Анизотропия в металлопрокате: как направление прокатки влияет на механические свойства

При обработке стали или алюминия путем продольного проката происходит упорядочение структуры, придающее изделиям выраженные направленные характеристики. Основной причиной такой неоднородности служит вытягивание зерен кристаллической решетки вдоль направления деформации, что вызывает анизотропию.

Прокат вдоль волокон повышает прочность и жесткость материала, но при поперечном воздействии свойства снижаются. Особенно заметен этот эффект в изделиях из листов, труб и профилей, где соотношение длины к толщине резко выражено.

При расчетах конструкций из листовой стали, ГОСТ 19903-74 и ГОСТ 19904-90 рекомендуют учитывать ориентированность волокон. Направление прокатки обязательно маркируется на изделиях, поставляемых в рулонах или листах, согласно требованиям ТУ и действующих технических условий.

В сварных конструкциях, например при производстве резервуаров, технологи заранее определяют, как разместить швы и участки нагружения относительно ориентации волокон.

Сопротивление разрыву вдоль направления волокон у конструкционных сталей, включая 09Г2С или Ст3пс, может достигать 420–490 МПа, а поперек волокон — снижаться до 380–430 МПа. Это связано с тем, что вытянутые зерна сопротивляются раскрытию трещин вдоль, но легко расщепляются в поперечном направлении.

В условиях циклических нагрузок влияние анизотропии особенно заметно — усталостная прочность при поперечном нагружении падает быстрее, чем при продольном.

Для алюминиевых сплавов, таких как АМг6 или Д16, влияние ориентации проявляется в виде различий в пластичности и сопротивлении деформации. При изгибе вдоль прокатки материал демонстрирует меньшую склонность к трещинообразованию, чем при изгибе поперек. В авиационных и вагоностроительных изделиях это учитывается при проектировании обшивок и шпангоутов.

При штамповке заготовок из проката следует учитывать направление вытяжки, чтобы минимизировать риск разрывов. В случае с глубокими вытяжками и литьем с последующей деформацией анизотропия может вызывать овальность, складки или неравномерную толщину. При производстве автодеталей из холоднокатаной стали марки HC420LA соблюдение ориентации во время штамповки определяет степень допустимой вытяжки без трещин.

При расчете сварных швов в местах пересечения направлений прокатки часто наблюдаются проблемы несовпадения механических характеристик. Металл, ориентированный по одной оси, хуже взаимодействует с напряжениями в другой.

 Это особенно критично при изготовлении опор, ферм и узлов, подвергающихся переменным нагрузкам. Чтобы избежать зон перегрузки, используется прокат с согласованной ориентацией, а в некоторых случаях производится локальный отжиг для снятия остаточных напряжений.

При резке металла важно учитывать направление волокон, так как лазерная или плазменная резка поперек волокон дает более чистую линию, чем вдоль. Связано это с характером расплавления вытянутой структуры, образующей зону термического влияния. При ручной резке абразивным инструментом наблюдается иная картина: в направлении волокон сопротивление выше, от чего возрастает износ кругов. Учитывая данные параметры, рациональнее планировать маршруты реза с минимальным числом участков вдоль прокатки.

При гибке листов, особенно толщиной 4–6 мм, возникающая разница в модуле упругости по направлению и поперек приводит к непредсказуемому пружинению. Пригиб по направлению прокатки требует большего радиуса, иначе возможно растрескивание. Для стали 08Ю или аналогичных требуется радиус гиба не менее 1.5 толщины при продольной гибке и 1.0 при поперечной.

При изготовлении труб из горячекатаных полос в спиральношовном исполнении анизотропия вызывает неоднородность прочности по длине и периметру. ГОСТ 20295-85 указывает допустимые отклонения прочностных характеристик, которые при отклонении оси шва от направления прокатки более чем на 30° становятся критичными. Трубы с осевым швом подвержены продольному растрескиванию при внутренних давлениях.

Для оцинкованного листа, поставляемого по ГОСТ 14918-80, отклонения в прочности по различным направлениям ограничены 10%, но на практике при толщине от 0.5 до 1.2 мм превышение наблюдается чаще всего в изделиях с большим соотношением длины к ширине. Прокат на реверсивных станах приводит к дополнительной деформации в концах рулонов, снижая однородность механических характеристик.

В случаях, когда необходимо обеспечить равные свойства по всем направлениям, применяют перекрестную прокатку. Метод основан на поочередной деформации в продольном и поперечном направлениях. Применение ограничено из-за сложности оборудования и повышенного расхода энергии. Такой прокат используется при производстве армированных пластин, предназначенных для штамповки в разных направлениях.

При изготовлении прецизионных деталей методом механообработки, следует учитывать остаточные напряжения, возникающие из-за анизотропии. При фрезеровании вдоль прокатки возникает волнообразный износ резцов и биения.

Применение твердосплавного инструмента с углом в 45° и выборка припуска в двух направлениях снижают эффект. При обработке поверхностей, ориентированных под углом к направлению волокон, предпочтительны шаровые фрезы с радиусом не менее 3 мм.

При использовании листового проката в производстве фасонных профилей, особенно U-образных и Z-образных, положение относительно направления волокон определяет равномерность гибки по всей длине. При работе на прессах с ЧПУ программное обеспечение должно учитывать угол ориентации заготовки. Если этого не сделать, при серийном выпуске появляется неравномерная жесткость.

В случае с термообработкой, различие в плотности дефектов решетки приводит к неодинаковому ходу рекристаллизации. Отжиг листа 09Г2С толщиной 5 мм при температуре 700–730°C в течение 60 минут устраняет часть направленной структуры, но не полностью. Повторная прокатка после отжига с черновым обжатием более 30% помогает приблизить свойства к изотропным. Тем не менее, полного устранения эффекта не происходит.

При производстве шестерен и зубчатых валов из полосовой стали, заготовку располагают так, чтобы направление волокон совпадало с направлением действия нагрузки. Это уменьшает риск усталостных разрушений и повышает срок службы. Нарушение ориентации может привести к выкрашиванию зубьев при высокочастотной вибрации.

Влияние анизотропии проявляется даже при транспортировке длинномерных изделий. Прокат, уложенный с нарушением продольной ориентации к нагрузке, при перегибах и вибрации в кузове теряет жесткость и деформируется быстрее. Чтобы этого избежать, упаковку размещают по оси движения.