Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением

Подождите немного. Документ загружается.

151

металлом стекло размягчается, прилипает к поверхности металла и,

выполняя при этом роль смазки, предохраняет инструмент от перегрева.

4. При волочении проволоки и труб из высокопрочных сталей и сплавов

заготовки иногда покрывают мягкими пластичными металлами (медь,

свинец), на которые наносят смазку.

В зависимости от условий деформации возможны различные способы

нанесения смазки на контактную поверхность. Основные из них: обмазка

заготовки; нанесение смазки на инструмент механическим способом; обкатка

заготовки; применение шайб различной формы из твердых смазочных

веществ; нанесение смазывающего слоя электролитическим способом;

подача смазки непосредственно в зону пластической деформации через

отверстия в инструменте.

Контрольные вопросы

1. Как влияет на величину показателя сил трения состояние поверхности

инструмента?

2. Как влияет на величину показателя сил трения вид обработки контактной

поверхности деформируемого?

3. Как влияет на величину показателя сил трения твердость материала

инструмента?

4. Как влияет на величину показателя сил трения температура деформации?

5. Как влияет на величину показателя сил трения скорость скольжения

металла по инструменту?

6. Виды смазок при ОМД?

7. Что такое «активность» и «вязкость» смазки?

ЛЕКЦИЯ 31

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРЕНИЯ

План лекции:

1. Методы экспериментального определения показателей трения.

2. Схема установки, позволяющей производить смещение металла по

поверхности инструмента с одновременным измерением силы трения и

нормальной нагрузки.

3. Устройство и принцип действия трибометра.

152

Для описания общих закономерностей пластического трения и

определения зависимости показателя трения от факторов, на него влияющих,

проводятся испытания на специальных установках. Ниже приведены

описания наиболее распространенных конструкций устройств и способов

определения показателей трения.

Так, на рис. 31.1 приведена конструктивная схема установки,

позволяющей производить смещение металла по поверхности инструмента с

одновременным измерением силы трения и нормальной нагрузки. Она

состоит из замкнутого цилиндрического контейнера 3, пуансона 2,

подвижного блока 4 с универсальным измерительным штифтом 1.

Исследуемый образец 5 помещается в контейнер 3 и через пуансон 2

нагружается нормальной силой.

Рис. 31.1. Схема установки для построения зависимости силы трения

от нормальной нагрузки

Обычно для получения экспериментальной зависимости напряжения

трения от нормального напряжения τ = f(σ

) требуется создать однородное

трение на достаточно большом участке контактной поверхности. Устройство,

позволяющее это сделать называется трибометром (рис. 31.2).

153

Рис. 31.2. Устройство для получения зависимости напряжения трения

от нормального напряжения

Образец 2 устанавливают в полость, заключенную между кольцевыми

пуансонами 3 и 5, обоймой 4 и цилиндрической вставкой 1. Далее образец с

заданными внешним D и внутренним d диаметрами сжимают силой Р и

поворачивают пуансоны в разные стороны, фиксируя при этом момент сил

трения М.

Напряжение трения τ и нормальное напряжение σ

находят по

формулам:

(

)

−π

⋅

=τ и

(

)

−π

⋅

=σ

и строят зависимость τ = f(σ

). Эксперименты возможны при различных

шероховатости поверхности пуансонов, температуре нагрева образца и виде

смазки.

154

Контрольные вопросы

1. Схема установки для построения зависимости силы трения от нормальной

нагрузки.

2. Принцип действия трибометра.

3. По какой формуле определяют напряжение трения τ?

4. По какой формуле определяют нормальное напряжение σ

5. Зачем проводятся испытания на специальных установках, которые

позволяют моделировать трение в процессах ОМД?

Раздел 9. Пластичность и деформируемость металлов при

обработке давлением

ЛЕКЦИЯ 32

ПОНЯТИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ.

ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАСТИЧНОСТИ

План лекции:

1. Понятие пластичности и деформируемости металла.

2. Показатели пластичности и их взаимосвязь между собой.

3. Влияние на пластичность состава и структуры деформируемого металла.

4. Основные показатели напряженного состояния и их влияние на

пластичность металла.

Известно, что нарушения сплошности в виде микропор и микротрещин

возникают уже в начале пластической деформации. По мере развития

деформации микронарушения умножаются по числу и увеличиваются по

размеру. К моменту исчерпания металлом способности деформироваться

микротрещины достигают такого размера, что образец разделяется на части –

наступает разрушение. При этом пластические деформации макрообразца

обычно невелики по сравнению с деформациями на предыдущей стадии,

поэтому фиксирование деформации к моменту разрушения не представляет

особого труда.

Пластичностью называют способность металла деформироваться при

тех или иных значениях термомеханических параметров без разрушения в

виде макроскопического нарушения сплошности.

