Файл: Поперечно-клиновая прокатка..pdf

Глава III

ОСЕВОЕ РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Вследствие ограниченной пластичности материала и специфичного для процесса клиповой прокатки напря­ женно-деформированного состояния при определенных условиях в сплошной заготовке может происходить осе­ вое разрушение металла (рис. 16). Это явление известно под названием «вскрытие полости», или «эффект Маннесмана». Как правило, вскрытие полости является не­ исправимым браком, так как, во-первых, ее равные края являются концентраторами напряжений, что приводит к резкому сокращению долговечности деталей при их эксплуатации, и, во-вторых, при вскрытии полости рез­ ко падает точность получаемых изделий, так как увели­ чение площади поперечного сечения образца вследствие потери его сплошности приводит к переполнению калиб­ ра. Лишь в некоторых случаях осевое разрушение не приводит к окончательному браку: например, если прокатанную заготовку в дальнейшем штампуют на прессе, то образовавшиеся пустоты могут быть вновь заварены.

Влитературе [35—38] имеется ограниченное количе­ ство частных рекомендаций по устранению осевого раз­ рушения металла в процессе клиновой прокатки, в связи

счем разработка методики расчета вероятности осевого разрушения является очень актуальной.

Впоследнее время все большее внимание уделяется вопросам деформируемости, что вызвано необходи­

мостью пластической обработки новых материалов, мно­ гие из которых являются труднодеформируемыми. Наи­ более совершенные из . существующих теорий деформи-

3 9

Рис. 16. Процесс осевого разрушения в развитии при поперечной про­ катке пластичного материала (а, б, в) и труднодеформируемого ма­ териала (г)

руемости привлекаются в настоящей работе для исследования развития осевого разрушения.

1. Деформируемость металлов и сплавов

Под деформируемостью металлов понимается их спо­

40

объемах образца и накопление их количества до опреде­ ленного предела; вторая стадия процесса начинается после того, как количество микротрещин в элементар­ ном объеме достигнет критической величины, при этом происходят объединение микротрещин 'в макротрещину и распространение последней по определенной поверхно­ сти. Причем вторая стадия процесса протекает при не­ значительном приращении деформации. Если в процессе разрушения преобладает первая стадия, его относят к вязкому разрушению, когда же первая стадия сопровож­ дается незначительными остаточными деформациями, то процесс называют хрупким разрушением.

Наиболее важной для исследования является первая стадия разрушения, так как изучение характера развития макротрещины во второй стадии процесса разрушения практического интереса в рамках поставленной задачи представлять не может. Согласно теории, предложенной В. Л. Колмогоровым [42], накопление микротрещин про­ исходит прямо пропорционально накопленной деформа­ ции. При этом предполагается, что процесс разрушения представляет сумму двух одновременно протекающих явлений: собственно процесса разрушения и процесса «залечивания», или сваривания, микротрещип. Преобла­ дание одного процесса над другим определяют физичекие свойства материала и показатель напряженного

ние наступает после того, как количество микротрещин достигнет критической величины. Поскольку они накап­ ливались пропорционально деформации, то разрушение наступает тогда, когда деформация достигнет критиче­ ской величины. Эту величину определяют скорости воз­ никновения и «залечивания» микротрещин (скоростью в данном случае условимся называть отношение прира­ щения количества микротрещин в единичном объеме к приращению деформации). Если скорость возникновения микротрещин значительно больше скорости их «залечи­ вания», то критическая деформация незначительна, ког­ да же скорость возникновения микротрещин превышает скорость их «залечивания» на незначительную величину, то критическая величина деформации достигнет больших значений. Возможен вариант, когда скорость «залечива­ ния» микротрещип превысит скорость их возникновения.

41

В этом случае разрушение станет невозможным, а кри­ тическая деформация устремится к бесконечности. Если в результате обработки образец получает неоднородную деформацию, разрушение начнется (при прочих равных условиях) в тех его частях, где деформация максималь­ на. Наиболее удобной величиной, характеризующей на­ копленную деформацию в локальных объемах, является степень интенсивности сдвига Л. Таким образом, крите­ рий разрушения может быть записан в виде

где ЛКр — критическая степень интенсивности сдвига —

параметр, характеризующий деформируемость материа­ ла, т. е. его физические свойства.

