Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением

Подождите немного. Документ загружается.

111

3. инструмент теряет сплошность, и это не может не вызвать некоторого

возмущения в напряженно-деформированном состоянии исследуемого

материала, которое трудно оценить.

Поэтому одной из труднейших задач остается экспериментальное

определение напряженного состояния в объеме деформируемого тела.

Контрольные вопросы

1. Что такое тензоэффект?

2. Назначение месдозы.

3. Устройство месдозы.

4. Схемы соединения тензодатчиков.

5. Как разместить тензодатчики на поверхности универсального штифта для

измерения нормальных напряжений?

6. Как разместить тензодатчики на поверхности универсального штифта для

измерения касательных напряжений?

7. Недостатки способа определения напряжений с использованием

тензодатчиков?

ЛЕКЦИЯ 22

МЕТОД КООРДИНАТНЫХ СЕТОК

План лекции:

1. Метод координатных (делительных) сеток.

2. Способы нанесения сеток.

3. Расчет приращения деформаций по искаженной координатной сетке.

4. Факторы, влияющие на точность полученных результатов.

Экспериментальное изучение распределения деформаций в теории

ОМД проводят с помощью метода координатных (делительных) сеток.

Существует несколько приемов практического осуществления этого метода,

среди которых можно отметить получивший широкое распространение в

лабораторной практике метод изучения характера течения металла с

помощью слоистого пластилина. В целом же он достаточно хорошо

разработан для плоского деформированного и напряженного состояний,

осесимметричного течения, для определения деформаций поверхности

112

обрабатываемого тела свободной от воздействия инструмента и деформаций

по плоскостям симметрии объемного течения.

Сущность метода заключается в следующем. Деформируемый образец

разрезают вдоль его оси по одной из диаметральных плоскостей (плоскость

симметрии) на две половинки. На плоской поверхности одной из них делают

продольные и поперечные риски с постоянным шагом, образующие

прямоугольную сетку (нанесение сетки можно производить и типографским

способом).

Затем на поверхность разъема наносят какой-либо разделительный

состав (жидкое стекло, сплав Вуда), предохраняющий от сваривания, после

чего обе половинки складывают, скрепляют друг с другом и деформируют.

После деформации образец разъединяют и по изменениям формы и размеров

ячеек сетки судят о характере и величине деформации в различных его

точках.

На рис. 22.1 показаны вид и параметры одной из ячеек координатной

сетки, нанесенной на плоскость разъема образца до деформации и после.

Рис. 22.1. Параметры ячейки до и после деформации

Обработка результатов производится в следующей последовательности:

1. Рассчитывают параметры деформированной ячейки по главным

направлениям 1 и 2, соответствующим сторонам исходной квадратной

ячейки:

γsin

222

2222

dbdb

c −













;

113

γsin

222

2222

dbdb

c −













−

2. Определяют величины логарифмических деформаций в направлении осей

1 и 2:

ln=ε

;

ln=ε

Отрицательное значение ε свидетельствует о том, что в этом

направлении произошло уменьшение размеров ячейки.

3. Находят степень деформации сдвига в рассматриваемом сечении:

2 εε+ε+ε=λ

Сравнение двух любых соседствующих ячеек показывает деформацию

ячейки за некоторый интервал времени. При этом предполагается, что в

пределах ячейки она однородна и равна среднему значению по объему,

ограниченному ячейкой.

Если речь идет о нестационарном процессе обработки давлением,

деформацию дробят на малые ступени так, чтобы на каждой из них был

применим данный аппарат.

Степень деформации сдвига металла той или иной ячейки за k ступеней

равна

∑

λ=λ

Точность определения такой локальной характеристики зависит от

степени неоднородности деформации и должна увеличиться с уменьшением

размера ячейки. Точность получаемых результатов зависит также и от

относительной точности измерения размеров ячейки, а она падает с

уменьшением ее размеров.

114

Контрольные вопросы

1. В чем суть метода координатных сеток?

2. Что можно определить методом координатных сеток?

3. В каких случаях пластического течения эффективно применять метод

координатных сеток?

