книги из ГПНТБ / Пластическое деформирование металлов [сборник статей]

лиях, чI о часто является неисправимым браком. В процессе дрес­ сировки уменьшаются колебания толщины листа в разных его точ­ ках, устраняется незначительная волнистость и коробоватость, получается окончательное качество поверхности листового металл ла. Дрессировка оказывает весьма существенное влияние на механические свойства листового металла и во многом определяет его штампуемость.

Важность и актуальность вопросов, связанных с исследовани­ ем влияния параметров процесса дрессировки на механические свойства листового металла, вызвали необходимость проведения больших экспериментальных исследований [1—5]. Исследования проводились по неравномерности деформаций и точности дресси­ руемой полосы, по величине и характеру распределения остаточ­ ных напряжений в дрессированном листовом металле, по измене­ нию свойств дрессированного металла во времени (старение) и т. д. Однако до последнего времени экспериментальные исследова­ ния велись без должной теоретической основы, что вызывало из­ лишние затраты средств, труда и времени исследователей. Боль­ шое число параметров, что характерно для процесса дрессировки листового металла, привело к отсутствию ясной картины для ис­ следуемых явлений и даже к противоречиям экспериментальных данных, полученных разными авторами.

В работах [6—11] получены решения двумерных упругоплас­ тических задач о сжатии тонких полос, т. е. решения задач, ха­ рактерных для процесса дрессировки тонколистовых металлов. Решения получены для разных видов диаграмм зависимости интен­ сивностей напряжений at от интенсивности деформаций е,: для упругого идеально пластического материала, для упругого пла­ стически упрочняющегося материала и для упругого пластически упрочняющегося материала, имеющего площадку текучести на диа­ грамме ot = сгг (в;). Указанные решения позволили получить рас­ пределения напряжений и деформаций, а также распределение ос­ таточных напряжений в деформированной тонкой полосе. Теоре­ тические результаты по распределениям а* и е,- и остаточных на­ пряжений в тонкой полосе, полученные с применением методов теории упругости и пластичности, позволяют поставить на науч­ ную основу исследования механических свойств дрессированного» листового металла и влияния на них параметров процесса дрес­ сировки. В свете полученных теоретических результатов рассмот­ рим некоторые стороны проблемы влияния параметров процесса дрессировки на механические свойства листовой стали.

В работах [7—12] получены теоретические распределения ос­ таточных напряжений в деформированных тонких полосах. Характерные эпюры распределения остаточных напряжений в тон­ ких полосах показаны на рис. 1, а и б, где использованы следую­ щие обозначения: Н — толщина полосы, | = у/Н — безразмер­ ная ордината, причем £ = 0 отвечает центральный слой полосы, а £ = 0,5 наружный контактный слой, ц и ц' — величины коэф-

30

Рис. 1. Распределение оста­ точных напряжений 5xofasпо сечениям тонких деформи­ рованных полос для разных значений показателя упроч­ нения п

пластическая область проника­ ла через, все сечение полосы

<ц = 0,5) [9]

фициентов пластического трения, а направление оси х совпадает с направлением прокатки. Ордината %h = 0,25 отвечает границе раздела упругого слоя в центре полосы и пластического у контакт­ ной поверхности. Распределения остаточных напряжений на рис. 1, л и б показаны до оси симметрии полосы.

Остаточные напряжения в прокатанном листовом металле оп­ ределялись экспериментально многими исследователями. Экспе­ риментально полученные эпюры остаточных напряжений приве­ дены, например, в работах [1, 13—19 и др]. Проведенные экспери­ ментальные исследования показывают, что а) в центре дрессирован­ ного листового металла остаточные напряжения растягивающие, а на поверхности — сжимающие, б) сжимающие остаточные на­ пряжения в поверхностных слоях листового металла по абсолют­ ной величине больше растягивающих остаточных напряжений в центре полосы. Эти результаты качественно полностью соответст­

напряжений в прокатанной листовой стали, определенные экспе­ риментально, составляли 75—80% от ее предела текучести [15]. Максимальное значение модуля остаточных напряжений а ж0 получается теоретически при р = 0,5, п = 0, у = + Н/2 и равно

I L . gs 2 ’ У'з

ными результатами.

