Обработка металлов давлением : теория процессов трубного производства

Москва  2019
МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА
Кафедра обработки металлов давлением 
А.П. Коликов 
Б.А. Романцев
А.С. Алещенко
ОБРАБОТКА  МЕТАЛЛОВ 
ДАВЛЕНИЕМ
Теория процессов  
трубного производства
Учебник
Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Тенологии материалов» в качестве учебного пособия  
при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся  
по направлению 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия»

УДК  
621.7 
К60
Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф. С.М. Горбатюк;
д-р техн. наук, проф. А.Г. Колесников (МГТУ им. Баумана)
Коликов А.П. 
К60  
Обработка металлов давлением : теория процессов трубного 
производства : учеб. / А.П. Коликов, Б.А. Романцев, А.С. Алещенко. – 
М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 502 с.
ISB 978-5-906953-98-8
Изложены основы общей теории пластического деформирования металлов: 
физические основы пластической деформации и сопротивления деформации, 
пластичности, деформируемости и элементов механики разрушения, а так-
же рассмотрены основные закономерности контактного трения, возникающие 
в различных процессах ОМД; значительное внимание уделено базовым поняти-
ям о моделях  и моделированию процессов пластической  деформации металлов.
Рассмотрены основы современной теории процессов производства бес-
шовных труб: кинематика очага деформации, условия захвата металла вал-
ками, особенности напряженно-деформированного состояния металла. При-
ведены современные методы расчета энергосиловых  параметров прошивки 
 
заготовок в станах винтовой прокатки, при продольной прокатке труб в круг-
лых калибрах на короткой и длинной оправках, без оправки. Изложены ос-
новные положения теории прессования, холодной периодической прокатки и 
волочения труб; обобщены результаты математического моделирования про-
цессов производства сварных труб  малого, среднего и большого диаметра. 
Материал иллюстрирован примерами расчета практических задач с использо-
ванием ЭВМ.
Предназначен для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по на-
правлению подготовки «Металлургия», научных работников и специалистов 
в области обработки металлов давлением, а также может быть рекомендован 
аспирантам и инженерно-техническим работникам, специализирующимся 
в области обработки металлов давлением и трубного производства. 
УДК 621.7
 А.П. Коликов, 
Б.А. Романцев, 
А.С. Алещенко, 2019
ISBN 978-5-906953-98-8 
 НИТУ «МИСиС», 2019

Оглавление
Предисловие ............................................................................................. 7
Раздел I. Основы теории обработки металлов давлением ....................9
Глава 1. Механизмы пластической деформации металлов ...................9
1.1. Структура кристаллов и дефекты ................................................... 9
1.2. Механизмы пластической деформации  
моно- и поликристаллов 
.........................................................................11
1.3. Виды деформации  
.......................................................................... 15
1.4. Элементы теории упругости 
.......................................................... 17
1.5. Элементы теории пластичности и уравнения  
состояния «σ – ε» при ОМД 
.................................................................. 25
1.6. Модели сплошных сред  
и их физические соотношения ............................................................. 30
Глава 2. Сопротивление металлов пластическому  
деформированию 
.....................................................................................34
2.1. Механические свойства металла при обработке давлением 
...... 34
2.2. Сопротивление деформации металла при горячей  
обработке давлением  ............................................................................ 39
2.3. Сопротивление деформации при холодной обработке  
металла давлением ................................................................................. 46
2.4. Упрочнение металла при холодной обработке давлением 
......... 52
2.5. Эффект Баушингера 
........................................................................ 54
Глава 3. Пластичность и разрушение металлов при ОМД 
..................57
3.1. Основные понятия и определения ................................................ 57
3.2. Влияние основных факторов на пластичность металлов .......... 67
3.3. Пластичность и деформируемость металлов  
при обработке давлением ...................................................................... 69
3.4. Разрушение ...................................................................................... 82
Глава 4. Основные закономерности контактного трения 
и экспериментальные методы исследования процессов ОМД ...........90
4.1. Особенность трения при ОМД  
и законы трения ...................................................................................... 90
4.2. Зависимость сил трения от основных технологических 
параметров .............................................................................................. 93
4.3. Методы исследования трения при ОМД ...................................... 96
4.4. Экспериментальные методы определения деформаций  
и напряжений при ОМД  ..................................................................... 104