4. В какой последовательности происходит обработка полученных

экспериментальным путем результатов?

5. Каково назначение разделительного слоя?

6. От каких факторов зависит точность полученных результатов?

Раздел 7. Сопротивление металлов и сплавов деформации

ЛЕКЦИЯ 23

ПОНЯТИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

План лекции:

1. Пластическая деформация при различных температурно-скоростных

условиях.

2. Понятие сопротивления деформации.

3. Параметры, на которые оказывает влияние сопротивление деформации.

4. Процессы возврата и рекристаллизации.

Основным признаком, по которому в теории ОМД производится

деление пластической деформации на виды, является температура. Она

определяет соотношение процессов упрочнения и разупрочнения,

происходящих параллельно в деформируемом теле.

Поэтому прежде, чем перейти непосредственно к характеристике видов

обработки металлов, необходимо дать понятие об упрочнении и

разупрочнении.

Совокупность явлений, связанных с изменением свойств металлов в

процессе пластической деформации, называется деформационным

упрочнением или наклепом.

Различные металлы по-разному воспринимают наклеп. Но для

большинства из них он сопровождается ростом прочностных характеристик с

увеличением степени деформации ε. С развитием деформации интенсивность

115

упрочнения уменьшается, при некоторой степени деформации достигается

предел упрочнения, после чего сопротивление деформации остается

практически постоянным или даже уменьшается.

Это объясняется тем, что при деформации идут динамические

процессы разупрочнения, которые при увеличении деформации ускоряются

настолько, что не только нивелируют дальнейший прирост сопротивления

деформации, но и отчасти снимают упрочнение, достигнутое на предыдущих

этапах деформации.

Упрочняющие и разупрочняющие процессы протекают во времени с

определенными скоростями, обусловленными условиями деформации и

природой деформируемого металла. В зависимости от того, какой из

процессов является преобладающим, результаты деформации будут

различны.

Различают горячую, теплую и холодную деформации.

Пластическую деформацию металлов называют горячей, если она

осуществляется при температуре, равной или выше температуры начала

рекристаллизации (Т ≥ Т

рекр

). Рекристаллизация (Т

рекр

= 0,4 ⋅ Т

пл

), т.е. процесс

роста новых недеформированных зерен, вызывающий восстановление всех

первоначальных физико-механических характеристик металла, успевает

пройти полностью, искажения кристаллической решетки отсутствуют.

Теплой называют такую деформацию, при которой рекристаллизация

отсутствует, но успевает произойти процесс возврата. Температура

деформации выше температуры начала возврата (Т

возв

≤ Т < Т

рекр

), при этом

скорость деформации должна быть такой, чтобы возврат успевал произойти

полностью. Перегрев до невысоких температур (Т

возв

= 0,25...0,3 ⋅ Т

пл

) при

теплой деформации, не вызывая окисления поверхности (это характерно для

горячей деформации), несколько снижает сопротивление деформации и, что

очень важно, повышает пластичность из-за появления новых систем

скольжения. В результате теплой деформации металл получает полосчатую

микроструктуру без следов рекристаллизации, а при значительной

деформации - текстуру деформации. Применяют ее, в основном, при

обработке труднодеформируемых сплавов.

При холодной деформации рекристаллизация и возврат полностью

отсутствуют и деформированный металл имеет все признаки упрочнения.

Температурный интервал холодной деформации расположен ниже

температур начала возврата (Т < Т

возв

). В результате холодной деформации

сопротивление металла деформации увеличивается, пластичность

116

уменьшается. Используется она обычно на конечных стадиях получения

изделий для обеспечения точности размеров, требуемого уровня свойств и

высокого качества поверхности.

Согласно приведенной классификации холодная и горячая деформации

не связаны с конкретными температурами нагрева, а зависят только от

протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Определить вид

деформации можно по заданной температуре обработки металла (табл. 23.1).