Критическая степень интенсивности сдвига зависит от многих факторов, которые можно разделить на две груп­ пы. С одной стороны, это внешние условия, в которых де­ формируется образец: напряженное состояние, темпера­ тура, скорость деформации, окружающая среда и прочие; с другой — это природные свойства самого материала: его химический состав, фазовое состояние, размер зерна, способ получения и т. д. Общеизвестно, например, что чем мельче зерно, тем выше механические свойства ма­ териала, а свойства литого образца ниже свойств образ­ ца, полученного обработкой давлением.

Как правило, при разработке процесса прокатки не­ возможно варьировать природными свойствами материа­ ла. исходной заготовкой служит прокат определенного диаметра и заданной марки стали, претерпевший соответ­ ствующую пластическую деформацию и термообработку. В то же время изменением внешних факторов можно создавать более благоприятные условия для деформации без разрушения. В связи с этим следует подробно рас­

смотреть влияние каждого из внешних факторов на де­ формируемость материалов.

В работе [42] высказано предположение, что «залечи­ вание» микротрещип возможно при условии о/Т< 0 (еще раз отметим, что растягивающие напряжения прини­ маются положительными) и соответственно чем меньше показатель напряженного состояния, тем выше скорость «залечивания». ЕІа наш взгляд, это положение подлежит уточнению. Вполне логично предположение, что трещина закрывается при наличии сжимающих напряжений,* но

4 2

всегда необходимо помнить, что мы имеем дело с поли­ кристаллическими телами и напряженно-деформирован­ ное состояние в отдельных кристаллитах и на их грани­ цах характеризуется значительной неоднородностью. Следует различать локальное напряженное состояние в структурных составляющих и макрофизическое напря­ женное состояние, в частности о/Т, найденное при кон-

женного состояния в макрообъеме (о) (а = —0,5 ^г; а=1,6-^г)

и зависимость деформируемости от показателя напряженного состояния меди М2 (б) ( (сти)о-.= —0,5; (7=1,6; 2S=?0,8)

тицуалыюм подходе (например, из уравнений теории пластичности). Макрофизическое напряженное состоя­ ние близко к реальному, которое усредняется в объеме, значительно превышающем размер зерна. Из этого сле­ дует, что вследствие локального перераспределения на­ пряжений в достаточно малых объемах действительное напряженное состояние является весьма неравномерным и в отдельных кристаллитах существует вероятность воз­ никновения как сжимающих, так и растягивающих на­ пряжений независимо от знака показателя о/Т, а про­ цессы возникновения и сваривания микротрещин будут происходить одновременно.

Учитывая кристаллическое строение металлов и спла­ вов, предполагаем, что распределение напряжений в от­ дельных микрообъемах отвечает закону нормального распределения Гаусса (рис. 17, а). Очевидно, что увели­ чение показателя напряженного состояния, налагаемого па всю систему, приводит к повышению относительного

4 3

количества микрообъемов с растягивающим гидростати­ ческим давлением и, наоборот, при уменьшении показа­ теля напряженного состояния. Предположим также, что, когда накопленная деформация в материальной точке достигнет некоторой, постоянной для конкретного мате­ риала величины S, в этой точке появится микротрещина. С другой стороны, известно, что деформация может при­ водить и к свариванию разрозненных частей (сварка трением). При этом чем более высокое сжимающее дав­ ление прикладывается к разрозненным частям, тем мень­ шая требуется деформация. Предположим, что для того чтобы при деформации 5 произошла сварка, требуется относительное давление (а/Т)

Итак, если показатель напряженного состояния в ма­ териальной точке больше (а/Т)а}, после деформации,

равной 5, в ней произойдет микроразрушение. Если этот показатель меньше (а/Т),,-, разрушения в ней не будет.

В макрообъеме образца, когда показатель напряжен­ ного состояния равен а/Т, относительное количество мик­ рообъемов, где появится микротрещина после прираще­ ния деформации на величину 5, равно

где а — дисперсия вероятностного распределения показате­ ля напряженного состояния.

Следовательно, при деформации S в макрообъеме полное насыщение микротрещинами получит его Q часть'. Для полного насыщения, учитывая ранее принятое пред­ положение [42], что накопление микротрещин происходит пропорционально деформации, потребуется деформация, равная S/Q.

Приведенные выше рассуждения строились на пред­ положении, что деформированное состояние равномерно по всему объему образца. Объективнее же предположить, что оно распределяется не равномерно, а по закону рас­ пределения Гаусса. В этом случае после деформации макрообъема на величину S, которая равна математи­ ческому ожиданию кривой вероятностного распределе­ ния деформаций, появление микротрещин произойдет в его 0,5 Q части. Полное же насыщение обьема микротре­ щинами произойдет при деформации, равной 2S/Q. .

4-1