книги из ГПНТБ / Сегал, В. М. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара

В. М. СЕГАЛ, Е. М. МАКУШОК,

В. И. РЕЗНИКОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ

ПЛАСТИЧЕСКОГО

ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ

МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ МУАРА

«Металлургия» 1974

14.W i

УДК 621.77.01

УДК 621.77.01

Исследование пластического формоизменения металлов методом

Рассмотрено применение экспериментального метода муара к иссле­ дованию процессов обработки металлов давлением. Даны основы метода муара, техника нанесения растров, методика постановки и проведения экспериментов. Основное внимание уделено математической обработке экспериментальной информации с использованием вычислительных ма­ шин. Приведены алгоритмы определения напряженного и деформиро­ ванного состояний и примеры их реализации на ЭВМ. Эффективность разработанных методов иллюстрируется результатами исследования процессов обработки металлов давлением— осадки, пережима, штам­ повки, выдавливания. Книга рассчитана на научных и инженерно-тех­ нических работников, специализирующихся в области обработки метал­ лов давлением, пластичности и экспериментальной механики. Может быть полезна аспирантам и студентам металлургических и машинострои­ тельных вузов соответствующих специальностей. Ил. 122. Табл. 7. Спи­ сок лит.: 107 назв.

© Издательство «Металлургия», 1974

ВВЕДЕНИЕ

В теории обработки металлов давлением экспериментальные исследо­ вания играют традиционно большую роль. Задачи эксперимента разнообразны и меняются с развитием теории. Прежде всего экс­ периментальные исследования являются основным способом изу­ чения фундаментальных свойств материалов и их взаимодействия с внешними телами при пластическом деформировании, являются основой для понимания и описания процессов формоизменения. Экс­ периментальные исследования механического поведения металлов, природы и эффектов пластической деформации, а также контактных условий позволяют формулировать физически точные и математиче­ ски корректные задачи, направляют развитие теории и оказывают глубокое влияние на практику. Кроме того, важной задачей экс­ периментальных методов является исследование напряженного и деформированного состояний в разнообразных процессах обработки металлов давлением. Возможности современных экспериментальных методов позволяют проводить моделирование по аналогу и иссле­ довать реальные процессы со всей необходимой полнотой. Это осо­ бенно актуально в связи с выполнением задач, поставленных XXIV съездом КПСС и направленных на всемерное улучшение качества продукции, повышение качественных характеристик исходного сырья и материалов.

Методы решения перечисленных задач имеют принципиальные различия. С одной стороны, при исследовании механического по­ ведения материалов необходимо проведение эксперимента в наиболее чистом виде, когда напряженное и деформированное состояния яв­ ляются однородными и стационарными. Такие условия примерно обеспечиваются в некоторых видах механических испытаний, что позволяет определить параметры состояния по интегральным ха­ рактеристикам процесса. С другой стороны, процессы пластиче­ ского формоизменения характеризуются значительной неравномер­ ностью и нестационарностью напряженного и деформированного со­ стояний, и экспериментальные методы должны обеспечить измерение локальных характеристик отдельных материальных частиц. Кроме того, для современных экспериментальных исследований характерно стремление к точному количественному описанию. Эти требования определяют выбор метода и постановку эксперимента при исследова­ нии процессов обработки металлов давлением (ОМД).

Известны различные способы экспериментальных исследований — метод координатных сеток, метод оптически чувствительных покры­ тий и др., которые позволяют решать определенный круг задач. В последнее время в экспериментальной механике интенсивно раз­ вивается новый метод — метод муара, основанный на применении мелких сеток — растров — и явлении механической интерференции света. Эффект муара при наложении параллельных систем линий одинакового шага впервые описал Рэлей (1874 г.). Он же применил это явление для контроля дифракционных решеток. В 1926 г. А. В. Шуб­ ников предложил использовать в кристаллографии свойство растро­

Механические явления, возникающие в твердых телах при внешнем воз­ действии, характери­ зуются смещением то­ чек из исходного по­ ложения и изменением их силового взаимодей­ ствия. Первое из них определяет деформиро-

ванное состояние и имеет геометрическую природу, второе — на­ пряженное состояние и связано с физическими свойствами и струк­ турой тел. Механическое состояние тела задано однозначно, если известны напряжения и деформации в каждой точке, а также в лю­ бой момент рассматриваемого отрезка времени.

