Файл: Поперечно-клиновая прокатка..pdf

К сожалению, в настоящее время неизвестны испыта­ ния, которые позволили бы выполнить все поставленные условия. Поэтому приходится выбирать те из них, кото­ рые отвечают большинству условий «идеального» испы­ тания. В связи с этим, как правило, для определения деформируемости пользуются несколькими методами ис­ пытаний. Рассмотрим некоторые из них.

Растяжение цилиндрических образцов. Пластиче­ ская деформация при растяжении протекает в два этапа. Первый этап — линейное равномерное растяжение об­ разца (рис. 19, а). Накопленная деформация определяет­ ся по формуле

где d0 — исходный диаметр образца; d\ — текущий диа­ метр образца в процессе деформации.

Показатель напряженного состояния постоянен и равен а/Г = 0,58. Второй этап растяжения — образование шейки и локализация деформации. Момент образования шейки определяет характер деформационной кривой уп­ рочнения, точность геометрических форм образца и не­ постоянство его механических свойств. Второй этап де­ формации характеризуется значительной неравномер­ ностью напряженно-деформированного состояния как по сечению образца, так и во времени [47]. Наибольшее растягивающее гидростатическое давление реализуется на оси, поэтому окончательному разрыву образца пред­ шествует образование полости в этом месте. При опреде­ лении накопленной деформации и показателя напряжен­ ного состояния исходят из предположения о их равномер­ ном распределении по сечению, что приводит, несомненно, к ошибке. Накопленная деформация опре­ деляется по формуле (54), показатель напряженного состояния — по формуле [48]

(55)

где di — текущий диаметр образца по шейке; R — радиус кривизны контура продольного сечения образца в месте шейки.

5 9

С увеличением отношения возрастает показатель на­

ние цилиндрического образца позволяет относительно точно выполнить условия 2, д, е «идеального» испытания. Условие а выполняется частично только при линейном растяжении образца. Верхний предел показателя напря­ женного состояния ограничивается пластичностью мате­ риала: чем выше деформируемость материала, тем ниже предел. Вызвано это тем, что заданное в исходном об­ разце отношение d/R в процессе деформации умень­ шается.

Поэтому для материалов с относительно высокой пла­ стичностью показатель напряженного состояния допусти­ мо определять в диапазоне 0 ,5 8 ^ а /7 '^3 .

Сдвиг при растяжении происходит по множеству пло­ скостей, расположенных под углом 45° к оси образца. Относительно материальных частиц образца при его удлинении плоскости сдвига обновляются. Для нахожде­ ния критической степени интенсивности сдвига коэффи­ циент А (44) следует принять равным 2.

Итак, испытание растяжением не является достаточно строгим (выполняются три условия «идеального» испы­ тания). С уменьшением деформируемости материала достоверность результатов повышается. Показатель напряженного состояния можно изменять в диапазоне

0,58—3,0.

Кручение тонкостенной трубы. Известны два вида испытаний кручением: кручение цельного цилиндрическо­ го образца и кручение тонкостенной трубы. Предпочте­ ние следует отдавать второму виду, так как при кручении цилиндрического образца накопленная деформация в отдельных участках заготовки пропорциональна расстоя­ нию от оси: на оси она равна нулю, на поверхности мак­ симальна. Разрушение начинается в поверхностном слое, а определить момент начала разрушения практически трудно. Полное разрушение образца происходит при значительно больших деформациях (приблизительно в 2 раза).

При кручении тонкостенной трубы (рис. 19, в) сдвиг происходит но плоскостям, перпендикулярным к оси заго­

60

товки, напряженно-деформированное состояние постоян­ но во времени и равномерно по объему образца. Показа­ тель напряженного состояния равен нулю, накопленная деформация вычисляется по формуле

Л = + ^н) Ф ( (56)

где du, dBH— наружный и внутренний диаметры образца; / — длина деформируемой части образца; <р — угол (в радианах), на который поворачиваются жесткие ча­ сти образца.

Испытание кручением тонкостенной трубы позволяет выполнить условия а, б, в, д, е «идеального» испытания. Изменение показателя напряженного состояния можно производить при помощи специального устройства [50] путем нагнетания жидкости под давлением внутрь и сна­ ружи трубы.

Недостатком данного способа испытания является локализация деформации по одной плоскости в момент, предшествующий разрушению образца, в связи с чем невозможно точно оценить накопленную деформацию. Менее существенным недостатком является потеря устой­ чивости трубы, что устраняется подбором соответствую­ щих размеров образца и соосностью элементов прибора.

Кручение тонкостенной трубы является относительно строгим методом испытания: выполняются пять условий «идеального» испытания. При этом можно определить деформируемость материала при показателе напряжен­ ного состояния, равном нулю и менее. Следует учитывать, что полученные данным методом результаты будут не­ сколько занижены.

Поперечная прокатка. При поперечной прокатке с от­ ношением длины заготовки к ее диаметру более 2 показа­ тель напряженного состояния на оси постоянен. Измене­ нием степени обжатия можно изменять его в пределах от + 1,5 до —0,2. Подбором соответствующей скорости прокатки поддерживаются постоянными температурные условия в процессе испытания. Определив количество циклов нагружения до разрушения образца по формуле (47), можно узнать его деформируемость.

Поперечная прокатка позволяет выполнить три усло­ вия «идеального» испытания: б, г, е. Условие а также можно считать выполненным, так как деформируемость

61

определяется для ограниченного объема в сердцевине, а в пределах этого объема напряженное состояние допу­ стимо считать постоянным. Преимуществом метода яв­ ляются его простота и низкая трудоемкость экспери­ мента.

Кроме приведенных, существуют другие, реже приме­ няемые методы определения деформируемости, с которы­ ми можно ознакомиться в работах [50, 51].