Для дополнительной экспериментальной проверки количест­ венного соответствия остаточных напряжений в деформированных образцах с рассчитанными теоретически лабораторией пласти-

31

ческих деформаций Института машиноведения было проведено специальное исследование на оптико-механической установке ка­ федры авиационного металловедения МАИ им. С. Орджоникидзе. В работе [13] приведена теоретически рассчитанная эпюра оста­ точных напряжений и экспериментальные значения остаточных напряжений в тонких пластически деформированных образцах. Эксперименты показали хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов как по характеру распределения, так и по величине остаточт-ых напряжений.

Характер экспериментальных эпюр остаточных напряжений обычно аналогичен эпюрам рис. 1, б, т. е. получающимся при про­ никновении пластической деформации через все сечение деформи­ руемой полосы. Однако получены экспериментально и эпюры распределения остаточных напряжений для случаев, когда в цент­ ре листа имелась упругая область, т. е. вида рис. 1, а. Особенно интересны экспериментальные эпюры распределения остаточных напряжений по толщине дрессированной полосы, полученные в работе [14]. В этой работе получена эпюра остаточных напряже­ ний вида, показанного па рис. 1, а, т. е. полученная для наличия упругого слоя в центре полосы. Там же получена эксперименталь­ но эпюра остаточных напряжений вида, показанного на рис. 4 работы [11], т. е. полученная для наличия идеально пластического слоя в центре полосы и пластического упрочнения в приконтактных слоях. Экспериментальная эпюра четко обнаруживает два" характерных перегиба, отвечающих границам раздела централь­ ного идеально пластического и пластически упрочняющихся сло­ ев. В этой же работе получена экспериментально и эпюра остаточ­ ных напряжений типа рис. 1, б, т. е. отвечающая случаю пласти­ ческого упрочнения всех точек поперечного сечения листового металла. Указанные эпюры остаточных напряжений в работе [14] расположены в порядке возрастания средней величины обжатия при дрессировке, причем расположение этих эпюр остаточных на­ пряжений соответствует величинам обжатий, а также согласует­ ся с величиной площадки текучести или ее отсутствием у дресси­ рованного листового металла.

Большая практическая важность вопроса об остаточных на­ пряжениях в дрессированной листовой стали сказывается как в том, что они существенно влияют на напряженное состояние заго­ товки в процессе штамповки и свойства получаемого изделия, так и в том, что остаточные напряжения оказываются весьма тес­ но связанными со скоростью старения листовой малоуглеродистой стали.

Для листовой штамповки весьма широкое распространение по­ лучили кипящие стали, что объясняется их дешевизной, большой пластичностью и высоким качеством поверхности штампованных деталей. Однако кипящие стали типа 08кп подвержены старению, в результате которого изменяют неблагоприятным образом меха­ нические свойства при старении: появляется площадка текучести,

32

значение cts увеличивается, а пластичность стали уменьшается [1, 3|. Появление площадки текучести на диаграмме зависимости а, = Oi (ег) приводит при штамповке к образованию полос сколь­ жения на поверхности штампованных деталей, что обычно явля­ ется неисправимым браком.

Как показывают экспериментальные исследования, скорость старения уменьшается при увеличении степени предварительной деформации листа, т. е. при увеличении обжатия при дрессировке [1, 20]. Однако при увеличении обжатия пластичность стали умень­ шается, вследствие чего этот регулирующий скорость старения фактор оказывается сильно ограниченным.

