Загиров Н.Н. Теория обработки металлов давлением
Подождите немного. Документ загружается.
161
деформации большинство алюминиевых сплавов, низкоуглеродистая и
углеродистая конструкционная стали.
Влияние скорости деформации при холодной обработке давлением
значительно меньше, чем при горячей. Интенсивность роста этого влияния
больше в диапазоне малых скоростей и незначительна в диапазоне больших
скоростей.
Однако приведенные данные требуют уточнения. Надо учитывать
прежде всего два существенных обстоятельства: наличие при горячем
деформировании двух противоположных процессов – упрочняющего и
разупрочняющего, а также тепловой эффект пластической деформации.
Последний выражается в том, что энергия, расходуемая на пластическую
деформацию, превращается в основном в теплоту. Коэффициент выхода
теплоты составляет для чистых металлов 0,85-0,90, для сплавов 0,75-0,85.
Остальная часть работы деформации идет на повышение внутренней энергии
металла. Тепловой эффект при прочих равных условиях уменьшается с
увеличением температуры деформации, поэтому при одной и той же степени
деформации металла в холодном и горячем состоянии в последнем случае
теплоты выделится меньше.
Если скорость деформации небольшая, то теплота будет рассеиваться и
процесс будет протекать почти изотермически (Θ = const). Наоборот, при
больших скоростях деформации выделяющаяся теплота повысит
температуру тела, иначе говоря, будет наблюдаться температурный эффект.
Общим в оценке влияния скорости деформации на пластичность
является то, что если повышение скорости деформации затрудняет
разупрочняющие процессы в металле во время деформации, то это снижает
пластичность. Вместе с тем для многих металлов и сплавов обнаружены
критические скорости деформации, при которых они теряют пластичность и
становятся хрупкими.
Кроме того, при весьма значительных скоростях деформирования уже
сказывается влияние сил инерции. Нагрев же обрабатываемого металла за
счет тепловыделения бывает выражен настолько резко, что могут возникнуть
явления местного пережога, если нагревать металл до обычно принятых
температур.
При холодной обработке давлением с увеличением степени
деформации возрастает плотность дислокаций, затрудняется их
перемещение, блокируются источники дислокаций и пластичность падает.
162
При горячей обработке степень деформации влияет слабее, так как при
повышении температуры активизируются диффузионные процессы,
сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, приводящими к
частичному или полному восстановлению пластичности.
Для получения изделий обработкой давлением требуется определенная
степень деформации. Чаще всего достижение такой степени деформации за
одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при
листовой штамповке и т.д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому
технологический процесс обычно включает несколько операций. Для
частичного или полного восстановления пластичности после одного из
этапов обработки давлением проводят промежуточную термообработку. Вид
термообработки, ее режим выбирают в зависимости от марки сплава, степени
деформации, температуры деформации и т.д.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные причины, вызывающие неравномерное распределение
напряжений и деформации в обрабатываемом теле?
2. Как влияет контактное трение на неравномерность деформации?
3. При какой температуре у металла наибольшая пластичность?
4. Что происходит с пластичность металла в области температур фазовых
превращений?
5. Как влияет скорость деформации на пластичность при различных
температурах обработки?
6. Как влияет степень деформации на пластичность?
7. назначение промежуточной термообработки в ОМД?
ЛЕКЦИЯ 34
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.
МОНОТОННАЯ И НЕМОНОТОННАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
План лекции:
1. Основы расчета предельных деформаций при ОМД.
2. Оценка вероятности разрушения.
3. Понятие монотонной и немонотонной деформации.
4. Условия деформирования металла без разрушения при различном развитии
деформации во времени.
163
При изготовлении продукции методом обработки давлением нередко,
особенно на стадии отладки технологии, наблюдают образование
макротрещин, как на поверхности, так и внутри изделия. В этом случае
продукция классифицируется как окончательный брак, либо подвергается
дополнительной обработке.
Кроме того, при разработке новой технологии не всегда очевидны пути
предотвращения образования трещин и затруднена экспертная оценка
пригодности предложенного процесса для изготовления бездефектной
продукции.
