Файл: Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением.pdf

формируемого тела-заготовки существенного влияния на деформи­ руемость не оказывает. Практически такие материалы превосходно деформируются при всех видах поперечного сечения заготовки без каких-либо разрушений. Для материала же, отличающегося низкой пластичностью, форма заготовки имеет существенное значение.

Если форма деформируемого тела благоприятствует возникно­ вению неравномерности деформации и появлению дополнительных напряжений, то пластичность материала снижается. В работе [61] приводятся результаты исследования влияния-формы исходной заго­ товки на пластичность металла в условиях высокотемпературной прокатки. Для исследования был выбран хромоникелевый сплав 15—50, содержащий 17% молибдена и 4,5% вольфрама и обладаю­ щий сравнительно низкой пластичностью. Прокатывались образцы следующих сечений: прямоугольного, прямоугольного со скошенными углами, двояковыпуклого, двояковогнутого и двояковолиистого (сдвоенная двойная вогнутость). Наименьшую пластичность показали образцы двояковыпуклого и прямоугольного сечений со скошенными углами, наибольшую — образцы двояковолнистого сечения.

Влияние формы сечения на степень предельного обжатия было обнаружено для сплава ЭИ460 при ковке на плоских бойках в интер­ вале температур горячей деформации [61]. Анализ взаимной з а - ' висимости формы исходной заготовки и готового изделия в связи с пластическим поведением материала при прокатке (с точки зрения неравномерности деформации) проведен в работе [29].

В заключение необходимо отметить, что влияние масштабного фактора на пластичность еще недостаточно изучено; существующие литературные данные могут дать лишь качественное представление об этом явлении.

§ 1 0

КОНЦЕНТРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ

Под концентратором напряжений следует понимать любой по­ верхностный или внутренний дефект обрабатываемого материала, который по своей конфигурации и ориентации относительно направ­ ления действия максимального растягивающего напряжения может вызвать изменение схемы объемного напряженного состояния, ло­ кализацию деформации и резкое местное возрастание напряжений. Наличие концентратора напряжений всегда связано с уменьшением пластичности деформируемого металла. Типичными примерами кон­ центратора напряжений являются внутренние трещины, поверх­ ностные надрезы и различные инородные включения внутри обраба­ тываемого металла.

Влияние надрезов имеет локальный характер. Концентрация напряжений и деформаций исчезает на расстоянии порядка несколь­ ких диаметров отверстия (включения). Степень концентрации на­

40

где с — характеристика размера трещины (глубина надреза, по­ лудлина трещины и т. д.);

а — радиус кривизны в вершине ■надреза.

Вопросы концентрации напряжений вблизи отверстий различ­

Степень концентрации напряжений при деформации в теории обработки давлением принято выражать через коэффициенты концен­ трации (К, N и др.), определяемые как отношение значений характе­ ристик (прочностных или пластических), полученных для образцов с надрезом и без надреза в итоге

напряженного растяжения и приводит к разрушению при неболь­ шой номинальной деформации. Так, по мнению Друккера, эллипти­ ческая трещина с отношением максимальных осей 7 : 1 дает коэффи­ циент упругой концентрации напряжений, равный 15; при номиналь­ ной деформации 2% (t = 20° С) вырез может вызвать в области вершины местные деформации порядка 40—50%. При наличии . внутренних концентраторов напряжений в металле, которые чаще всего связаны с включениями, по данным А. С. Ахматова, в вершине трещины напряжение увеличивается до 400% номинального значе­ ния, а при наличии поверхностной царапины — до 140%. В общем случае влияние концентратора напряжений на пластическое поведе­ ние показано на рис. 10 [15].

В природе не существует изделий, не имеющих концентраторов напряжений. Следовательно, при проведении экспериментов по опре­ делению пластичности конкретного материала, необходимо коррели­ ровать результаты, полученные для небольших образцов, при исполь­ зовании этих данных для более крупных изделий. При корреляции полагается занизить полученный показатель пластичности, так как для больших изделий тот же по размеру надрез будет острее, чем для мелких образцов.

41

Применение искусственных надрезов, по нашему мнению, едва ли поможет точно учесть вышеприведенный фактор, так как искусствен­ ный надрез испытуемого образца значительно ужесточает условия испытаний, резко снижая показатель исходной пластичности при растяжении. С другой стороны, применение искусственных надрезов на образцах при испытаниях, имитирующих более «мягкие» схемы деформации (например, на клиновых образцах при -испытаниях на прокатываемость, на крешерах при испытаниях на осадку), по-

больше отношение величин полного и равномерного сужения при разрыве (ф/фр), тем меньше его чувствительность к концентратору напряжений. В работе установлена функциональная зависимость при комнатной температуре показателя чувствительности к надрезу (отношение истинных напряжений разрушения надрезанного и не надрезанного образцов SKJ S J от показателя локальной деформации

(ф/фр) для алюминиевого сплава и для сталей ряда марок: 12ХМФ, ЭИ802, ЭП38, ЭИ853, ЭИ855 и ЭИ437.

