытягиваются в направлении наи­большего удлинения и в листовом материале образуют пряди, парал­лельные плоскости листа. Так как при прокатке листового материала уширение незначительно, то при постоянном направлении прокатки неметаллические включения имеют форму прядей, вытянутых в направлении прокатки, образуя полосчатость макроструктуры.

Полосчатость макроструктуры приводит к возникновению опреде­ленной анизотропии (векториальности) механических свойств. Для анизотропии, созданной полосчатостью макроструктуры, характерно, что прочностные характеристики вдоль волокон и поперек волокон отлича­ются незначительно, в то время как характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) вдоль волокон обычно существенно выше, чем поперек волокон. Эту анизотропию свойств прокатанного листового материала, как это будет показано далее, в ряде случаев приходится учитывать при проектировании технологических процессов.

Влияние текстуры. При пластическом деформировании плоскости скольжения поворачиваются в пространстве, уменьшая угол между этими плоскостями и направлением наибольшего удлинения. При прокатке листового металла это приводит к тому, что плоскости скольжения в зернах стремятся расположиться параллельно плоскости листа. Первоначальное беспорядочное расположение плоскостей скольжения, при котором, несмотря на анизотропию свойств в зернах, все поликристаллическое тело имеет практически одинаковые свойства по разным направлениям (квазиизотропное тело), по мере деформирования становится все более упорядоченным, а плоскости скольжения в зернах - поликристалла становятся параллельными. В силу исходной хаотичности расположения плоскостей скольжения в поликристалле углы поворота плоскостей до их параллельного распо­ложения различны, что приводит к тому, что количество зерен с параллельным расположением плоскостей скольжения увеличивается с увеличением деформации.

Преимущественная ориентация плоскостей скольжения и кристал­лографических направлений в зернах поликристалла в результате пластического деформирования называется текстурой деформации. При холодной деформации образование текстуры происходит парал­лельно с образованием вытянутости зерен (полосчатости микрострук­туры).

Текстура, образованная при пластическом деформировании, не всегда устраняется рекристаллизационным отжигом, при котором вытянутые зерна становятся равноосными. Текстуру поликристалла с равноосными зернами (после рекристаллизации) называют тексту­рой рекристаллизации.

Так как свойства металла (механические, физические, химические и др.) в монокристалле различны по разным направлениям, то в поликрис­талле по мере образования текстуры изотропность свойств нарушается, возникает анизотропия свойств.

Текстура существенно влияет не только на характеристики плас­тичности, но и на характеристики прочности (предел текучести, временное сопротивление).

Параллельное расположение плоскостей скольжения в зернах листового материала, имеющего текстуру, приводит к тому, что механические свойства в плоскости листа различны по разным на­правлениям, а по толщине листа изменяются незначительно.

В плоскостях скольжения у металлов с кубической решеткой имеются два взаимно перпендикулярных направления, в которых прочностные характеристики максимальны, а под углом 45° к ним расположены направления, по которым прочностные свойства мини­мальны.

У металлов с гексагональной решеткой таких направлений три, они составляют между собой угол 60°.

Различие механических свойств в плоскости листа может приво­дить к дополнительной неравномерности распределения деформаций. Именно этой неравномерностью механических свойств объясняется образование фестонов (неодинаковость высот по периметру) при вытяжке цилиндрических стаканов из круглой заготовки (рис. 1.2).

Такие фестоны («уши») образуются за счет более интенсивного течения металла в направлениях минимального сопротивления плас­тическим деформациям. У металлов с кубической решеткой образу­ются четыре фестона, а у металлов» с гексагональной решеткой шесть. Если свойства металла в плоскости листа одинаковы по всем направлениям, то фестоны при вытяжке цилиндрических стаканов не образуются.

Рис. 1.2. Фестоны, образующиеся при вытяжке текстурованного металла

Однако и в этом случае металл может обладать анизотропией (механические свойства по толщине отличны от механических свойств в плоскости листа). Такой металл называют трансверсально изотропным (или же нормально анизотропным).

Анизотропию свойств необходимо учитывать при проектировании технологических процессов, причем анизотропия может оказать как отрицательное, так и положительное влияние на эффективность технологических процессов. Отсюда следует, что сознательное управ­ление анизотропией является одним из путей совершенствования процессов листовой штамповки.