Глава 5. Инженерные методы расчета усилий  
и работы деформации при ОМД 
.......................................................... 112
5.1. Общие сведения .............................................................................112
5.2. Метод совместного решения дифференциальных уравнений  
равновесия и пластичности..................................................................115
5.3. Метод работ  .................................................................................. 125
5.4. Метод линий скольжения (характеристик) ................................ 127
5.5. Метод верхних оценок 
.................................................................. 131
5.6. Метод сопротивления материалов пластическим  
деформациям ........................................................................................ 132
Глава 6. Математическое моделирование процессов ОМД ..............136
6.1. Понятие модели и математическое моделирование 
.................. 136
6.2. Методы решения краевых задач в ОМД .................................... 141
6.3. Вариационно-энергетические методы 
........................................ 145
6.4. Численные методы  
....................................................................... 151
6.5. Метод конечных элементов 
.......................................................... 156
Раздел II. Теория процессов прокатки и прессования 
горячедеформированных бесшовных труб 
.........................................164
Глава 7. Основы теории и моделирование процесса прошивки 
заготовок в станах винтовой прокатки .......................................................164
7.1. Сущность процесса и характеристика очага деформации ....... 164
7.2. Скоростные параметры процесса................................................ 169
7.3. Геометрические и деформационные параметры процесса ...... 172
7.4. Энергосиловые параметры процесса винтовой прокатки 
........ 176
7.5. Оценка напряженно-деформированного состояния  
металла при поперечной и винтовой прокатке 
................................. 187
7.6. Компьютерное моделирование процесса винтовой  
прокатки ................................................................................................ 204
Глава 8. Процессы раскатки полых заготовок в станах  
продольной и винтовой прокатки 
........................................................216
8.1. Прокатка полых заготовок на короткой неподвижной  
оправке 
................................................................................................... 216
8.2. Раскатка полых заготовок на длинной оправке  
в нескольких клетях стана продольной прокатки ............................ 237
8.3. Процессы раскатки труб на оправке  
в пилигримовых станах ....................................................................... 260
8.4. Процессы раскатки труб на оправке в станах  
винтовой прокатки ............................................................................... 274

Глава 9. Процессы калибрования и редуцирования труб 
..................283
9.1. Непрерывная прокатка труб без оправки ................................... 283
9.2. Основы теории процесса редуцирования труб 
.......................... 284
9.3. Расчет скоростного режима редуцирования .............................. 292
9.4. Энергосиловые параметры процесса 
.......................................... 295
9.5. Холодное редуцирование и калибрование труб ........................ 297
Глава 10. Прессование заготовок и труб .............................................300
10.1. Сущность и основные характеристики процесса ................... 300
10.2. Силовые условия прессования .................................................. 305
10.3. Экспериментально-расчетная методика оценки  
напряженного состояния металла и ресурса пластичности 
при прессовании 
....................................................................................311
10.4. Модель разрушения труб по условиям устойчивости  
процесса прессования 
.......................................................................... 320
10.5. Компьютерное моделирование процесса прессования .......... 328
Раздел III. Процессы холодной периодической прокатки  
и волочения труб ...................................................................................333
Глава 11. Холодная прокатка труб .......................................................333
11.1. Создание и развитие процесса холодной периодической 
прокатки труб 
........................................................................................ 333
11.2. Основы теории процесса холодной прокатки труб  
на станах ХПТ  ..................................................................................... 334
11.3. Основы теории прокатки труб  
на роликовых станах ХПТР ................................................................ 354
11.4. Математическое моделирование процесса  
периодической прокатки ..................................................................... 363
Глава 12. Волочение труб .....................................................................369
12.1. Способы волочения труб 
............................................................ 369
12.2. Напряженно-деформированное состояние металла  
и допустимые степени деформации  
.................................................. 371
12.3. Контактное трение и смазка  
при волочении труб 
.............................................................................. 375
12.4. Усилия при волочении труб ....................................................... 378
12.5. Математическое моделирование процесса  
волочения труб ..................................................................................... 383

Раздел IV. Процессы пластического формоизменения листовой 
трубной заготовки и сварки труб 
.........................................................388
Глава 13. Процессы формовки и сварки труб малого  
и среднего диаметра 
..............................................................................388
13.1. Процессы непрерывного пластического формоизменения 
тонколистовой заготовки  
.................................................................... 388
13.2. Напряженно-деформированное состояние металла  
при непрерывном гибе полосы  
.......................................................... 391
13.3. Расчет усилий при непрерывной формовке полосы 
и сварке труб  ........................................................................................ 395
13.4. Моделирование процессов непрерывного пластического 
формоизменения тонколистовой трубной заготовки ....................... 406
13.5. Процессы сварки труб малого (5...114 мм)  
и среднего (114…480 мм) диаметра 
................................................... 417
Глава 14. Процессы формовки толстолистовой заготовки  
и сварки труб большого диаметра .......................................................423
14.1. Процессы формовки толстолистовой трубной заготовки ...... 423
14.2. Особенности сварки труб большого диаметра 
........................ 437
Глава 15. Математическое моделирование процессов  
пластического формоизменения листовой заготовки  
при производстве труб большого диаметра .......................................440
15.1. Моделирование процесса вальцевой формовки листа ........... 440
15.2. Моделирование процесса прессовой формовки листовой 
заготовки по схеме UOE 
...................................................................... 443
15.3. Моделирование процессов пошаговой формовки 
на прессах по схеме JСO ..................................................................... 445
15.4. Оценка напряженно-деформированного состояния  
листовой заготовки при прессовой формовке .................................. 463
15.5. Моделирование процесса калибрования –  
экспандирования труб большого диаметра 
....................................... 476
Библиографический список ................................................................ 483
Сведения об авторах ............................................................................ 500

