1.3 Понятие о напряженности в деформированном металле при обработке давлением Внешние и внутренние силы. Понятие о напряжении
Пластическая деформация в большинстве случаев протекает под действием внешних (приложенных) сил, возникающих на поверхности контакта деформируемого металла и инструмента. Иногда деформация может происходить и без приложения внешних сил, например от термических напряжений, при неравномерном нагреве и охлаждении металла. Причинами, вызывающими появление внешних сил, являются действия машин – молотов, прокатных станов и т.д. Силы от действия машин направлены нормально к контактной поверхности, а силы трения действуют в плоскости контактной поверхности по касательной к ней.
Внешние силы разделяют на:
Активные – силы, совершающие деформацию;
Реактивные – силы, препятствующие перемещению частиц металла при деформации;
Рисунок 19 – Схема действия активных и реактивных сил.
Напряжение
– интенсивность внутренних сил. Величина
напряжения равна отношению силы к
площади поперечного сечения, на которую
он воздействует:
,
где Р – сила, кг;
F
– площадь поперечного сечения,
;
При обработке металла давлением возникают внутренние напряжения. Напряженное состояние в любой точке тела выражается главными нормальными напряжениями.
Главными нормальными напряжениями называют такие направления, действие которых совпадает с главными осями координат.
Всего существует 9 схем напряженного состояния:
Линейные схемы – если сила, действующая на тело, проецируется на одну ось координат, то имеет место линейное напряженное состояние.
Рисунок 20 - Линейные схемы напряженного
состояния:
- одностороннее сжатие;
- одностороннее растяжение;
Схема в природе не встречается, но ее можно представить при осаживании образца между двумя исключительно гладкими и хорошо смазанными поверхностями, когда коэффициент трения стремится к нулю.
Схема имеет место при испытании образцов при растяжений, до момента образования шейки.
Плоские схемы – если сила, действующая на тело, проецируется на две оси координат, то имеет место плоское напряженное состояние.
Рисунок 21 – Плоские схемы напряженного
состояния:
- двухосное сжатие;
- разноименная схема;
-
двухосное растяжение;
Плоские схемы встречаются крайне редко и являются переходными, от линейных, к объемным.
Объемные схемы – если сила, действующая на тело, проецируется на три оси координат, то имеет место объемное напряженное состояние.
Рисунок 22 – Объемные схемы напряженного
состояния:
- трехосное сжатие;
- разноименные схемы;
- трехосное растяжение;
Схема
01 имеет
место при обычном процессе прокатки
или ковке:
возникает за счет давления валков на
металл;
возникает за счет сил трения, препятствующих
уширению металла;
возникает за счет сил трения, препятствующих
выходу металла из валков, т.е. действующих
в продольном направлении очага деформации.
При
прокатке
>
>
.
Рисунок 23 – Схема напряженного состояния при прокатке.
При ковке возникает за счет удара бойка молота о металл; и возникает за счет сил трения, действующих в поперечном направлении очага деформации.
Схема 02 имеет место при волочении или при прокатке с натяжением. При волочении и возникают за счет давления стенок фильтра на металл; возникает за счет тянущего усилия (Рисунок 24).
При волочении =
Рисунок 24 – Схема напряженного состояния при волочении.
Прокатку с натяжением применяют, чтобы снизить давление в очаге деформации и повысить устойчивость раската между клетями. При прокатке с натяжением возникает за счет давления валков на металл; возникает за счет сил трения, препятствующих уширению; возникает за счет натяжения переднего и заднего конца.
Рисунок 25 – Схема напряженного состояния при прокатке с натяжением.
Схема 03 практического применения не получила, но возможна в некоторых частях деформируемого тела при ковке и штамповке.
Схема 04 имеет место при испытании образца на разрывной машине в момент образования шейки, а так же при прокатке круглой заготовки на прошивном стане (бесшовные трубы).