ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра автоматизированного оборудования

машиностроительного производства

Методические указания

к лабораторным работам № 6 – 9 по дисциплине

«Физические основы обработки материалов давлением»

для направления подготовки бакалавров 151900 «Конструкторско-технологическое

обеспечение машиностроительных производств»

(профиль «Конструкторско-технологическое обеспечение

кузнечно-штамповочного производства»)

очной формы обучения

Воронеж 2014

Составители: ст. преп. С.И. Антонов, доц. А.Ю. Бойко, доц. А.М. Гольцев

УДК 621.73 (07)

Методические указания к лабораторным работам № 6 - 9 по дисциплине «Физические основы обработки материалов давлением» для направления подготовки бакалавров 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машино-строительных производств» (профиль «Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочного производства») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. С.И. Антонов, А.Ю. Бойко, А.М. Гольцев, Воронеж, 2014. 38 с.

В методических указаниях изложено содержание лабораторных работ по курсу "Физические основы обработки материалов давлением". Приведены краткие теоретические сведения по изучаемым вопросам, порядок проведения исследования, перечень оборудования, приборов и мате­риалов, применяющихся при исследовании, также указания по сос­тавлению отчетов.

Предназначены для студентов 3 курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле МУ ЛР ФООМД.doc.

Табл. 6. Ил. 11. Библиогр.: 12 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.С. Ткаченко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой профессор

В.М. Пачевский

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический

у ниверситет», 2014

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

К лабораторным работам допускаются студенты после инструк­тажа и проверки знаний правил по технике безопасности при выпол­нении лабораторных работ и соответствующей записи о проведении инструктажа в специальном журнале.

С правилами техники безопасности работы в лаборатории сту­денты знакомятся, изучая общую инструкцию, а также получая инс­труктаж от преподавателя на рабочем месте при проведении конк­ретных работ.

Лабораторные работы по курсу теории обработки металлов дав­лением проводятся в основном на универсальных испытательных ма­шинах. Правила безопасной работы на этом оборудовании состоят в следующем:

1. Силовой маятник машины при возрастании нагрузки отклоня­ется, а при сбросе нагрузки резко падает по дуге вниз, поэтому опасно находиться вблизи маятника во время работы.

2. Во время движения траверсы машины запрещается поправлять заготовку или инструмент. Все операции наладки инструмента или и установки заготовки производятся при неподвижной траверсе.

3. Во время работы нельзя опираться на траверсу, браться руками за колонны, становиться на основании машины.

4. Включать машину и управлять ею разрешается только под наблюдением преподавателя или лаборанта.

5. Необходимо соблюдать осторожность в обращении с инстру­ментом и заготовками, не допуская их падения с траверсы, со сто­ла или из рук.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ

Лабораторные работы составлены на основе программы курса "Физические основы обработки материалов давлением" отведенному времени на их проведение и оборудованию имеющемуся в лаборатории. Каждая лабо­раторная работа является небольшим исследованием, содержащим экспериментальную и расчетную части, и имеет целью углубление и закрепление знаний, получаемых студентами при изучении теоре­тической части курса. Лабораторные работы выполняются бригадами студентов 4-6 человек. До начала выполнения лабораторных работ студенты знакомятся с требованиями техники безопасности. Выпол­нение каждой работы предшествует ознакомление с содержанием ее основных теоретических положений, применяемым оборудованием, материалом, инструментом, приборами и порядком проведения экс­перимента. Допуск к выполнению работы осуществляется преподава­телем после проверки знания студентами ее содержания и порядка выполнения. Во время проведения каждой работы получаемые резуль­таты измерений, наблюдений и расчетов заносятся в рабочие тетра­ди в виде таблиц, формы которых приведены в соответствующих разделах методического руководства. На основании табличных данных строятся графические зависимости, наглядно показывающие взаимосвязь величин, характеризующих изучаемые явления. Отчет по лабораторному практикуму составляется каждым студентом на листах формата А4, сброшюрованных в одну тетрадь. Требования к содержанию отчета по каждой работе указаны в их описаниях.