Таблица 23.1

Установление вида деформации по заданной температуре обработки

Металл

оьр

С Θ

пл

, К Т

рекр

, К

рекр

Вид

деформации

250

400

327

660

1083

600

933

1356

240

373

542

-33

100

269

Горячая

Холодная

Горячая

Холодная

Горячая

Так, например, деформация свинца при комнатной температуре будет

относиться к горячей деформации, так как температура рекристаллизации

этого металла расположена в области отрицательных температур.

Сопротивление металлов пластической деформации является важной

характеристикой свойств обрабатываемого металла, позволяющей судить о

его прочности, а следовательно, и о тех нагрузках, которые необходимо

развить, чтобы осуществить пластическую деформацию металлов. Кроме

того, величина сопротивления деформации входит в расчетные

аналитические формулы в виде сомножителя (например, в физические

уравнения связи напряженного и деформированного состояний), поэтому

точность при ее нахождении в значительной степени определяет точность

того или иного расчетного метода.

Сопротивлением металла пластической деформации (обозначается σ

единицы измерения

мм

МПа = ) называют напряжение одноосного

растяжения или сжатия в условиях развитой пластической деформации.

В некоторых учебниках под это определение подпадает величина

предела текучести. Она (вместе с известными из курса «Детали машин»

117

величинами предела упругости и предела прочности) представляет

совокупность прочностных характеристик, получивших название условных:

их определяют как частное от деления нагрузки в момент деформации

образца на его исходную площадь поперечного сечения. Когда деформация

образца мала, площадь его поперечного сечения незначительно отличается

от исходной, тогда такое определение напряжения имеет физический смысл.

При больших деформациях образца, которые наступают за пределом

текучести, необходимо определять истинное напряжение, равное частному от

деления силы в определенный момент времени на площадь поперечного

сечения образца в тот же момент.

Вычислим интенсивность касательных напряжений, соответствующую

сопротивлению металлов пластической деформации:

( ) ( ) ( )

3311

3322

2211

= σ−σ+σ−σ+σ−σ⋅Т

, (23.1)

где σ

, σ

– главные нормальные напряжения.

По определению:

при одноосном растяжении σ

= σ

, σ

= σ

= 0;

при одноосном сжатии σ

= σ

= 0, σ

= σ

Подставив то или другое условие в формулу (23.1), получим:

,Т σ⋅≈

580

= . (23.2)

Эта величина равна сопротивлению деформации сдвига τ

, т.е.

=τ .

Вместе с тем следует отметить, что при деформации нагретого металла

в нем наряду с упрочнением протекают и разупрочняющие процессы: возврат

и рекристаллизация.

При нагреве амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается, и

это облегчает возвращение атомов в положение устойчивого равновесия. В

результате этого величина дополнительных напряжений (а следовательно, и

остаточных напряжений), возникающих в процессе деформации, снижается и

118

происходит частичное возвращение механических и физико-химических

свойств металла к исходному состоянию. Это называется возвратом.

Возврат проявляется при сравнительно низких температурах.

Для чистых металлов

= (0,25 – 0,3)Т

ПЛ

где Т

– абсолютная температура возврата,

ПЛ

– абсолютная температура плавления.

Наличие примесей в металле приводит к увеличению температуры

возврата, поэтому у сплавов она выше.

Возврат в процессе обработки приводит к некоторому уменьшению

сопротивления деформации и увеличению пластичности. Тем не менее,

деформирование при температурах возврата сопровождается упрочнением,

хотя интенсивность его несколько меньше, чем при холодной деформации.

Возврат не оказывает влияния на размеры и форму зерен и не препятствует

образованию текстуры деформации.

Возврат протекает во времени, с увеличением температуры скорость

возврата увеличивается. Эффект возврата зависит от соотношения между

температурой и скоростью деформации. Повышение скорости деформации

при данной температуре может снизить эффект возврата.

Возврат происходит также при нагреве (отжиге) металла после его

холодного деформирования. В результате возврата

холоднодеформированного металла повышается его сопротивление

коррозии, почти полностью снимаются остаточные напряжения первого и

второго рода.

Увеличение температуры сверх температуры возврата ведет к

возникновению процесса рекристаллизации.