Другим фактором, оказывающим большое влияние на скорость старения, являются остаточные напряжения в листовом металле. Многочисленными экспериментальными исследованиями доказано, что чем больше остаточные напряжения в листовом металле, то тем больше время его старения [1, 16, 18, 20—22 и др.]. Время старения определяется как время появления у дрессированного листового металла при хранении площадки текучести определен­ ной длины. Как доказано экспериментально, остаточные напря­ жения замедляют скорость старения в сотни и тысячи раз [22],

На существенное влияние остаточных напряжений на скорость старения обратил внимание Н. Поляковский, который показал экспериментально, что если перед старением прокатанные, воло­ ченные или деформированные скручиванием образцы подвергнуть небольшому растяжению, то площадка текучести при старении образцов появляется значительно быстрее [18]. Аналогичный ре­ зультат был получен экспериментально и для образцов из дресси­ рованной листовой стали [20, 22]. Указанные результаты объяс­ няются тем, что растяжение образцов резко уменьшает величину остаточных напряжений в них, что в свою очередь влечет за собой сильное уменьшение времени старения. По аналогичной причине время старения резко уменьшается при легкой правке дрессиро­ ванного листового металла на ролико-правильной машине, а так­ же при снятии поверхностных слоев у листового металла, что вы­ зывает значительное уменьшение остаточных напряжений [16,18].

Площадку текучести у листового металла устраняют на прак­ тике дрессировкой, правкой на ролико-правильных машинах или растяжением листов на растяжных листоправильных машинах. Наибольшая величина остаточных напряжений в листовом метал­ ле возникает в дрессированном листовом металле, когда остаточ­ ные напряжения могут достигать 90% от предела текучести [7,9]. Как показывают результаты решения задачи о пластическом из­ гибе прямоугольной полосы [23, 24], при однократном изгибе лис­ тового металла величина максимальных остаточных напряжений не может превышать значения 0,5 as. При многократных переги­ бах полосы с уменьшающейся кривизной, что характерно для прав­ ки листового металла на ролико-правильных машинах, величина остаточных напряжений будет значительно меньшей. При одно-

осном растяжении листов, характерном для растяжных листопра­ вильных машин, остаточные макронапряжения в листовой стали не возникают.

Экспериментальные исследования показывают, что для фикси­ рованной деформации в соответствии с величиной остаточных на­ пряжений при хранении листовой стали наиболее быстро площад­ ка текучести обнаруживается у металла, подвергнутого деформа­ ции на растяжной правильной машине, позже у металла, подверг­ нутого правке на ролико-правильной машине, и в последнюю оче­ редь у дрессированного листового металла [1, 16, 21]. В работах [1, 16] приведены графики экспериментальных зависимостей вре­ мени старения от величины остаточных напряжений.

Большой практический интерес представляет вопрос о време­ ни старения листового металла в разных направлениях. Теорети­ ческие результаты показывают, что остаточные напряжения в дрес­ сированном листовом металле в направлении прокатки в 2 раза превышают остаточные напряжения, действующие в поперечном направлении листа [3,7—12]. Поэтому в свете изложенного выше следует ожидать, что площадка текучести при старении листового металла будет появляться раньше в поперечном направлении, а потом уже в продольном. Действительно, для дрессированной ли­ стовой стали это явление было обнаружено экспериментально мно­ гими исследователями [16, 18, 25]. Так, например, в работе [25] приведены экспериментальные результаты для стали 08кп, продрессированной с обжатием АН/Н = 1,55% и состаренной в те­ чение 1,5 месяца при комнатной температуре. После старения ока­ залось. что образцы, вырезанные поперек направления прокатки, обнаруживали площадку текучести, протяженность которой бы­ ла в 2—5 раз больше, чем у продольных образцов.

На характер старения образцов в разных направлениях ока­ зывает влияние и направленный характер предшествующей де­ формации, вызывающей локальную анизотропию деформируемой среды. Как показали экспериментальные исследования, достаточ­ но большая пластическая деформация одного направления сопро­ вождается изменением скорости старения металла в разных на­ правлениях [1]. Так в опытах Ф. Типпера образцы из листового металла подвергались одноосному растяжению с относительными деформациями порядка 10%. Было показано экспериментально, что площадка текучести при старении в этом случае появляется раньше для направления предшествующего растяжения, чем для поперечного [1]. Указанный эффект при достаточно больших об­ жатиях при прокатке может преобладать над эффектом влияния разности остаточных напряжений в продольном и поперечном на­ правлениях. Итоговый результат старения зависит от совместного действия этих двух различных факторов. В работе [16] показано экспериментально, что уже при обжатиях в 6,25% площадка текучести при старении начинает появляться раньше у продольных образцов из прокатанного листового металла, чем у поперечных.