Экспериментальные методы механики сплошных сред основаны на измерении физических величин, изменение которых может быть связано с параметрами напряженного или деформированного со­ стояний. В настоящее время неизвестны физические явления, позво­ ляющие осуществлять прямое измерение напряжений внутри тела. Экспериментальные данные о напряженном состоянии обычно ос­ нованы на измерении полных (интегральных) усилий и моментов и в некоторых случаях — их распределения на контактных поверх­ ностях. В то же время кинематические характеристики процесса просто измерять как прямыми, так и косвенными методами. Поэтому исследование деформированного состояния получило почти исклю­ чительное развитие. Определив деформированное состояние с необ­ ходимой полнотой, можно вычислить и напряжения. Для этого используются уравнения связи между напряженным и деформиро­ ванным состояниями, вытекающие из аппроксимации поведения реальных материалов определенными моделями тел.

В экспериментальные исследования всегда включают в той или иной форме установление таких связей путем механических испы­ таний, при которых обеспечивается однородность деформированного и напряженного состояний. Параметры этих состояний могут быть измерены одновременно и независимо друг от друга по интегральным величинам.

При исследовании пластических течений металлов, которые имеют место при обработке давлением и в других технологических процессах, диапазон измеряемых деформаций, условий деформиро-

5

вания и применяемых материалов чрезвычайно разнообразен. Про­ цессы ОМД характеризуются значительной неравномерностью на­ пряженного и деформированного состояний. Граничные условия весьма сложны и трудно воспроизводимы. Пластическое течение сопровождается комплексом физико-химических явлений, причем процесс деформирования отдельных частиц определяет изменение структуры и свойств материала. Схемы деформирования обычно являются объемными или плоскими, для которых деформированное состояние должно быть определено внутри материала. Измерения следует проводить во времени и непосредственно в момент воздействия. Из сказанного очевидно, что исследование реальных процессов представляет большие экспериментальные трудности. В то же время обычные методы моделирования имеют ограниченное значение. Для удовлетворения весьма противоречивых требований задачу экс­ перимента приходится ограничивать определенными рамками, поз­ воляющими выявить наиболее существенные особенности рассма­ триваемого процесса. В каждом случае цель и характер исследования должны быть сопоставлены с возможностями экспериментальных методов.

Методы исследования деформаций весьма разнообразны. Они отличаются друг от друга:

а) характером измеряемых величин; б) полнотой описания деформированного состояния;

в) диапазоном изменения измеряемых величин; г) постановкой эксперимента и условиями его проведения;

д) материалами, к которым может быть применен метод; е) интерпретацией и последующей математической обработкой; ж) точностью метода и т. д.

В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к экс­ перименту, может быть выбран тот или другой метод. При этом ос­ новным условием современного экспериментального исследования является возможность точного количественного описания. Ниже рассмотрены основные экспериментальные методы исследования процессов ОМД.

Метод координатных сеток. На поверхность материала нано­ сится система геометрических меток в виде линий, точек, квадратных или других элементов, положение которых соответствует некоторой системе координат (обычно декартовой или полярной). Известны различные способы нанесения сеток — накатка, травление, фотоко­ пирование, царапание и др. [27]. Искажение координатных сеток, вызванное деформацией, фиксируется с помощью фотографии или измеряется непосредственно по образцу. Метод координатных се­ ток относится к наиболее старым экспериментальным методам. В по­ следнее время он был существенно развит в отношении точности на­ несения координатной сетки и измерения ее искажений, а также ма­ тематической обработки результатов. Современные способы позво­ ляют наносить весьма прецизионные сетки, погрешность измерения которых оценивается в 1,5—3 мкм [4]. Однако это не обеспечивает достаточной точности при измерении небольших смещений и дефор-

6

маций, поскольку измерения относятся к малой базе, и относитель­ ная погрешность может иметь тот же порядок, что и измеряемая величина. Кроме того, влияние случайных ошибок, связанных с макрофизической и структурной неоднородностью, оказывается значительным. Наиболее употребительны координатные сетки с ша­ гом более 1 мм.

