Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением
Подождите немного. Документ загружается.
131
Учитывая, что ∆l/dt = υ, из последних уравнений получим соотношение
между скоростями деформации и деформирования при равномерном
растяжении:
01
1
l
υ
=ξ ;
02
2
l
υ
=ξ
Таким образом, при заданной скорости деформирования скорость
деформации при равномерном растяжении обратно пропорциональна длине
образца.
В реальных процессах обработки взаимосвязь между скоростями
деформирования и деформации установить значительно сложнее, однако и
там различие между этими скоростями сохраняется.
В теории ОМД принято сопротивление деформации при горячей
обработке представлять в зависимости от степени деформации ε при
постоянных скорости (ξ = const) и температуре (Θ=const) испытания.
Эти зависимости получают на испытательных машинах специальной
конструкции, которые называют пластометрами. Обычные типовые
испытательные машины не позволяют осуществлять испытания при
скоростях, характерных для горячей пластической обработки.
На схеме пластометра конструкции Уральского завода тяжелого
машиностроения (рис. 26.1) электродвигатель 1 постоянного тока, имеющий
плавную регулировку угловой скорости, приводит во вращение
расположенный на валу управляемый сменный кулачок 2 с особой
профилировкой рабочего участка.
В момент испытания кулачок выдвигается в рабочее положение и через
ролик 3 толкает плунжер 4 гидравлического цилиндра. Рабочая жидкость
(смесь спирта с глицерином) передает усилие на плунжер 5. На нижнем
конце штока укреплен боек, на верхнем - захват. При испытании на сжатие
образец помещают в позицию 7, на растяжение - в позицию 6. Одновременно
с помощью тензометрической аппаратуры регистрируются перемещение и
скорость подвижного бойка, а также усилие деформирования.
132
Рис. 26.1. Схема кулачкового пластометра для определения
сопротивления деформации
Поскольку размер образца (при осадке - высота, при растяжении -
длина) непрерывно изменяется, то, в соответствии с определением скорости
деформации,
h
ϑ
=ξ или
l
ϑ
=ξ ,
для соблюдения условия ξ=const необходимо изменять скорость
деформирования (скорость подвижного бойка или захвата) ϑ по
определенному закону. С этой целью и выполняется особая профилировка
кулачка. В опытах на осадку она должна обеспечить постепенное снижение ϑ
(в этом случае на кулачке имеется углубление), а в опытах на растяжение -
увеличение ϑ (кулачок выполняется с выступающей частью).
Пластометры обладают малой мощностью, поэтому способны
деформировать только небольшие образцы. В связи с трудностью
предупреждения их остывания существуют жесткие требования к точности
нагрева и поддержания в процессе опыта температуры образца.
Основные механизмы пластической деформации при горячей
обработке те же, что и при холодной: внутризеренный скольжением и
133
двойникованием и межзеренный взаимным перемещением и поворотом
зерен.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы влияют на сопротивление металла пластической
деформации при горячей обработке?
2. Какова зависимость сопротивления металла пластической деформации от
температуры?
3. Что такое «скорость деформирования»?
4. Что такое «скорость деформации»?
5. Принцип действия пластометра.
6. Каковы механизмы пластической деформации при горячей обработке?
ЛЕКЦИЯ 27
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ
План лекции:
1. Зависимость сопротивления деформации от термомеханических
параметров.
2. Физическая природа влияния отдельных факторов (химический состав,
структура, температура, скорость и степень деформации, история
нагружения) на сопротивление деформации.
Факторы, оказывающие влияние на величину сопротивления
деформации при горячей обработке давлением, можно условно разделить на
две группы:
факторы, связанные с условиями протекания процесса;
факторы, связанные со свойствами металла.
Рассмотрим влияние факторов, входящих в первую группу.
1. Степень деформации.
Почти у всех цветных металлов и сплавов сопротивление деформации в
области малых степеней деформации растет с увеличением ε (рис.27.1).
После достижения максимума (при ε = ε
кр
), зависящего от многих факторов,
более сильно начинает проявляться действие процесса динамического
разупрочнения, что приводит к уменьшению σ
S
с дальнейшим ростом
степени деформации.
134
Рис. 27.1. Зависимость сопротивления деформации от степени деформации
При одинаковой скорости упрочнения и разупрочнения сопротивление
деформации не зависит от степени деформации. Иногда величина σ
s
при
больших степенях деформации может быть меньше, чем исходная при
одинаковых прочих условиях деформации. Степень деформации, при
которой происходит разупрочнение, почти не зависит от скорости
деформации. При увеличении температуры деформации она уменьшается.
