Продолжение лекции.

При повторной пластической деформации в теле, которое уже было подвергнуто предварительной обработке давлением, то в нем уже были остаточные напряжения σ_ост и суммарные напряжения, которые принято называть основными напряжениями σ_осн суммируются по абсолютной величине и будут равны σ_осн = σ_р ± σ_ост Если действующие – рабочие напряжения и остаточные напряжения одного знака, то σ_осн = σ_р + σ_ост, если σ_р и σ_ост разных знаков, то σ_осн = σ_р - σ_ост. При расчётах довольно часто действующее напряжение приравнивают к пределу выносливости при симметричном цикле σ_-1, который меньше предела упругости. Поэтому, может возникнуть ситуация, когда оба напряжения растягивающие и сопоставимы по величине, σ_д + σ^о > σ_0,2, что может вызвать коробление, растрескиваниеи хрупкое разрушение, понижение предела упругости материала, изменение предела усталости и т.д. как в процессе изготовления деталей, так и в процессе их эксплуатации. Растягивающие остаточные напряжения особенно вредны для металлоизделий, работающих при знакопеременной нагрузке, т.к. такие напряжения способствуют усталостному разрушению (усталостная трещина, как правило, зарождается на поверхности изделия). В то же время в результате исследований Кудрявцева И.В. установлено, что благоприятное распределение остаточных напряжений в изделиях может повысить их вибрационную и усталостную прочность. Поверхность изделий, как правило, является наиболее слабой зоной, поэтому любой процесс, который ведет к возникновению и росту поверхностных сжимающих напряжений, будет благоприятным для работы материала изделия. Следовательно, очень важно осуществлять контроль остаточных напряжений как в процессе изготовления деталей, так и в процессе их эксплуатации.

Рис.3. Разрушение сварной трубы размером Dт х Sт = 1420 х 27,7 мм в процессе эксплуатации.

а

б

Рис.5 Сложнопрофильные осесимметричные изделия из листовой заготовки, полученные ротационной вытяжкой: а – деталь-экран; б – с дефектом – трещиной.

Предотвращение и уменьшение остаточных напряжений, возникающих в процессе ОМД, можно осуществить:

■ выбором соответствующих условий деформации;

■ последующим механическим воздействием;

■ термической обработкой.

3. Влияние внешнего трения

Внешнее трение затрудняет скольжение деформируемого тела по инструменту; действие его не одинаково по объему тела, оно наиболее сильно вблизи контакта с инструментом и уменьшается по мере удаления от контакта. Это приводит к неравномерности деформации. Рассмотрим осадку цилиндрического образца между параллельными шероховатыми плитами. При осадке образец прини­мает бочкообразную фор­му в результате действия сил трения на контакте. Напряжение трения на кон­тактной поверхности увели­чивается от периферии к центру, так как для смеще­ния какой-либо точки кон­тактной поверхности в на­правлении радиуса от цент­ра необходимо приложить силу, равную сопротивлению смещения всех точек, распо­ложенных на данном ра­диусе. Напряжение трения увеличивается до значения βσ_т/2, после чего скольжение дол­жно прекратиться и насту­пит прилипание. Таким образом, подпира­ющее действие сил трения, затрудняющее деформацию, будет наиболее сильным в центре контактной поверхности. По мере удаления от центра по оси образца и по радиусу к периферии напряжения трения уменьшаются, деформация облегчается. 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 образца. Выход зоны затрудненной деформации на контактную поверхность соответствует зоне прилипания. Затруднение скольжения металла по инструменту приводит к бочкообразности и переходу боковой цилиндрической поверх­ности на контактную. Если на торцовой поверхности цилиндри­ческого образца нанести риски в форме концентрических окруж­ностей и на боковой поверхности — риски по образующим (рис.1,а), то после осадки радиусы концентрических рисок, близкие к центру, не изменят своих размеров (прилипание), а ра­диусы, близкие к периферии, несколько увеличатся (скольжение); риски с боковой поверхности частично перейдут на торцы (рис.1,б).

Рис.1 Переход боковой поверхности на торец осаживаемого образца: а – образец до осадки, б – образец после осадки

Неравномерность деформации хорошо иллюстрируется известным опытом Кика по осадке образца, со­ставленного из разноцветного пла­стилина (рис. 2). Как видно из рисунка, максимальная деформация получается в центральной ча­сти образца.

Рис.2. Неравномерность деформации при осадке образца из разноцветного пластилина.

На рис. 3 (88) представлены результаты расчета неравномерности деформации при осадке стального образца при 850° С. Из рисун­ка видно, что чем выше степень деформации, тем больше ее не­равномерность. Так, при обжатии образца на 57% деформация вблизи торцов составила 18%, на середине высоты образца по осевой линии 88%; при обжатии образца на 10% деформация у торцов и на середине соответственно равна 5 и 17%.

И. М. Павлов исследовал также неравномерность деформации по высоте измерением величины зерен, полученных в результате рекристаллизации после осадки стальных образцов в холодном состоянии. На рис. 89 представлено схематически из­менение одинаковых по величине зерен в результате неравномер­ной деформации и рекристаллизации при невысокой степени де­формации и значительных величинах коэффициента трения. Как видно из схемы; вблизи контактной поверхности (в зоне затрудненной деформации) зерна мелкие, степень деформации меньше критической; на некотором расстоянии от контактной поверхно­сти зерна крупные в результате критической степени деформации; ближе к середине высоты образца зерна мелкие, степень дефор­мации выше критической.