Большую помощь в решении указанных задач оказывают исследования
процесса разрушения металла при обработке давлением. С этой целью
разработана модель разрушения, сущность которой заключается в
следующем.
Разрушение при больших пластических деформациях можно разделить
на две стадии. По мере развития деформации на первой стадии образуются и
растут зародыши трещин, начинают все сильнее действовать эффекты
концентрации напряжений.
До некоторых пор трещины остаются устойчивыми и для их
дальнейшего развития необходимы дополнительные пластические
деформации. Вторая стадия начинается с момента, когда трещина достигает
критического размера и теряет устойчивость, далее разрушение идет
самопроизвольно и лавинообразно без заметных макродеформаций.
Исходя из приведенных ранее определений, условие деформирования
без разрушения можно сформулировать следующим образом: до тех пор,
пока накопленная частицей степень деформации сдвига λ не достигнет
предельной величины λ
Р
, разрушения не произойдет. Аналитически это
выражается в виде
λ < λ
Р
, или 1
P
<
λ
λ
=ψ . (34.1)
Величину ψ называют степенью использования запаса пластичности. В
момент разрушения ψ = 1.
Выражение (34.1) справедливо для случая, когда материал
деформируется в условиях постоянства термомеханических параметров, от
которых зависит λ
Р
.
164
В случае, когда тело обладает неоднородным напряженным и
деформированным состояниями в пространстве и во времени, условие
пластического деформирования материала без разрушения следует принять в
виде
(
)
() ()
[ ]
1d
0
P
<τ
∫
τµτλ
τ
=ψ
σ
t
,k
H
, (34.2)
где интеграл подсчитывается для отдельной частицы деформируемого тела
вдоль траектории ее движения; Н(τ), k(τ), µ
σ
(τ) – результаты решения
краевой задачи, характеризующие изменение интенсивности скоростей
деформации сдвига и показателей напряженного состояния; λ
Р
(k, µ
σ
) –
известная из экспериментов функция, связывающая пластичность с
термомеханическими параметрами. Условие деформирования без
разрушения было получено на основании ряда предположений и нуждалось в
экспериментальной проверке. Такая проверка установила, что оно
достаточно точно, когда деформация протекает в условиях, близких к
монотонным.
Монотонной называют такую деформацию, при которой на каждой
ступени в процессе значительного формоизменения остаются постоянными
отношения ξ
11
, ξ
22
, ξ
33
и направления главных скоростей удлинений связаны с
одними и теми же материальными волокнами.
Условия деформирования называют близкими к монотонным, если:
1. ξ
11
, ξ
22
, ξ
33
точно не совпадают с одними и теми же материальными
волокнами, но поворачиваются в процессе деформации относительно их
на угол не больше, чем π /2;
2. отношение между ξ
11
, ξ
22
, ξ
33
не сохраняется постоянным, но главные
скорости удлинения в процессе деформации изменяются монотонно без
смены знака.
Условие (34.2) во всех случаях существенно немонотонного
деформирования дает завышенные расчетные значения ψ, т.е. разрушение
происходит при больших деформациях, чем предсказывает условие (34.2).
Иллюстрацией могут служить результаты опытов на разрушение
цилиндрических образцов (рис. 34.1.), подвергавшихся существенно
немонотонному деформированию: одноосному растяжению вдоль оси
165
образца до ψ = ψ
1
, а затем кручению вокруг этой же оси до ψ = ψ
2
, которое
заканчивалось разрушением.
Согласно условию (34.1), поскольку произошло разрушение, то
расчетные значения ψ
1
(при растяжении) и ψ
2
(при кручении) должны быть
связаны уравнением
ψ
1
+ ψ
2
= 1 (рис. 34.1, прямая 1).
Рис. 34.1. Прогнозирование разрушения цилиндрических образцов,
подвергшихся существенно немонотонному деформированию
Экспериментальная кривая 2 лежит несколько выше, следовательно,
разрушение идет медленней, чем ожидалось по модели.
Это объясняется тем, что параллельно с процессом возникновения и
увеличения микродефектов (трещин) в пластически деформируемом теле
идут процессы «залечивания» зачатков нарушения сплошности и
торможения их развития.
Соприкосновение поверхностей трещины в условиях сжатия и их
относительного перемещения вследствие пластической деформации может
вызвать схватывание (сварку).