2. Температура.
При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых
колебаний атомов, все прочностные характеристики, в том числе и
сопротивление деформации, понижаются. Каждый сплав имеет свои
особенности, нарушающие в некоторых узких температурных интервалах
монотонный характер изменения сопротивления деформации от
температуры. Такая картина наблюдается в том случае, если при повышении
температуры в сплаве происходят физико-химические процессы, что может
привести к повышению σ
S
в интервале температур протекания этих
процессов.
На графике (рис. 27.2) показано влияние температуры на характер
зависимости σ
S
= f(ε) при ξ = const.
135
Рис. 27.2. Влияние температуры на характер зависимости
сопротивления деформации от степени деформации
Соотношение температур подчиняется условию Θ
1
< Θ
2
< Θ
3
, т.е.
верхняя кривая соответствует минимальному значению Θ. По графику
(рис.3.7) видно, что с увеличением температуры уменьшается степень
деформации, при которой начинается разупрочнение.
На основе многочисленных экспериментов было установлено, что для
металлов и сплавов, не имеющих физико-химических превращений в
рассматриваемом интервале температур, изменение σ
S
с изменением Θ
подчиняется экспоненциальной зависимости
Математическая запись этого закона такова:
(
)
21
2
1
e
Θ−Θα
⋅σ=σ
SS
,
где
1
S
σ
и
2
S
σ
- значения сопротивления деформации при температурах,
соответственно, Θ
1
и Θ
2
;
α - температурный коэффициент, постоянный для данного металла.
3. Скорость деформации.
Обработка давлением на прессах и ковочных машинах ведется при
средней скорости движения рабочего органа машины в пределах примерно
0,1...0,5 м/с. При обработке на молоте воздействие на металл носит уже
динамический характер; скорость бабы молота в момент удара составляет 5-
10 м/с, а весь процесс деформации за один удар длится лишь сотые доли
секунд. Еще более высокие скорости деформирования возникают при
136
штамповке на высокоскоростных молотах (∼20...30 м/с и выше). Поэтому
важно знать, как влияет скорость деформации на сопротивление деформации.
Как отмечалось ранее, при горячей обработке давлением одновременно
протекают процессы, действующие на сопротивление деформации в
противоположных направлениях: упрочнение (наклеп) и разупрочнение
(возврат, полигонизация, рекристаллизация). Оба процесса протекают во
времени с различной скоростью. Причем процесс разупрочнения, особенно
по типу рекристаллизации, протекает со скоростью меньшей, чем скорость
деформации промышленных процессов обработки давлением.
В большинстве случаев в момент деформации разупрочнение
происходит в результате возврата и, реже, в результате рекристаллизации,
которая проявляется уже после окончания деформации.
Следовательно, чем больше скорость деформации, тем меньше
разупрочнение, тем больше сопротивление деформации.
На рис. 27.3 приведены характерные для многих металлов кривые,
отражающие зависимость σ
S
от степени ε и скорости деформации ξ при
Θ=const.
Рис. 27.3. Влияние скорости деформации на характер зависимости
сопротивления деформации от степени деформации
Соотношение скоростей деформации подчиняется условию ξ
1
> ξ
2
> ξ
3
,
при этом степень деформации, при которой происходит разупрочнение,
почти не зависит от скорости деформации. Учет влияния степени и скорости
деформации на σ
S
осложняется тем, что с увеличением степени деформации
снижается температура разупрочняющих процессов, повышаются выход
тепла и температура деформируемого тела. В свою очередь, увеличение
137
скорости деформации способствует повышению температуры, снижая потери
тепла в окружающую среду. Таким образом, увеличение скорости и степени
деформации прямо повышают сопротивление деформации, а косвенно,
наоборот, снижают его.
При горячей обработке, когда выход тепла невелик, упрочняющее
действие обоих факторов преобладает, и сопротивление деформации
повышается с увеличением степени и скорости деформации.
Сходство кривых, приведенных на рис. 3.7 и 3.8, дает основание
считать, что понижение температуры оказывает на сопротивление
деформации влияние, подобное повышению скорости деформации. Поэтому
оба параметра могут быть объединены в виде так называемой
модифицированной температуры - Θ
M
= Θ (1 - с ⋅ lnξ), где с - некоторая
константа.
В целом же зависимость σ
S
от рассмотренных выше параметров
хорошо аппроксимируется функцией вида
Θ
ξε=σ
3
-
21
0
e
a
aa
S
a
, которая
рекомендована для различных металлов и сплавов в интервале изменения ε =
0,05...0,40 и ξ = 0.1...100 с
-1
.