Лабораторная работа № 6

(4 часа)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Уравнения, связывающие напряженное и деформированное сос­тояние при пластическом течении - называются физическими уравне­ниями связи. Их определение базируется на опытном изучении рео­логических свойств металлов. Путем введения ряда допущений о несжимаемости и изотропности, удается свести задачу эксперимен­тального нахождения физических уравнений к определению одной скалярной функции, которую называют кривой течения, кривой уп­рочнения и т.п. имеющих выражение

б_и=б(ε_и), (1)

где:σ_и- интенсивность напряжений;

ε _и - интенсивность скоростей деформации,

• - степень деформации (параметр Удквиста), накопленную материальной частицей при перемещении по ее траектории

Определение функции (1) в экспериментах основывается также на гипотезе единой кривой: эта зависимость σ_и~ε_и может быть оп­ределена при одноосном растяжении или сжатии, а результаты расп­ространены на любое сложное напряженное и деформированное состо­яние.

Напряжение,σ_и~σ_s полученное в таких опытах, называют соп­ротивлением металла в условиях развитой пластической деформации Задача определения зависимости σ_s~ε_и имеет важное практическое значение. Без ее решения невозможно рассмотрение вопросов проч­ности, разрушения, формоизменения и определения энергосиловых параметров технологических операций.

В теории пластичности и теории обработки металлов давлением (ОМД) наряду с интенсивностью напряжений σ_И и степенью деформа­ции ε_И применяют аналогичные инвариантные характеристики, кото­рые называются интенсивностью касательных напряжений Т=σ_и/√З и интенсивностью скоростей деформаций сдвига Λ√Зε_и. Заметим, что удельная (на единицу объема) мощность деформации несжимаемого материала Т_н= σ_иε_и. Наряду со степенью деформации ε_и применяют характеристику степень деформации сдвига

(2)

Интенсивность касательных напряжений, соответствующую сопротивле­нию металлов пластической деформации, можно определить из формулы

Т = √((σ-σ)²+(σ-σ)²+(σ-σ)²)/6 (3)

Так как при одноосном растяжении σ₁₁=σ_s, σ₂₂= σ₃₃=0, а при одноосном сжатии σ₁₁=σ₂₂=0, σ₃₃= - σ_s, то Т= σ_s/√З≈σ_s. Эта вели­чина равна пределу текучести при чистом сдвиге τ_s, следователь­но, сопротивление деформации σ_s=√3τ_s≈1,73τ_s

В общем случае сопротивление пластической деформацииσ_s за­висит от следующих факторов:

- химического состава и структуры металла;

- температуры, степени и скорости деформации;

- среднего (гидростатического) давления;

-истории развития напряжений и деформаций во времени;

- масштабного фактора и условий внешней среды.

При холодной деформации сопротивление деформации можно оп­ределять на универсальных испытательных машинах типа Р-10, УМЭ-ЮТМ и т.п., имеющих постоянную скорость деформирования, а, следовательно, изменяющуюся в определенных пределах скорость де­формации в процессе испытаний. При горячей деформации такие ис­пытания необходимо проводить на специальных машинах - пластометрах, конструкция которых обеспечивает постоянную скорость де­формации образца. Однако большая сложность и высокая стоимость этих машин объясняет их малое распространение на практике. В бо­лее ограниченных пределах изменения скорости деформирования это­го испытания возможно проводить на кривошипных машинах, обеспечи­вающих при ε<50%приблизительно постоянную скорость деформации. Условия испытаний на растяжение и осадку регламентируются соответственно ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 8817-84 и осуществляются на однотипных машинах.

Для удобстваанализа механических свойств в зависимости от температуры применяют понятие гомологической или сходственной температуры, т.е. отношение текущей изучаемой температуры θ к температуре плавления θ_пл данного металла в градусах Кельвина

θ_г=θ/θ_пл (4)

По А.А.Бочвару, гомологическая температура рекристализации чистых металлов θг=0,4. Принято считать, что если θ_г<0,4, то деформация будет холодной или теплой, если же θ_г>0,4, то деформация осуществляется вместе с рекристаллизацией и является горячей.

В теорииОМД принято сопротивление деформации металлов представлять в виде диаграмм в зависимости от степени деформации (ε_и) при постоянных скорости деформации (έ=const) и температуре (θ=const) испытаний. Иногда влияние выше перечисленных параметров на величину σ_s учитывают с помощью термомеханических коэффи­циентов n_εи, n_έ,n_θ. Тогда σ_s=n_εиn_έn_θσ_s0, где: σ_s0 - предел теку­чести металла при статических испытаниях и комнатной температу­ре.