155

Термомеханическими параметрами называют величины,

определяющие термические и механические условия протекания

пластической деформации. К числу таких параметров относят, в частности,

температуру, составляющие тензоров напряжения и скорости деформации.

Мерой пластичности служит степень деформации сдвига, накопленная

металлом к моменту разрушения λ

Из курса по теории пластичности известно, что степенью деформации

сдвига λ называют всю пластическую деформацию, накопленную частицей

материала в течение отрезка времени 0 ≤ τ ≤ t. Ее подсчитывают вдоль

траектории движения частицы по формуле

∫

=λ

d , (32.1)

где Н – интенсивность скоростей деформации сдвига.

В простейших испытаниях на растяжение и осадку цилиндрических

образцов степень деформации сдвига находят по формулам (24.3) и (24.5).

Если в эти формулы вместо значений текущей длины l и текущей высоты h

подставить значения характерных размеров l* и h*, при которых на образцах

наблюдается появление трещин (момент разрушения), то по формулам (24.3)

и (24.5) можно уже рассчитать степень деформации сдвига в момент

разрушения λ

Остальные общеизвестные и широко применяемые на практике

показатели пластичности, такие, как относительное удлинение,

относительное сужение и др., в принципе, легко пересчитать в показатель λ

Кроме понятия «пластичность», в теории ОМД используется понятие

«деформируемость», т.е. способность тела в целом изменять свою форму без

макроскопического разрушения. Для решения вопроса о деформируемости

следует проверить возможность разрушения металла в наиболее опасных

местах изделия.

Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при

обработке давлением, являются: состав и структура деформируемого

металла; схема напряженного состояния; неравномерность деформации;

температура деформации; скорость деформации; степень деформации; режим

термической обработки.

Рассмотрим подробнее влияние каждого из них.

156

Обычно чем чище металл, тем выше его пластичность. Однако в

чистом виде металлы для получения изделий почти не используются из-за

невысоких прочностных свойств. Хром, никель, марганец, молибден,

вольфрам и другие элементы, входящие в состав сталей и сплавов в качестве

легирующих, на пластичность влияют по-разному. Решающее значение имеет

количество этих элементов, их соотношение и т.д.

Более сильное влияние на пластичность металлов и сплавов оказывают

компоненты, входящие в их состав как примеси. Это такие элементы, как

олово, сурьма, свинец, сера, мышьяк, фосфор, а также газы: водород

(гидриды), азот (нитриды), кислород (оксиды) и др. Они практически не

растворяются в металлах и поэтому, располагаясь по границам зерен,

ослабляют связь между ними. Температура плавления этих элементов и их

соединений достаточно низкая, что при горячей деформации может привести

к почти полной потере пластичности.

Неоднородная структура снижает пластичность. При одинаковом

химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного, т.к. в

последнем фазы имеют разные механические свойства и деформация

протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее

крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, т.к.

литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие

дефекты.

В общем случае под схемой напряженного состояния понимают

графическое представление о наличии и знаке главных нормальных

напряжений, составляющих тензор напряжения













T .

Напомним, что нормальное напряжение считается положительным,

если стремится вызвать растяжение тела, и отрицательным – если сжатие.

При назначении индексов у главных нормальных напряжений используется

правило: σ

≥ σ

Показателями напряженного состояния называют составленные из

инвариантов тензора напряжений безразмерные величины, от которых

существенно зависит пластичность металлов.

157

В теории ОМД обычно используют два основных показателя

напряженного состояния:

1. показатель схемы напряженного состояния

= , (32.2)

где

( ) ( )

3322111

σ+σ+σ==σ

TI - среднее нормальное напряжение;

( ) ( ) ( )

3311

3322

22112

)( σ−σ+σ−σ+σ−σ==

DIT

интенсивность касательных напряжений;

2. показатель формы девиатора напряжений или коэффициент Лоде:

3311

3322

−

σ−σ

⋅=µ

. (32.3)

Подсчитаем, чему равны показатели k и µ

в простейших испытаниях

на растяжение, сжатие и кручение.

При одноосном растяжении σ

= σ

; σ

= σ

= 0, тогда

580

≈=

= ; µ

= – 1.

При одноосном сжатии σ

= σ

= 0; σ

= – σ

, тогда

−=k

; µ

= 1.

При кручении (чистом сдвиге) σ

= τ

; σ

= 0; σ

= – τ

, тогда

k = 0; µ

= 0.

Установлено, что при обработке давлением не существует металлов и

сплавов, обладающих неизменными свойствами, а есть хрупкое и пластичное

158

состояние, определяемое условиями нагружения при деформировании. При

этом чем ярче выражены в схеме напряженного состояния сжимающие

напряжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла.