4. Развитие деформации во времени.
Современные машины для ОМД, как правило, быстродействующие, и
рекристаллизация не успевает полностью снимать упрочнение по ходу
горячей деформации. Соответственно, σ
S
в каждый момент времени
определяется не только температурой Θ и достигнутой степенью деформации
ε, но и развитием деформации ε во времени t (рис. 27.4).
а б в
Рис. 27.4. Влияние истории развития деформации во времени
на сопротивление деформации
138
Пусть за время от 0 до t образец получил деформацию ε (рис. 27.4., а).
Если деформация нарастала по траектории ОВА, т.е. сначала быстро, затем
медленно (рис. 27.4., б), то упрочнение, достигнутое на участке ОВ быстрой
деформации, успеет значительно уменьшиться (σ
S
«релаксирует») на участке
ВА медленной деформации (рис. 27.4., в). В момент времени t металл будет
разупрочненным. Обратная картина наблюдается для траектории ОСА.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы оказывают влияние на величину сопротивления
деформации?
2. Что такое «ε
кр
»?
3. В каком случае сопротивление деформации не зависит от степени
деформации?
4. Как зависит сопротивление деформации от развития деформации во
времени?
5. Как зависит процесс разупрочнения от скорости деформации?
6. В каких интервалах рекомендуется использовать функцию
Θ
ξε=σ
3
-
21
0
e
a
aa
S
a
?
Раздел 8. Трение в процессах обработки металлов давлением
ЛЕКЦИЯ 28
ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ВНЕШНГО ТРЕНИЯ
ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
План лекции:
1. Понятие внешнего (контактного) трения.
2. Отличия трения при ОМД и в деталях машин.
3. Роль трения в процессах ОМД. Виды трения: сухое, граничное и
жидкостное.
4. Модель взаимодействия деформируемого металла с инструментом.
При обработке металлов давлением смещаемый объем
деформируемого тела стремится к некоторому перемещению по поверхности
инструмента. При этом возникают силы трения, затрудняющие это
скольжение.
139
Процесс возникновения и преодоления сопротивления при сдвиге
одного тела по поверхности другого называют контактным или внешним
трением.
В механике различают два вида трения: качения и скольжения. Для
обработки металлов давлением характерно трение скольжения. Основные
отличия трения при ОМД и трения в подшипниках следующие:
1. При ОМД на поверхности трения действуют высокие давления,
достигающие величины 250 МПа и более. В подшипниках скольжения
общего назначения и узлах машин давление не превышает 10 МПа.
2. При ОМД происходит значительное обновление поверхности контакта
инструмента с деформируемым металлом в связи с общим увеличением
поверхности последнего. В подшипниках наблюдается незначительное
обновление поверхности контакта, происходящее только в результате
износа.
3. Смещение частиц металла по контактной поверхности трущихся деталей в
машинах одинаково во всех точках контакта, а при ОМД величина и
скорость смещения различны для различных точек контакта.
Условия трения об инструмент во многом определяют
эффективность процессов ОМД. За исключением отдельных операций
(прокатка, вальцовка, некоторые операции листовой штамповки), трение
при ОМД является вредным фактором.
Отрицательная роль трения заключается в следующем:
1. Контактное трение ведет к возникновению неоднородности деформации
или усиливает эту неоднородность, если последняя определяется самим
характером осуществляемой операции. В результате может измениться схема
напряженного состояния, задающаяся условиями нагружения. Например,
наличие сил трения при осадке (рис. 28.1) создает объемную схему
напряжений, в то время как при отсутствии трения напряженное состояние
было бы линейным.
Действие трения от контактных поверхностей распространяется в
глубину деформируемого тела, и создаются зоны затрудненной деформации.
В результате цилиндрическая заготовка приобретает бочкообразную форму.
140
Рис. 28.1. Схема процесса осадки цилиндрической заготовки
2. Контактное трение в конечном итоге преодолевается активной нагрузкой.
Следовательно, контактное трение увеличивает необходимое
деформирующее усилие и работу деформации.
Увеличение усилия бывает весьма заметным - в несколько раз.
Например, при прямом прессовании прутков (рис. 28.2) полное усилие
прессования складывается из нескольких составляющих:
п
тр
м
тр
к
трдеф
PPPPP
+
+
+
=
где Р
деф
– усилие, затрачиваемое непосредственно на осуществление
деформации без учета трения;
п
тр
м
тр
к
тр
, , PPP
– усилия, затрачиваемые на преодоление сил трения,
соответственно, на стенке контейнера, обжимающей части матрицы и
калибрующем пояске матрицы.