Рис. 21. Дефоомируемость (а) меди М2 '(/), технического свинца СО (3), алюминия АД-1 (2) и деформируемость (б) стали 45 (/ — 900°С; 2 — 1000°; 3 —■1100°; 4 — 1200 °С) в зависимости от показателя на­ пряженного состояния

Описанные выше методы использовались для опреде­ ления деформируемости ряда материалов. Результаты приведены в табл. 4 и на рис. 21.

Одним из факторов, влияющих на критическую сте­ пень интенсивности сдвига и относящихся к так называе­ мым природным свойствам, является технологическая наследственность, т. е. история его получения. Так, напри­ мер, прокат различного диаметра проходит фактически различную обработку: прокат меньшего диаметра полу­ чается за большее количество проходов с соответственно большей уковкой. Дополнительное пластическое формо­

шению деформируемости. Для количественной оценки влияния данного фактора на деформируемость материала методом поперечной прокатки определена критическая степень интенсивности сдвига образцов из стали 45, выто­ ченных из сердцевины горячекатаного металла диаметром

62

материала в 1,7 раза при прочих равных условиях. Выше речь шла о критической степени интенсивности

сдвига как о величине постоянной. На практике мы стал­ киваемся с тем, что у исходного материала в некоторых пределах отличается химический состав, а при его полу-

Рис. 22. Деформируемость стали 45 (а) в зависимости от ис­ ходного диаметра заготовки и характер вероятного распреде­

ления (б) деформируемости (диаметр 15 мм): (а=2,75; а = -0,134)

чении, несомненно, параметры технологических процессов также не бывают строго постоянны. Поэтому свойства исходного материала, в том числе и его деформируе­ мость,— величины переменные. Кроме того, колебание температуры нагрева (если процесс осуществляется с нагревом) вызовет увеличение пределов, в которых изме­ няется деформируемость материала.

Методом поперечной прокатки с использованием тео­ рии математической статистики определена вероятность распределения критической степени интенсивности сдви­ га для заготовок из стали 45 диаметром 15 мм, взятых произвольно из различных партий поставок; температура нагрева поддерживалась 900+50 °С. Результаты экспе­ римента приведены на рис. 22, б. Анализ результатов по­ казывает, что основным фактором для горячих процес­ сов, влияющим на разброс результатов, является темпе­ ратура, когда она изменяется в относительно широком диапазоне (в реальных технологических процессах ОМД, как правило, не удается поддерживать температуру точ­ нее ±20°). В первом приближении, если температура

63

где Афг,, Лкрг2— деформируемость материала при темпе­ ратурах Тх и Г2.

4. Осевое разрушение при клиновой прокатке

Кинематика и напряженно-деформированное состоя­ ние при клиновой прокатке и при обычной поперечной прокатке с отношением длины заготовки к ее'диаметру менее 2 имеют много общего*. Не вызывает сомнения, что влияние технологических параметров на процесс разру­ шения в обоих случаях будет носить одинаковый харак­ тер. Так, если при поперечной прокатке уменьшение от­ ношения длины заготовки к ее диаметру вызывает умень­ шение накопленной за цикл нагружения деформации, то, вероятно, при клиновой прока-тке увеличение угла а и уменьшение угла ß будут приводить к аналогичным по­ следствиям. Накопленная за цикл нагружения деформа­ ция в обоих случаях будет увеличиваться с повышением степени обжатия. Показатель напряженного состояния при поперечной прокатке имеет резкое отличие в случае прокатки с «жесткими» или со свободными концами. Сле­

дет на торец заготовки и начнет - образовываться утяжина.

При клиновой прокатке количество циклов нагруже­ ния N определяется геометрией инструмента, степенью обжатия и условиями трения.

Эти лее параметры влияют на накопленную за цикл нагружения деформацию на оси заготовки Ау. При зна­ копеременной деформации, которая осуществляется в сердцевине образца при клиновой прокатке, разрушение наступает тогда, когда условная накопленная деформа­ ция AyN ( l-fln A )-1 превысит критическую степень ин­ тенсивности сдвига ЛІф. Составляющие условной накоп­ ленной деформации — количество циклов нагружения и накопленная за цикл нагружения деформация — зависят

64

клина не оказывает значительного влияния на показатель напряженного состояния. С уменьшением угла наклона боковой грани показатель напряженного состояния сни­ жается (см. рис. 15, б), причем это наиболее сильно сказывается при прокатке с «жестким» концом. С увели­ чением степени обжатия показатель напряженного со­ стояния также уменьшается; при степени обжатия до 1,2—1,35 он ниже при прокатке без «жесткого» конца, а при степени обжатия свыше 1,2—1,35— при прокатке с «жестким» концом. Эта зависимость оказывает преиму­ щественное влияние на место вскрытия полости, которая может начать развиваться с торца или с центра детали.

Снижение показателя напряженного состояния с уменьшением угла наклона боковой грани связано с уменьшением осевой растягивающей силы PY, которая приводит к снижению гидростатического давления. Одна­ ко снижение показателя о/Т не всегда приводит к повы­ шению ресурса пластичности, так как при этом также увеличивается количество циклов нагружения и соот­ ветственно условная накопленная деформация. Вопрос об изменении ресурса пластичности определяют количе­ ственные изменения критической (зависящей от свойств материала) степени интенсивности сдвига и условной накопленной деформации.

При прокатке с «жестким» концом показатель напря­ женного состояния может быть с достаточной точностью определен по эмпирической формуле

при б< 2 , 15°< а^60°, 3°<ß<15°.

Используя формулы (58) —(60), нетрудно определить запас пластичности материалов, т. е. процентное отноше­

66