Распространим условие разрушения или условие деформирования без
разрушения на существенно немонотонные процессы деформации.
Для этого вся деформация моментами смены ее направления может
быть разделена (дискретизирована) на этапы, деформация в которых будет
близка к монотонной.
166
Общая степень использования запаса пластичности рассчитывается по
формуле
∑
ψ=ψ
=
n
i
i
a
i
1
, (34.3)
где n – число этапов знакопостоянной деформации; a
i
≥ 1 – показатель,
характеризующий интенсивность пластического разрыхления металла в
процессе деформирования. Разрушению, как и прежде, соответствует ψ = 1.
Исследования показали, что показатель степени a
i
в модели (34.3)
существенно зависит от показателя схемы напряженного состояния k = σ / T,
в меньшей степени – от µ
σ
.
Одна из формул для расчета а выглядит следующим образом:
а = а
0
1+0,238⋅
σ
/Т
,
где а
0
соответствует испытанию в условиях атмосферного давления: σ/T= 0.
Модель (34.3) показала хорошее соответствие опытным данным при
упомянутом выше двухэтапном деформировании растяжением с
последующим кручением до разрушения.
Условие разрушения в этом случае имеет вид:
1
2
2
1
1
=ψ+ψ
aa
,
где а
1
= 2,1; а
2
= 1,9.
Таким образом, для того, чтобы сделать оценку вероятности
разрушения какого-то конкретного металла по формуле
1
1
<
∑
ψ=ψ
=
n
i
i
a
i
,
где
( )
∫
τλ=ψ
−
i
t
i
t
Pi
/H
1
d - степень использования запаса пластичности на i-ом
этапе, необходимо в опытах определить характеристики пластических
свойств металлов:
λ
Р
= λ
Р
(k, µ
σ
); a = a (k, µ
σ
).
167
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте стадии разрушение при больших пластических
деформациях?
2. Условие деформирования без разрушения.
3. Дайте определение степени использования запаса пластичности.
4. Чему равен показатель степени использования запаса пластичности при
разрушении?
5. Какую деформацию называют монотонной и существенно не монотонной?
6. Как рассчитывается общая степень использования запаса пластичности?
7. Какие характеристики пластических свойств необходимо
экспериментально определить для того, чтобы сделать оценку вероятности
разрушения какого-то конкретного металла?
ЛЕКЦИЯ 35
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛА.
ДИАГРАММЫ ПЛАСТИЧНОСТИ
План лекции:
1. Методы экспериментального определения пластических характеристик
металла.
2. Схема испытания для определения пластических свойств металлов в
камере высокого давления.
3. Принцип построения диаграммы пластичности и некоторые выводы,
которые можно сделать на основе ее анализа.
Сложно подобрать такой вид испытания, чтобы в месте разрушения
можно было определить предшествовавшую ему степень деформации,
показатели напряженного состояния, и чтобы выполнялось условие
неизменности показателей напряженного состояния в процессе испытания.
Трудно предугадать место на образце, где прежде всего можно ждать
разрушения и своевременно его зафиксировать. Поэтому ограничимся лишь
рассмотрением испытаний, проводимых в холодном состоянии.
Опишем испытание на кручение цилиндрических образцов в камере,
заполненной жидкостью высокого давления (рис. 35.1).
168
Рис. 35.1. Схема испытания для определения пластических свойств металлов
в камере высокого давления
Интенсивность скоростей деформации сдвига на поверхности образца
(r = R)
l
R
H
⋅
ω
=
,
где ω - угловая скорость относительного поворота сечений образца на
расстоянии l друг от друга; R = d / 2 – радиус образца.
Тогда степень деформации сдвига
∫ ∫
τω=τ=λ
t t
t
l
R
H
0
dd ,
где
∫
τω
t
0
d - угол закручивания одного крайнего сечения относительно другого
на длине l.
Степень деформации сдвига на поверхности образца
λ = tg ϕ,
где ϕ - угол наклона риски, нанесенной до испытания вдоль образующей,
занимающей после деформации положение винтовой линии.