В работе [21] рекомендуется для пластичных тел (в противопо­ ложность хрупким) определять чувствительность к надрезу в срав­ нении с чувствительностью ж надрезу идеально пластичных тел.

42

Очевидно, этой рекомендации следует придерживаться лишь в теоре­ тических разработках.

На основании исследования деформируемости при холодной про­ катке клиновых образцов из сталей аустенитного (НЗ, Н5, Н6), ферритного и ферритно-мартенситного (Ф1, Ф5) классов путем срав­ нения пределов пластичности материалов для образцов с надрезами и без них установлено качественное и количественное влияние надреза на предельную пластичность (рис. 11). Сравнительная оценка чув­ ствительности исследованных материалов к надрезу показала, что чувствительность сталей аустенитного класса была в данных усло­ виях наименьшей. Подтверждением может служить полученная зависимость коэффициента чувствительности N к надрезу при испы­ таниях на прокатываемость (температура +20° С) клиновых образ­ цов из сталей марок 1X18IT22B2T2 (аустенитный класс), 1X13 (ферритно-мартенситный класс) и 12ХМСФБ (перлитный класс) от показателя исходной пластичности материала (относительное сужение при разрыве). За показатель надреза N было принято отно­ шение предельной пластичности, полученной при отсутствии искус­ ственного концентратора напряжений (образец без надреза), к пре­ дельной пластичности образца с надрезом (рис. 12). Эта зависимость показывает, что вредное влияние концентраторов напряжений на пластическое поведение материала резко уменьшается с ростом его пластичности, т. е. с удалением от состояния, близкого к охруп­ чиванию. При проведении опытов значение показателя пластичности материала варьировалось путем изменения режима предварительной термической обработки образцов.

Из полученных данных можно заключить, что вредное влияние концентратора напряжений на пластическое поведение материала при обработке давлением уменьшается с ростом исходной пластич­ ности. С другой стороны, даже для пластичных металлов действием концентратора напряжений пренебрегать нельзя. Его необходимо в той или иной степени учитывать при разработке режимов пласти­ ческой деформации любого реального процесса.

§ 11

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ

Под специфическими условиями протекания процесса деформа­ ции, помимо перечисленных.факторов, определяющих любой реаль­ ный процесс, следует понимать ряд явлений, оказывающих воздей­ ствие на пластическое поведение материала в широком диапазоне: от незначительного до существенного. При этом степень воздействия зависит от конкретного процесса обработки. Так, например, силы трения при волочении играют определяющую роль, а при простом растяжении отсутствуют. При прокатке силы трения в зависимости от стадии процесса деформации играют то активную, то пассивную роль. Неравномерность деформации при прокатке фланцевых про-

43

филей очень велика и практически определяет параметры процесса, в то время как неравномерность деформации при прокатке ленты не столь значительна. Наконец, последний пример: применительно к процессам прокатки изделий листового и трубного сортамента значение фактора дробности деформации очень велико, в то время как применительно к процессу прессования крупных профилей и труб этот фактор вообще не учитывается.

Ниже остановимся на ряде таких факторов с указанием степени их влияния на тот или иной процесс обработки давлением.

Силы трения. Процесс возникновения и преодоления сопротивле­ ния при движении одного тела по поверхности другого называют

контактным трением.

Силы трения в большинстве процессов обработки металлов давле­ нием играют очень большую роль [13, 22, 28, 59]. В зависимости от наличия смазочного слоя и от его толщины различают сухое и жидкостное трение (трение в гидродинамическом режиме). Суще­ ствуют также промежуточные виды трения: полусухое, полужидко­ стное, граничное и др.

Сухое трение обусловлено наличием на трущихся поверхностях сухих окислов, а граничное трение— наличием жидких окислов. При жидкостном трении толщина жидкого слоя составляет 0,1 мкм

иболее. Полусухое трение характеризуется тем, что в разных точках контактной поверхности одновременно происходят процессы сухого

играничного трения; при полужидкостном трении имеют место про­ цессы жидкостного и граничного трения одновременно.

При всех видах обработки давлением трение носит полусухой и граничный характер [20]. При обработке металлов давлением смазка всегда выдавливается из очага деформации, поэтому гидродинами­ ческий характер трения возможен в очень ограниченном количестве случаев, при создании специальных условий нагнетания смазки. Практически в природе не существует сухого трения, поверхность трения в той или иной степени всегда загрязнена какими-нибудь посторонними веществами. В работе [28] отмечается, что при холод­ ной прокатке с применением смазки наблюдается полусухое трение, а при горячей прокатке определить характер трения трудно вслед­ ствие различного влияния температурно-скоростного фактора. Сле­ дует отметить, что наиболее близок к процессу граничного трения способ холодного волочения с использованием смазки различного состава. Разработанный Аматоном (1699 г.) и Кулоном (1781 г.) закон сухого трения выражается формулой

Т = f 0P + F,

где Т — сила трения; /о — коэффициент трения;

Р — сила нормального давления;

F — составляющая сил молекулярного сцепления. Пренебрежение составляющей F, принятое в машиностроении (част­

ный закон Аматона Т = f 0P), при обработке металлов давлением недопустимо, так как в данном случае имеют место особые условия,

44