ПРЕДИСЛОВИЕ
Многолетний опыт подготовки инженеров-металлургов и инженеров-
механиков в области трубного производства, накопленный 
в Национальном исследовательском технологическом университете 
«МИСиС» на кафедре «Обработки металлов давлением» (в 2006–
2015 гг. – кафедра «Технологии и оборудования трубного производ-
ства»), послужил основой для создания учебника.
Научной базой для подготовки высококвалифицированных кадров 
является теория обработки металлов давлением, по которой авторами 
в 2015 г. издан учебник. Опыт обучения показал, что студенты с боль-
шим трудом усваивают теоретические основы процессов обработки 
металлов давлением, включая процессы трубного производства. Это 
связано с переходом на двухуровневую систему обучения – бакалав-
риат и магистратуру, в связи с чем срок обучения в бакалавриате со-
кратился до четырех лет, а требования к подготовке магистров, полу-
чающих в процессе обучения специализированные знания по теории и 
технологии трубного производства, значительно возросли.
Учебник по основам теории трубного производства был подготовлен 
и издан в 1991 г. авторами И.Н. Потаповым, А.П. Коликовым и В.М. Дру-
яном. За прошедший период в мировой и отечественной трубной про-
мышленности созданы новые процессы производства бесшовных и 
сварных труб, при разработке которых получили развитие современные 
численные методы решения краевых задач ОМД, позволяющие прово-
дить анализ напряженно-деформированного состояния и кинематики 
этих процессов и получать трубы высокого качества.
Авторы стремились подчеркнуть тесную связь общетеоретических 
основ пластической деформации с сущностью процессов производ-
ства бесшовных, сварных и холоднодеформированных труб, харак-
тером формоизменения металла в очаге деформации и кинематикой, 
методами определения основных параметров конкретных процессов.
Учебник состоит из четырех разделов. В первом разделе (гла-
вы 1–4) изложены общие теоретические основы пластической дефор-
мации кристаллических тел и разрушения металлов, рассмотрены 
основные закономерности контактного трения и методы эксперимен-
тального исследования деформаций и контактных напряжений при 
ОМД, а также изложены инженерные методы расчета энергосиловых 
параметров и работы деформации при ОМД. Значительное внимание 

уделено базовым понятиям о моделях и моделировании процессов 
ОМД, представлен анализ современных методов решения краевых за-
дач ОМД: вариационно-энергетических и численных методов, в част-
ности метода сеток, граничных и конечных элементов.
Во втором разделе изложены процессы винтовой, продольной про-
катки и прессования, которые применяются при производстве горя-
чедеформированных труб. Рассматриваются вопросы сущности про-
цесса, его основные преимущества и недостатки, геометрия очага 
деформации, кинематика и действие сил трения в очаге деформации, 
обобщены результаты исследований этих процессов с использовани-
ем методов компьютерного моделирования.
В третьем разделе на современном уровне рассмотрены теорети-
ческие основы процессов холодной периодической прокатки и во-
лочения бесшовной и сварной трубной заготовки, с применением 
математического моделирования описаны особенности напряженно-
деформированного состояния металла и допустимые степени дефор-
мации при прокатке и волочении труб.
Четвертый раздел посвящен описанию процессов пластического 
формоизменения листовой заготовки, которые применяются при про-
изводстве сварных труб малого, среднего и большого диаметра. Рас-
смотрены теоретические основы процесса непрерывного формоизме-
нения штрипса с применением конечно-элементного моделирования.
Особое внимание уделено процессам производства сварных труб 
большого диаметра: описаны способы формовки и сварки, а также 
обобщены результаты моделирования и экспериментального иссле-
дования процессов вальцевой и прессовой формовки толстолистовой 
трубной заготовки и предложены математические модели настроеч-
ных параметров прессового инструмента.
Авторы обобщили результаты исследования теории и математическо-
го моделирования процессов производства бесшовных и сварных труб, 
опубликованные преимущественно в отечественной научно-технической 
литературе, монографиях и многих научных статьях. В каждой главе 
приведены контрольные вопросы, а в конце учебника – библиографиче-
ский список. 
Авторы выражают глубокую благодарность и признательность ре-
цензентам – заведующему кафедрой МТ-10 МГТУ им. Н.Э. Баумана 
А.Г. Колесникову и заведующему кафедрой ИТО НИТУ «МИСиС» 
С.М. Горбатюку.

РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ 
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава 1. МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ 
ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
1.1. Структура кристаллов и дефекты
Кристаллическое строение металлов. Известно, что металлы 
имеют кристаллическую структуру. Основные типы кристаллических 
решеток в металлах приведены на рис. 1.1.
а
б
в
Рис. 1.1. Типы кристаллических решеток: а – объемноцентрированная 
кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК);  
в – гексагональная плотноупакованная – ГПУ [1]
Приведенные три типа решеток свойственны большинству металлов: 
– объемноцентрированная кубическая характерна для α-, β-Fe, K, 
Na, Li, V, W, Ba, Mo, Ta; 
– гранецентрированная кубическая – γ-Fe, Au, Cu, Pt, Ni, Pb, Ag; 
– гексагональная плотноупакованная – Mg, Co, Zn, Be. 
Дефекты кристаллической решетки. Совершенная кристалли-
ческая решетка является идеализированной схемой. В решетке ре-
ального кристалла имеются различные дефекты: вакансии, образу-
ющиеся при уходе атома из узла решетки; межузельные атомы, т.е. 
«лишние» атомы того же сорта, что и атомы, составляющие решетку, 
но для которых не нашлось свободных узлов; примесные (чужерод-

ные) атомы, которые обязательно присутствуют даже в самых чистых 
металлах. Подобные дефекты, связанные с одним атомом, называют-
ся точечными дефектами. Другими несовершенствами кристалли-
ческой решетки являются линейные дефекты, образующиеся в ре-
зультате незавершенного трансляционного смещения одной части 
решетки относительно другой и называемые дислокациями (рис. 1.2). 
В кристаллах также имеются и поверхностные дефекты [1–4].
Рис. 1.2. Виды дислокаций: а – краевая (линейная); б – винтовая; 
b

 – направление сдвига части кристаллической решетки [2, 4]
Рис. 1.3. Зависимость прочности от плотности дислокаций [6]

Суммарная длина дислокационных линий, приходящихся на единицу 
объема, называется плотностью дислокаций, ее размерность 
[см–2]. Плотность дислокаций характеризует насыщенность металла 
дислокациями, в 1 см3 литого или отожженного металла содержится 
до 100 км дислокаций [3, 5]. 
Идеальная (совершенная) кристаллическая решетка без дефектов 
обладает теоретической плотностью (рис. 1.3, левая ветвь кривой). 
Для разрушения такой решетки необходимо разорвать межатомные 
связи путем приложения критического скалывающего напряжения.
1.2. Механизмы пластической деформации  
моно- и поликристаллов
Основным механизмом пластической деформации металлов и 
сплавов является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей 
кристалла относительно других, т. е. сдвиг по плоскостям макси-
мальных касательных напряжений. В этом случае говорят о внутризе-
ренной пластической деформации, основными механизмами которой 
являются скольжение и двойникование [1].
Деформация монокристаллов. Для понимания процессов дефор-
мации поликристаллических тел (металлов) вначале необходимо рас-
сматривать процессы деформации монокристаллов.
Пластическая деформации скольжением происходит по опреде-
ленным кристаллографическим плоскостям – плоскостям сколь-
жения, которые в наибольшей степени упакованы атомами, а в этих 
плоскостях – по направлениям, в наибольшей степени упакованным 
атомами [1]. Если при упругой деформации сместившиеся атомы под 
действием сил притяжения (растяжения) или при отталкивания сжа-
тии) возвращаются в исходное равновесное положение и кристаллы 
приобретают первоначальную форму и размеры, то при пластической 
деформации происходит необратимое перемещение одних частей 
кристалла относительно других – т.е. скольжение одной части кри-
сталла относительно другой по кристаллографической плоскости или 
плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов. В резуль-
тате скольжения кристаллографическое строение перемещающихся 
частей не меняется и остается прежним (рис. 1.4, а). При деформации 
скольжением происходит значительное формоизменение металла.