Рекристаллизация заключается в зарождении и росте новых зерен

взамен деформированных. Зародышами новых зерен (центрами

рекристаллизации) обычно становятся отдельные блоки, обломки зерен на

плоскостях скольжения с относительно правильной, не искаженной в

процессе деформации кристаллической решеткой.

Рекристаллизация обусловлена тем, что с повышением температуры

энергетический потенциал атомов увеличивается настолько, что они

получают возможность перегруппировки и обмена местами. К зародышам,

имеющим относительно правильное строение, пристраиваются смежные

119

атомы, и начинают расти новые зерна. Новые зерна увеличиваются в

размерах и со временем могут полностью поглотить атомы

деформированных зерен. Вследствие одинаковой возможности роста новых

зерен по всем направлениям они оказываются равноосными, т.е. имеют

одинаковые размеры во всех направлениях.

Для чистых металлов температура начала рекристаллизации

определяется соотношением

рекр

≈ 0,4 Т

ПЛ

где Т

рекр

– абсолютная температура начала рекристаллизации.

У сплавов температура начала рекристаллизации выше, чем у

металлов, составляющих этот сплав. Чем сложнее легирован сплав, тем выше

его температура начала рекристаллизации.

Процесс рекристаллизации протекает во времени с некоторой

скоростью. Чем выше температура и степень деформации, тем выше

скорость рекристаллизации. Конечный результат зависит от соотношения

между скоростью деформации и скоростью рекристаллизации. Если за время

деформации рекристаллизация успеет пройти полностью, то изменения

свойств металла, вызываемого упрочнением, не произойдет.

Размер рекристаллизованных зерен зависит в первую очередь от

температуры, при которой происходит рекристаллизация, и степени

деформации. Связь между величиной зерна после рекристаллизации,

температурой и степенью деформации характеризуется так называемыми

объемными диаграммами рекристаллизации второго рода. Диаграммы

рекристаллизации строятся по результатам экспериментальных исследований

и являются характерными для каждого металла и сплава.

Диаграммы рекристаллизации имеют очень большое практическое

значение. Они показывают, с какой степенью деформации, и при какой

температуре следует вести процесс обработки данного металла, чтобы

избежать появления крупного зерна. Крупнозернистый металл имеет

пониженную пластичность и в большинстве случаев нежелателен (иногда,

например, при производстве электротехнических сталей, наоборот,

желательно иметь крупное зерно).

Рекристаллизация происходит также и при нагреве

холоднодеформированного металла до температуры, превышающей

температуру начала рекристаллизации (рекристаллизационный отжиг).

120

Величина зерен, получающихся после рекристаллизованного отжига

холоднодеформированного металла, так же как и при рекристаллизации

обработки, зависит от степени предшествующей деформации, температуры

отжига, времени выдержки при этой температуре и характеризуется

диаграммами рекристаллизации первого рода.

Текстура деформации в процессе рекристаллизационного отжига

может исчезнуть, сохраниться или измениться, т.е. превратиться и текстуру

рекристаллизации. Возникновение текстуры рекристаллизации объясняется

тем, что зародыши новых зерен, существующие в холоднодеформированном

металле, имеют преимущественную ориентировку кристаллографических

осей в пространстве.

Наличие текстуры рекристаллизации приводит к анизотропии

механических и физических свойств в отожженном металле и,

следовательно, отражается на служебных свойствах изготовляемых из пего

деталей.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение горячей, теплой и холодной деформации?

2. Что такое «возврат»?

3. Что такое «рекристаллизация»?

4. Как влияют примеси в металле на температуру возврата?

5. Дайте определение сопротивления металла пластической деформации.

6. При каких температурах в чистых металлах протекают возврат и

рекристаллизация?

ЛЕКЦИЯ 24

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ

План лекции:

1. Стандартизованные методы определения сопротивления деформации

(растяжение, сжатие и кручение).

2. Сущность каждого из перечисленных методов, расчетные формулы,

преимущества и недостатки.

3. Показатели, характеризующие величину деформации при том или ином

методе испытания.