.

Рис. 6 Распределение твер­дости по Роквеллу в осевой плоскости после осадки образца из алюминиевого сплава (С. И. Губкин)

С. И. Губкин исследовал не­равномерность деформации по все­му объему при осадке без нагрева образцов из алюминиевого сплава путем измерения твердости в раз­личных точках осевой плоскости, по которой образец разрезали пос­ле осадки (рис. 6). По величине твердости плоскость образца мож­но разделить на участки /—///. Наибольшая твердость обнаружена в участке //, что свидетельствует о большем наклепе в результате большей деформации в нем. Наименьшая твердость и, следова­тельно, наименьшая степень деформации получилась в участ­ке /— в зонах затрудненной деформации. Промежуточное зна­чение твердость имеет в участке /// (в боковых зонах). Форма участка // и распределение твердости по участкам свидетель­ствуют также о том, что наиболее интенсивны деформации по плоскостям, близким к плоскостям максимальных касательных напряжений. Результаты этого эксперимента согласуются с ре­зультатами описанного выше опыта Кика (см. рис. 86).

При осадке образцов из упрочняющихся металлов с большим отношением диаметра (ширины) к толщине, когда скольжение происходит по всей контактной поверхности, упрочнение в тон­чайшем приконтактном слое зависит от величины смещения; в центре оно наименьшее, а к периферии увеличивается.

Опытами установлено, что при большом отношении высоты цилиндра к его диаметру образуется двойная бочкообразность с цилиндрическим участком между двумя бочками. Действие подпирающих сил трения затухает в пределах двух бочкообразных утолщений цилиндра и в средней части по высоте имеется линей­ная схема сжатия.

Проф. Тюрин В.А. (МИСиС) исследовал неравномерность деформации на образцах с разной величиной геометрических размеров: D/H (рис.7) при холодной обработке - осадке с применением метода координатных сеток. В результате исследований было установлено, что при осадке образца с отношением D/H ≤ 0,4 – 0,7 по высоте у такого образца имеется 4 типа зон:

■ две куполообразные зоны 1 затрудненной деформации, которые примыкают к контактным поверхностям металла и инструмента;

■ две зоны 2 локализованной деформации, примыкающие к зонам 1; в этих зонах действуют максимальные тангенциальные напряжения под углом 45⁰ к оси образца;

■ две зоны 3, в которых действуют кольцевые растягивающие напряжения;

■ одна зона 4, которая располагается между зонами 2 и которая характеризуется наиболее равномерной деформацией.

Рис.7. Зоны деформации при осадке цилиндрических заготовок с различным соотношением D/H.

В начальной стадии осадки происходит двойное бочкообразование образца, которое при

D/H = 0,7-0,8 исчезает (рис. 7,б,в). При этом на перефирии зона 4 переходит в зону 3, которая становится единственной кольцевой зоной для всего образца; в средней части зона 4 поглощается двумя зонами 2, которые объединяются в общую, имеющую в продольном сечении крестообразную форму (рис.7,в). Дальнейшая осадка связана со значительным развитием зоны 1 (рис.7,г), имеющей к этому времени уже некоторую деформацию; для этого случая затрудненной зоной, характеризуемой очень небольшими деформациями, является лишь средняя часть - зона 1¹; остальные части этой зоны – периферийные участки 1¹¹ характеризуются большими деформациями, но меньшими, чем деформации во всем объеме. В периферийных участках – зоны 1¹¹ имеется металл, перешедший из зоны 3, который уже деформирован в большей степени, чем это характерно для зоны затрудненной деформации. Процесс перехода металла из одной зоны в другую происходит непрерывно.

Неравномерность деформации в результате трения приводит также к появлению дополнительных напряжений и может приве­сти к изменению схемы напряженного состояния в отдельных час­тях тела. Так, при осадке схема основных напряжений — всесто­роннее сжатие. С момента образования бочкообразности участ­ки /// (см. рис. 6) частично выходят из зоны непосредственного обжатия, а центральная часть обжимается, стремится увеличить диаметр и распирает охватывающую ее внешнюю часть (участ­ки ///) как обойму, вызывая в ней дополнительные напряжения растяжения по окружности (тангенциальные напряжения); во внутренней зоне появятся дополнительные тангенциальные на­пряжения сжатия. Этим объясняется появление трещин по обра­зующим осаживаемого цилиндра, например при известном методе испытания на осадку.

Появление дополнительных напряжений в результате совмест­ного действия сил трения и формы инструмента можно наблюдать при прессовании и волочении. Силы трения и форма канала за­трудняют течение металла в слоях, прилегающих к волоке, вследствие чего центральные слои стремятся получить большую вытяжку и принудительно утянуть наружные слои. Это приводит к появлению дополнительных продольных (осевых) и танген­циальных напряжений растяжения в наружных слоях и сжатия в центральных. По направлению радиусов будут действовать по всему сечению дополнительные напряжения сжатия, равные нулю на поверхности.

Неравномерная деформация в случаях, обусловленных внеш­ним трением, также может быть несимметричной. Так, при осад­ке образца между плитами с различным качеством отделки по­верхности (например, одна шлифованная, смазанная маслом, а другая шероховатая) цилиндрический образец примет форму, приближающуюся к трапеции в осевом сечении: основание вбли­зи полированной и смазанной плиты будет шире, чем вблизи ше­роховатой.

Таким образом, причина бочкообразования – в сдерживающем действии сил трения; это явление нежелательно, т. к. приводит к перерасходу металла.