Для того, чтобы определить λ
Р
при кручении, достаточно в месте
разрушения (оно во всех случаях начинается на поверхности образца)
измерить угол ϕ
р
и подсчитать λ
Р
= tg ϕ
Р
.
169
Определим показатели напряженного состояния. При кручении при
атмосферном давлении σ
11
= τ
S
; σ
22
= 0; σ
33
= – τ
S
.
Давление жидкости р в одинаковой мере изменяет главные
напряжения: σ
11
= τ
S
– p; σ
22
= – р; σ
33
= – τ
S
– р.
Как следует из формул (32.2) и (32.3),
(
)
SS
SS
p
ppp
T
k
τ
−=
τ
−
τ
−
−
−
τ
=
σ
=
31
012 =−
+τ+−τ
+
τ
+
−
=µ
σ
pp
pp
SS
S
Меняя от опыта к опыту давление жидкости р, или, другими словами,
показатель k, можно получить серию точек, соответствующую зависимости
λ
P
= f (k) при µ
σ
= 0. Записывается это в виде:
(
)
0PP =
σ
µ
λ=λ k .
Сопротивление деформации сдвига τ
S
принимается либо постоянным
(τ
S
= const), либо задается по кривой упрочнения τ
S
= τ
S
(λ).
В простейшем случае постоянным в опыте поддерживают р. Зная τ
S
=τ
S0
перед испытанием и τ
S
=τ
S
(λ) по кривой упрочнения к моменту разрушения,
можно найти средний за опыт показатель
(
)
2
0
ср
SS
pp
k
τ
−
τ
−
= . Тогда на
график наносят точку с координатами λ
P
и k
ср
.
С использованием той же аппаратуры можно получить зависимость
(
)
0=
σ
µ
= kaa . Для этого в жидкости высокого давления осуществляют
испытание на знакопеременное кручение при k = const из серии образцов для
получения зависимости λ
P
∼ N. Меняя от серии к серии k, можно получить
зависимость a ∼ k.
Перейдем к другому испытанию – растяжению до разрыва
цилиндрических образцов в жидкости высокого давления. При этом
происходит потеря устойчивости однородного течения образца при
достижении некоторой степени деформации. Деформация локализуется,
образуется шейка (местное сужение), с возникновением которой
напряженное состояние становится неоднородным. Оно существенно зависит
от параметров шейки: d – диаметра образца в самом тонком его сечении и R –
радиуса кривизны профиля образца в продольном осевом сечении. Причем у
различных материалов при растяжении шейка образуется и развивается по-
разному и не существует универсальной кривой для всех металлов. Кроме
170
того, зависимость d/R от λ для одного и того же материала будет одинаковой
как при растяжении без гидростатического сжатия (при атмосферном
давлении), так и под давлением рабочей жидкости.
Определим напряженное и деформированное состояния при
растяжении цилиндрического образца в камере, заполненной жидкостью
высокого давления. При растяжении до потери устойчивости (образования
шейки) главные напряжения σ
11
= σ
S
– р; σ
22
= σ
33
= – р, тогда
S
p
,
T
k
τ
−=
σ
= 580 ; µ
σ
= –1.
С момента образования шейки
S
p
R
d
k
τ
−
⋅+⋅=
2
3
1
3
1
; µ
σ
= – 1.
Последняя формула легко трансформируется в предыдущую после
подстановки в нее R = ∞.
Степень деформации сдвига в момент разрушения
1
0
P
ln32
d
d
⋅⋅=λ ,
где d
1
– диаметр образца после разрушения.
Испытания на пластичность при одноосном растяжении до разрыва в
жидкости высокого давления производят следующим образом.
Несколько образцов, подготовленных для испытаний, разрывают при
атмосферном давлении с целью изучения кинетики изменения параметра d/R
образцов в зависимости от λ, получения кривой упрочнения τ
S
= τ
S
(λ) и
определения λ
P
при k ≈ 0,58. Затем осуществляют испытание остальных
образцов при различных р = const. Показатели напряженного состояния
подсчитывают средними для начала испытания (d/R = 0) и после разрыва,
измеряя d и R на разрушившемся образце.
По результатам испытаний строят зависимость
(
)
1PP −=
σ
µ
λ=λ k .