34

Рассмотрим теперь коротко основные экспериментальные дан­ ные по влиянию диаметра и шероховатости валков дрессировочно­ го стана на свойства листового металла.

Для дрессировки характерны большие значения отношения ра­ диуса валков R к толщине Н прокатываемой полосы. Так, напри­ мер, при дрессировке жести отношения R/H достигают значений порядка 1000. Это приводит к тому, что отношение длины контакт­ ной области L к толщине полосы Н может доходить при дрессиров­ ке до значений L/H — 30 ч- 40 и более. Обжатия малы и угол за­ хвата а при дрессировке обычно весьма мал (а < 20'). Поэтому для анализа распределений напряжений и деформаций в дресси­ рованном листовом металле принимается допущение о том, что указанные распределения будут такими же, как и при упруго­ пластическом сжатии тонкой полосы между параллельными пли­ тами. Кривизна валков влияет на распределение ог, ег и остаточ­ ных напряжений качественно так же, как и контактное трение. Действительно, рост кривизны валков увеличивает неравномер­ ность деформации дрессируемой полосы по ее сечению, т. е. дей­ ствует так же, как увеличение контактного трения. Однако значе­ ние интенсивности деформаций ег0 в центре полосы зависит только от величины обжатия и не зависит от кривизны валков и контакт­ ного трения [9—11]. Поэтому в принципе можно найти значение контактных касательных напряжений, отвечающее имеющейся в дрессированной полосе неравномерности распределения а г, ег и остаточных напряжений. Таким образом можно включить влия­ ние кривизны валков на указанные распределения напряжений и деформаций в значение коэффициента пластического трения о.

Опубликованные экспериментальные результаты подтвержда­ ют указанные соображения. Например, экспериментальные ис­ следования распределений микротвердости по поперечному сечению дрессированной полосы показывают, что с уменьшением диаметра валков твердость поверхностного слоя увеличивается по отноше­ нию к твердости центрального слоя [1]. Таким образом, умень­ шению диаметра валков в этих экспериментах отвечало изменение 0 г, аналогичное происходящему при увеличении контактного тре­ ния. Экспериментальные исследования остаточных напряжений в дрессированном листовом металле также обнаружили тенден­ цию к их увеличению при уменьшении диаметра валков. Вследст­ вие этого площадка текучести при старении появлялась позже на листовом металле, подвергнутом дрессировке на валках меньшего диаметра [1, 15, 16].

При фиксированной величине обжатия одновременно с умень­ шением диаметра валков уменьшается длина контактной области. Это явление при достижении достаточно малых отношений L/H вызывает уменьшение контактных сил трения и их влияния на не­ однородность деформации листового металла. В соответствии с этим экспериментальные исследования показали уменьшение вли­ яния степени шероховатости валков на величину остаточных на-

2* 35

пряжений при уменьшении их диаметра [1]. При малых обжатиях, характерных для процесса дрессировки, повышение шероховато­ сти валков может привести к уменьшению средней величины кон­ тактных сил трения вследствие резкого уменьшения фактической площади контакта. Это явление изучено экспериментально в ра­ ботах [26, 27]. При дрессировке, ведущейся с обжатиями менее 1,5—2,0%, это явление уменьшает усилие дрессировки и остаточ­ ные напряжения в листовом металле. Указанные явления наблю­ дались экспериментально при дрессировке жести с обжатиями по­ рядка 1,0% на валках, подвергнутых дробеструйной обработке [1, 28, 29], но до недавнего времени не имели объяснений.

Изложенное показывает, что с точки зрения создания наиболь­ шей неоднородности распределения деформаций по сечению дрес­ сированного металла и возникновения в нем наибольшей величи­ ны остаточных напряжений должен существовать оптимальный диаметр валков дрессировочного стана с оптимальной шерохова­ тостью.