Наиболее благоприятной для проявления пластических свойств

является схема всестороннего сжатия, используемая при обработке

малопластичных и порошковых материалов. Появление в схеме

растягивающих напряжений снижает пластичность, и самой низкой

пластичностью характеризуется схема всестороннего растяжения, которая в

реальных процессах обработки давлением практически не встречается. Более

подробно влияние схемы напряженного состояния на пластичность металлов

будет рассмотрено отдельно.

Контрольные вопросы

1. Что такое «пластичность»?

2. Какие факторы влияют на пластичность?

3. Как влияет на пластичность состав и структура деформируемого металла?

4. Какие показатели напряженного состояния используются в теории ОМД?

5. Как рассчитываются показатели напряженного состояния при растяжении,

сжатии и кручении?

6. Какая схема напряженного состояния наиболее благоприятна для

проявления пластических свойств?

7. Каким правилом пользуются при назначении индексов у главных

нормальных напряжений?

ЛЕКЦИЯ 33

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

План лекции:

1. Влияние на пластичность: неравномерности деформации, температуры

обработки, скорости деформации, степени деформации, режима термической

обработки.

Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение

напряжений и деформации в обрабатываемом теле, можно считать

несоответствие конфигурации инструмента форме исходной заготовки,

159

контактное трение, неоднородность физических свойств деформируемого

тела.

В большинстве процессов обработки давлением форма заготовки

(слитка) отличается от формы изделия, определяемой формой инструмента.

Обычно форма заготовки проще формы изделия, что и приводит к

неодинаковому обжатию отдельных частей заготовки, т.е. к неравномерной

деформации. Так, при штамповке форма штампа и поковки отличается от

формы заготовки; при прокатке фасонных профилей форма калибров обычно

отличается от формы заготовки.

Контактное трение затрудняет скольжение деформируемого тела по

инструменту. Действие его распространяется неодинаково по объему тела,

наиболее сильно проявляется вблизи контакта с инструментом и

уменьшается по мере удаления от контакта, что приводит к неравномерности

деформации. Примером может служить осадка цилиндрической заготовки в

условиях максимального трения на контакте. В этом случае подпирающее

действие сил трения, затрудняющее деформацию, будет наиболее сильным в

центре. По мере удаления от центра по оси образца и по радиусу к периферии

напряжения трения уменьшаются, а условия деформации облегчаются. В

результате этого вблизи контактной поверхности образуется зона

затрудненной деформации, распространяющаяся на некоторую глубину и

приближающаяся по форме к конусу. В зоне затрудненной деформации

пластическая деформация меньше, чем в остальном объеме.

Неоднородность свойств может быть зональной (макроскопической),

когда свойства одной части тела отличаются от другой, например, когда

слиток (заготовка) нагрет неравномерно по сечению или деформируемое тело

составлено из разных по свойствам металлов (биметалл), и может быть

микроскопической, обусловленной неоднородностью или анизотропией

свойств. Допустим, что заготовка неравномерно нагрета так, что наружные

слои имеют более высокую температуру. Эти слои, как более мягкие,

деформируются в большей степени, чем внутренние холодные, что приводит

к неравномерности деформации.

Во всех рассмотренных случаях неравномерность деформации

проявлялась в пределах больших участков (зон) деформируемого тела. В

результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные

напряжения, которые не учитываются схемой напряженного состояния,

вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные

напряжения могут при определенных условиях обработки изменять схему

160

напряженного состояния, тем самым влияя на пластичность. Поэтому,

например, при общей схеме всестороннего сжатия возможно появление в

некоторых участках тела растягивающих напряжений, что приведет к более

раннему его разрушению, чем прогнозируется.

При температурах обработки, близких к комнатной, металл имеет

минимальную пластичность из-за низкой тепловой подвижности атомов. С

другой стороны, при температурах, несколько меньших температуры

плавления, наблюдается резкое снижение пластичности, являющееся

результатом значительного роста зерен и последующего пережога (окисления

границ зерен).

Общим положением для всех металлов и сплавов является то, что

наибольшую пластичность они имеют при температурах рекристаллизации,

т.е. в условиях горячего деформирования. Это является следствием не только

увеличения подвижности атомов, но и роста пластичности

межкристаллических прослоек, содержащих повышенное количество

примесей.

Опасными зонами температур, при которых наблюдается уменьшение

пластичности, являются зоны, в области которых возможны фазовые

превращения, теплая деформация или явления старения и синеломкости.

Снижение пластичности в области температур фазовых превращений

объясняется наличием в деформируемом теле одновременно двух фаз с

различными свойствами, что приводит к увеличению неравномерности

напряженного и деформированного состояний.

В ОМД различают две скорости: скорость деформирования ϑ, или

скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна

пресса и т.д.) и скорость деформации ξ, или изменение степени деформации в

единицу времени

=ξ .

Скорость деформации измеряется в с

-1

В первом приближении можно сказать, что при увеличении скорости

деформации пластичность металлов падает. Особенно резко это проявляется

для некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных

сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скорости