Рис. 1.4. Схемы пластической деформации: а – скольжением;  
б – двойникованием
Другим механизмом пластической деформации является двойни-
кование, которое осуществляется за счет сдвига, однако в этом слу-
чае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствую-
щее зеркальному отображению несдвинутой части. При деформации 
двойникованием напряжения сдвига больше, чем при деформации 
скольжением. Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение 
по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием 
обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях 
приложения нагрузки и сопровождается повышением сопротивления 
деформированию. Дислокации могут образовываться в процессе пла-
стической деформации по механизму источников Франка – Рида, а 
также в местах концентрации напряжений вблизи дефектов. 
Аморфно-диффузионный механизм пластической деформации 
характеризуется направленным перемещением (диффузией) атомов 
в аморфных (некристаллических) материалах под действием приложенного 
напряжения. Авторы источника [8] полагают, что при определенных 
условиях (при повышенных температурах и давлении) 
в металле также может наблюдаться этот механизм деформации, однако 
значительного формоизменения тела, так же как и при двойниковании, 
не происходит. В зависимости от плотности дислокаций изменяется 
прочность металла (см. рис. 1.3).
Более подробно механизм пластической деформации монокристаллов 
изложен в учебной литературе [3, 6, 13].

Природа и механизм пластической деформации поликристаллов. 
Различия механизмов деформирования поликристаллов и монокристаллов 
следующие:
– деформация поликристалла осуществляется за счет самого зерна – 
внутризеренная деформация скольжением, двойникованием и 
межзеренная деформация (сдвиги, проскальзывание, повороты);
– деформация поликристалла характеризуется неоднородностью 
напряженного состояния зерен поликристалла, поскольку их ориентировка 
и величина различны (рис. 1.5);
– в поликристалле зерна взаимодействуют друг с другом и не мо-
гут деформироваться свободно; 
– зерна имеют границы, которые обуславливают различные свой-
ства внутренних участков зерен и участков, прилегающих к гранич-
ным.
Механизмы деформирования поликристалла И.А. Одинг разбил 
на три группы [8]:
– сдвиговые процессы – скольжение, двойникование;
– диффузионные процессы – растворно-осадительный механизм 
А.А. Бочвара;
– поверхностные процессы – межзеренная пластичность, рекри-
сталлизация, полигонизация.
Механизм внутризеренной деформации поликристалла такой же, 
как и монокристалла, но отличается воздействием зерен друг на дру-
га, поэтому деформация такого металла сложнее.
На рис. 1.5 показана схема деформации растяжением поликри-
сталла, состоящего из различно ориентированных зерен. Пересечение 
возможных плоскостей скольжения в каждом зерне показано штри-
ховкой.
В зернах I, плоскости скольжения которых расположены под 
углом 45о к направлению действующего усилия Р, создаются условия, 
достаточные для пластической деформации скольжением, так как 
в этих плоскостях создаются максимальные касательные напряжения. 
В зернах, плоскости скольжения которых перпендикулярны направ-
лению усилия (зерна типа II и III), условия для пластической дефор-
мации отсутствуют, поскольку касательные напряжения в этих пло-
скостях равны нулю. В результате зерна I в первую очередь начнут 
деформироваться пластически – растягиваться, а остальные – упруго 

(сжиматься), что и вызывает неравномерность напряженного состоя-
ния поликристалла. Для того чтобы пластическую деформацию вы-
звать в зернах типа II и III, необходимо приложить большее усилие.
Рис. 1.5. Схема действия усилия в пластически  
деформированном поликристаллическом теле с различной 
ориентировкой плоскостей скольжения в зернах I–III
Межзеренная деформация. Деформирование поликристалла 
всегда сопровождается межзеренной деформацией. Границы зерен 
не только являются местом стока дислокаций и вакансий, но и могут 
быть источником этих дефектов, насыщая ими объем зерна. Границы 
не являются непреодолимым барьером для дислокаций. Так, винто-
вые дислокации могут «переползать» через большеугловые границы 
и переходить в соседнее зерно, а сами границы могут менять свое по-
ложение (мигрировать), изменяя размер зерен.
При равномерной и весьма мелкозернистой структуре (размер зер-
на не превышает 1…2 мкм), незначительной скорости деформации, 
порядка 10–2…10–4 с–1, узком диапазоне достаточно высоких темпе-
ратур (≥ 0,5Тпл) и малых напряжениях некоторые сплавы проявляют 
высокую пластичность. Деформация протекает при растяжении без 
образования шейки и позволяет увеличить длину образцов в 10–30 и 
более раз, причем с помощью очень малых усилий [1]. Это явление