Скорость деформирования, т.е. скорость продвижения инструмента в направлении деформации V=dh/dt в ОМД, имеет широкий диа­пазон. Соответственно и средняя скорость деформации за время dt, определяемая как

έ_ср= (5)

лежит в широком интервале от 10^-2 до 10³ с^-1.

В зависимости от гомологической температуры деформации вли­яние скорости деформации проявляется различным образом. Если при холодной деформации, сопровождаемой только упрочнением, измене­ние скорости деформации даже на порядок мало сказывается на ве­личине σ_s, то при горячей деформации эта величина существенно зависит от соотношения скоростей протекания процессов упрочнения и рекристаллизации. Эту особенность необходимо учитывать при расчете технологических параметров, включающих величину сопротив­ления деформации, а также в методике определения величины σ_s. При растяжении или сжатии образца на испытательной машине запи­сывается индикаторная диаграмма (рис.1) в координатах усилие де­формации - абсолютная деформация. Обработав соответствующим об­разом зависимости Р~Δl или Р~Δh, можно получить диаграмму ис­тинных напряжений σ_s~ε* (рис.2). Нелинейный участок диаграммы (пунктир рис.1) получается в результате выборки люфтов и зазоров в захватах машины, ходовом винте и др. деталях испытательной машины.

Исключая начальный, нелинейный участок диаграммы 0'А про­должением линейного участка АВ до пересечения с осью абсцисс, получают новую точку 0 начала отсчета абсолютной деформации Δ1 или Δh образца.

При растяжении во всем образце имеет место однородное одно­осное напряженное состояние, ось образца совпадает с одной из осей главных нормальных напряжений и главных удлинений

σ₁₁=Р/F=σ_s;σ₂₂=σ₃₃=0;σ_и=σ_s (6)

ε₁₁=V/l;ε₂₂=ε₃₃=-V/l; ε_и=-V/l, (7)

где: Р - сила растяжения образца; F - его текущая площадь поперечного сечения; V - скорость движения одного иззахватов испытательной машины относительнодругого; 1 - текущая длина об­разца; l₀ - длина образца до испытаний.

Степень деформации равна

ε_и= (8)

ε_и=ε^*=ln(l/l)=ln(l+l)/l=ln(1+ε), (9)

где ε=Δl/l₀ - относительная степень деформации.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма

Рис. 2. Диаграмма истинных напряжений

Условная диаграмма в координатах σ~ε подобна индикаторной и служит исходной для построения истинной диаграммы в координа­тах σ_s~ε^* (рис.2).

До момента образования шейки в области однородной деформа­ции (зоне 1 и 2 рис.1) удлинение образца равномерное. Истинное напряжение в областях 1 и 2 определяют, используя условие посто­янства объема непосредственных замеров текущего диаметра образ­ец:

σ_и=Р/F=Р(l+l)/F_оl_о=σ₀е^ε* (10)

т.к. величина Δl фиксируется на индикаторной диаграмме.

В области 3 неравномерной и неоднородной деформации, кото­рая начинается в точке максимальной нагрузки (точка ш на рис.1) и заканчивается разрушением, методика определения напряженно-деформированного состояния существенно усложняется.

В области 3 диаграммы напряженное состояние в шейке образца неравномерное, неоднородное и характеризуется схемой трехосного растяжения (рис.3,4,5)

Наличие объемного напряженного состояния приводит к повыше­нию напряжений по сравнению с теми, которые должны быть при ли­нейной схеме на величину, равную б₂ (рис.3). Такое повышение напряжений называют "упрочнением формы". Величину б_s в области 3 можно определять по формуле Давиденкова-Спиридоновой

(11)

где: б_s- деформация в точках ш₁,ш₂,...ш_i,"р";

d и R - диаметр шейки и радиус кривизны контура шейки об­разца в моменты растяжения, соответствующие этим же точкам диаг­раммы (рис.4).

Однако с достаточной для практики точностью этот участок диаграммы может быть построен по точкам с координатами P_max, ε_ш, и P_p, ε_p.