Интерпретация метода является чисто геометрической и может быть основана на вычислении локальных характеристик деформации или на определении полей смещений и деформаций. В первом случае определяют компоненты тензора деформации по изменению гео­ метрии отдельных элементов, исходная форма которых является квадратной или круглой [5—8]. Во втором экспериментальная информация представляется в виде таблиц дискретно заданного поля смещений, а полное описание деформированного состояния находится численным дифференцированием [9—11]. Последний подход не связан с условием сохранения однородности деформи­ рованного состояния в пределах каждой ячейки. Он весьма удобен для применения современных электронных вычислительных машин и эффективных численных методов, включающих сглаживание ис­ ходной информации [12, 13]. Это позволяет получить полное кине­ матическое описание процесса и повысить точность метода.

Основным достоинством метода координатных сеток является возможность применения его практически к любым материалам и условиям деформирования. Координатные сетки можно наносить на свободные поверхности или внутренние сечения тела. Недостат­ ком метода является относительно низкая чувствительность, по­ этому его применяют при исследовании конечных этапных и полных деформаций, превышающих 5%. Верхний предел измеряемых де­ формаций может достигать сотен процентов.

Метод линий тока является разновидностью метода координат­ ных сеток. Он основан на возможности описания установившихся несжимаемых течений с помощью функции тока, которая представ­ ляется визуально траекториями движения отдельных частиц [14— 16]. Это позволяет использовать одно семейство координатных линий, совпадающих с направлением течения материала. В некоторых слу­ чаях траектории могут быть выявлены по макроструктуре образца или путем травления. Особенности и область применения метода в основном те же, что и метода координатных сеток.

Поляризационно-оптический метод (фотопластичность). В ос­ нове метода лежит эффект двойного лучепреломления, который про­ является в некоторых прозрачных материалах при возникновении в них напряжений и деформаций. При просвечивании таких мате­ риалов поляризованным светом возникают оптические явления, позволяющие связать наблюдаемую картину с механическим со­ стоянием тела [17]. Поляризационно-оптический метод обычно используют при моделировании процессов. Поэтому его применение связано с проблемой создания материалов, обладающих определен­ ным комплексом оптико-механических свойств. Простейшие модели упругого и вязкого тела оказываются справедливыми для многих

7

оптически чувствительных материалов, причем в первом случае оптический эффект является линейной функцией деформаций, а во втором — скоростей деформаций. Это способствовало развитию ме­ тодов фотоупругости [18] и фотовязкости [19], которые в настоящее время являются весьма эффективными. Однако моделирование упруго­ пластических и пластических деформаций (фотопластичность) до сих пор сдерживается из-за отсутствия соответствующих материалов. Определенные перспективы имеет применение прозрачных поликристаллических галлоидов серебра и таллия [20].

Трудностей моделирования пластического поведения реальных материалов при использовании метода оптически чувствительных покрытий удается избежать благодаря нанесению тонкого активного слоя на поверхность металлического образца. В последнее время этот метод интенсивно развивается [21 ] и успешно применяется к иссле­ дованию ряда технологических процессов обработки металлов дав­ лением [20]. Достоинствами метода оптически чувствительных по­ крытий являются высокая чувствительность, наглядность резуль­ татов, возможность прямого измерения деформаций без применения операций численного дифференцирования. В то же время метод обладает рядом существенных недостатков, связанных главным об­ разом с техникой его применения. Прежде всего необходимо отметить ограничения, накладываемые схемой и условиями деформирования. Этот метод является достоверным при нанесении покрытий на сво­ бодные поверхности деформируемого тела [20]. Использование покрытий для внутренних сечений проблематично даже в случае плоскодеформированного состояния, так как уравновешивание на­ пряжений, действующих на покрытие со стороны материала, может быть достигнуто только за счет его дополнительных деформаций и изменения толщины, что непосредственно влияет на результаты измерения. Известные трудности представляет выбор материала покрытия, который, кроме высокой оптической чувствительности, должен выдерживать большие деформации, обладать минимальной релаксацией и сохранять адгезию к металлу. Условия проведения экспериментов ограничены моделированием при комнатной темпе­ ратуре. Устранение указанных недостатков позволит значительно расширить возможности этого перспективного метода.

Структурно наследственные методы. Физико-химические и ме­ ханические свойства пластически деформированных тел в значи­ тельной степени зависят от механических условий деформации. Ис­ следование определенных свойств деформированных структур поз­ воляет не только установить общую картину деформированного со­ стояния, но и получить количественную оценку некоторых пара­ метров. Структурно наследственные методы не дают достаточно полного и точного описания. Однако в некоторых случаях их при­ менение целесообразно при исследовании реальных материалов и процессов без нарушения сплошности тел. Известны следующие разновидности структурного анализа:

1. Выявление линий скольжения путем травления деформирован­ ных металлов в специальных реактивах или наблюдение их на поли­

8

рованной поверхности образца. Наилучшие результаты получаются на малоуглеродистых сталях, а также на металлах, имеющих зуб текучести, при небольших пластических деформациях. При зна­ чительных деформациях отдельные линии становятся неразличи­ мыми, но могут быть установлены форма и границы пластических областей. Линии скольжения являются траекториями максимальных деформаций сдвига и во многих случаях совпадают с математиче­ скими характеристиками системы уравнений, описывающих пла­ стическое течение [22]. Так как задание характеристик эквивалентно построению решения, то оно оказывается исключительно полезным при анализе напряженного и деформированного состояний.

Физическое выявление линий скольжения связано с именами Д. К. Чернова, Людерса и Гартмана; примеры применения к иссле­ дованию процессов обработки металлов давлением содержатся в ра­ ботах [23, 24].

2.Измерение твердости для определения интенсивности напря­ жений в произвольной точке деформированного образца. Специаль­ ные способы тарировки позволяют определить поле пластической неоднородности, которое используется при анализе напряженного состояния совместно с другими экспериментальными методами [25, 26].

3.Оценка интенсивности деформаций сдвига по выпадению кар­ бидов или количеству a -фазы в процессе деформации некоторых ста­ лей [27].

Эти методы не находят применения в экспериментальной меха­ нике, так как требуют специальной аппаратуры и не обеспечивают требуемой точности.

Метод муара. Этот метод основан на явлении механической интерференции света, которое наблюдается при наложении растровсистем близкорасположенных линий, точек и других элементов. Одна из систем наносится на деформируемое тело, вторая — является исходной или эталонной. При наложении растров образуются кар­ тины хорошо различимых полос муара, изменение в положении и форме которых является относительно большим, по сравнению с ис­ кажением деформированной системы. Это является основой высоко­ чувствительного метода, с помощью которого можно измерять от­ носительные движения, вращения и деформации.

Метод муара можно рассматривать как развитие метода коорди­ натных сеток, когда система геометрических меток на деформируе­ мом теле становится достаточно плотной. В то же время использова­ ние интерференции и других оптических явлений определяет сход­ ство с поляризационно-оптическим методом. Как и в методе коор­ динатных сеток, интерпретация муаров оказывается чисто геоме­ трической, свободной от экспериментальных или феноменологиче­ ских законов. Это позволяет применять метод к материалам с любой реологией и физико-химическими свойствами, исследовать деформа­ ции различной природы — упругие, пластические, вязкие, ползу­ честь и др., а также статические, динамические и высокотемпера­ турные процессы. Метод муара дает полное кинематическое описание

9