На разорванном образце необходимо определить площадь двух сечений: наименьшую F_p и наибольшую, соответствующую началу об­разования шейки F_ш. Истинные напряжения и деформации в указанных точках соответственно равны

σ_sш=Р_max/F_ш; ε*_ш=F₀/F_ш; (12)

σ_sp=Р_p/F_p; ε*_p=ln(F₀/F_ш). (13)

Рис. 3. Схема трёхосного растяжения

Рис. 4. Схема образования шейки

Рис. 5. Распределение степени деформации

Соединив плавной кривой полученные экспериментальные точки, можно получить кривую упрочнения σ_и~ ε_и для данного образца.

Степень деформации до потери устойчивости однородного тече­ния при растяжении следует признать малой (5…40%). На практике обработка металлов давлением осуществляется чаще всего с дефор­мациями большей величины. Определения сопротивления деформации после образования шейки носит приближенный характер. Поэтому ис­пытание на растяжениене может быть безоговорочно использовано в качестве универсального метода для определения кривой упрочнения σ~ ε.

Рассмотрим другой способ испытания металлов с целью опреде­ления сопротивления деформации, позволяющий осуществить дефор­мацию до значительно больших величин, чем при растяжении, т.е. осадку цилиндрических образцов плоскими полированными и смазан­ными бойками.

Для испытания применяются цилиндрические образцы с отноше­нием высоты к диаметру, осадка низких образцов сопровождается существенным искажением опытных данных о сопротивлении деформа­ции из-за влияния трения. Высокие образцы теряют устойчивость, получают продольный изгиб, при этом существенно нарушаются усло­вия однородной деформации. Однако полностью устранить влияние трения не удается. Нормальные напряжения при осадке несколько выше сопротивления деформации, причем отклонение будет тем существенней, чем ниже цилиндр. Поэтому обычно осаживают образец на величину не более 50-70% начальной высоты. Для получения данных при больших степенях деформации применяют метод осадки нес­кольких разновысоких образцов или обточки осаженого цилиндра для восстановления первоначального соотношения h/d.Обычно для предупреждения выдавливания смазки с контактной поверхностью из­готавливают образцы с буртиками или с круговыми концентрическими канавками на торцах. Эти меры сочетают с использованием тонких пленок фторопласта, полиэтилена или из свинцовой фольги, играю­щих роль твердой пластической смазки.

Диаграмма Р~Δh, зафиксированная в опыте, может быть легко перестроена в переменных σ_и~ε_и. Действительно, при осадке без трения σ₁₁=σ₂₂=0;σ₃₃= - P/F. Текущая площадь поперечного сече­ния цилиндра F=F₀h₀/(h₀-Δh). Тогда

σ_и=σ_s=Р(h₀-Δh)/F₀=σ₀(1-ε)=εσ₀е^ε*; (14)

ε_и=ε*=ln(h₀/(h₀-h))=ln1/1-ε. (15)

Для аналитического решения задач необходимо иметь уравнение кривой упрочнения. Наиболее точно кривую упрочнения отражает степенная функция.

Поэтому можно принять

σ_s= σ₀+Aε_иⁿ, (16)

где: А и n - коэффициенты, которые определяются по экспериментальным значениям зависимости σ_и~ε_и. Однако, использование уравнения (16) в аналитических расче­тах иногда встречает с серьезными затруднениями. Поэтому, часто используют более простую аппроксимацию кривой упрочнения

σ_s= σ₀₁+Bε_и, (17)

где: В - коэффициент, аппроксимации;

σ₀ - экстраполированный предел текучести.

Для определения величины коэффициентов А,В, и n аппроксима­ции зависимости σ_и~ ε_и может быть использован метод наименьших квадратов (МНК). Однако с достаточной для практики точностью коэффициенты можно определить из решения системы уравнений кривых вида (16),(17), проходящих через выбранные две точки экспе­риментальной зависимости σ_и~ ε_и.

σ₁=σ₀+Аε_и1ⁿ; (18)

σ₂= σ₀+Аε_и1ⁿ.

Обычно точки выбираются: одна в области равномерной дефор­мации ε_и< 0.1, другая в области, близкой к точке разрушения ε_и>0.5.

Решая систему, получим

; (19)

, (20)

Для аппроксимации зависимостью (16) проводится прямая через точки σ₀₁ и σ₂ так, чтобы площадь под кривой и прямой упрочнения на участке 0<ε<ε₂ была примерно одинаковой. Точку σ₂, ε₂ выбира­ют как конечную предполагаемого диапазона деформаций.

Тогда

(21)