Спривлечением теоретических положений рассмотрим вопрос

овеличине обжатия, устраняющего площадку текучести при дрес­ сировке.

Длина площадки текучести определяется величиной интенсив­ ности деформаций ги, отвечающей концу площадки текучести на диаграмме зависимости ot = о* (е;) (см. рис. 1 в работе [11]).

Наличие площадки текучести на диаграмме а,- = Og (;*) приво­ дит при листовой штамповке к образованию полос скольжения на поверхности штампованной детали, что является обычно неис­ правным браком [1, 3, 23|. Поэтому одним из основных требова­ ний, предъявляемых к дрессировке, является устранение площад­ ки текучести у листового металла. При этом стараются устранить площадку текучести с возможно меньшей величиной обжатия, что­ бы сохранить как можно большей пластичность листового ме­ талла.

Интенсивности напряжений Og и деформаций Eg распределяют­ ся неравномерно по сечению дрессированного листового металла. Если рассмотреть теоретические эпюры распределения интенсив­ ностей деформаций по поперечному сечению тонкой деформиро­ ванной полосы (рис. 2), то видим, что еi максимальна у контактной поверхности полосы и минимальна в центре. Аналогичный харак­ тер имеют эпюры распределения Og по поперечному сечению тонкой полосы [9]. Распределение ot и Eg по сечению дрессирован­ ного листового металла можно найти экспериментально по распре­ делению микротвердости Нт по ее сечению при помощи тарировоч-

пределению микротвердости в дрессированном листовом металле подтверждают теоретические результаты по характеру распреде­ ления Og и Eg по поперечному сечению [1,3]. Распределение интен­ сивностей напряжений о( по сечению тонкой деформированной

36

полосы используется в работе [271для построения эпюры распреде­ ления контактных касательных напряжений.

Очевидно, что площадка текучести у дрессированного листового металла будет отсутствовать, если значения интенсивностей де­ формаций во всех точках поперечного сечения листа будут превы­ шать деформацию ец, отвечающую концу площадки текучести. Од­ нако такое требование будет избыточным, так как вследствие не­ равномерного распределения е,- по сечению площадка текучести у

о

дрессированного листового металла исчезает значительно раньше. Действительно, наличие в центральных слоях дрессированной по­ лосы значений интенсивностей деформаций, отвечающих площад­ ке текучести, будет компенсироваться тем, что в поверхностных слоях значения ег будут отвечать участку пластического упрочне­ ния. Экспериментальные исследования, в которых травлением или механической обработкой снимались наружные слои у дрессиро­ ванного металла, действительно показали наличие площадки те­ кучести у центрального слоя листа, тогда как весь лист в целом

еене обнаруживал [1, 18J.

Всвете изложенного представляется целесообразным выдви­ жение в качестве первого приближения следующего принципа об устранении площадки текучести у дрессированного листового ме­ талла:

площадка текучести при дрессировке будет устранена, если среднеинтегральное по толщине полосы значение интенсивности

деформаций eic станет равным или превысит величину интенсив­ ности деформаций ег, отвечающей концу площадки текучести на диаграмме ot — нг (вг).

Математическая формулировка этого принципа записывается в виде

Я 2

(1)

—Я /2

Для идеально пластической полосы значение среднеинтеграль­ ной по толщине полосы интенсивности деформаций определяется по формуле [7, 9]

37

При выводе формулы (3) не учитывалось влияние кривизны валков, а также влияние пластического упрочнения полосы. Как видно из рис. 2, пластическое упрочнение полосы уменьшает не­ равномерность распределения гt по сечению деформированной по­ лосы и учет упрочнения уменьшает величину stc. Если пренебречь влиянием кривизны валков, способствующим устранению площад­ ки текучести, то формула (3) должна давать значения обжатий, гарантирующие устранение площадки текучести при дрессировке. Если учесть, что 0 р, 0,5, то из формулы (3) получаем следу­ ющий диапазон изменения обжатий при дрессировке, требуемый для устранения площадки текучести

значение ги. Так как упрочнение полосы уменьшает величину егс, то применение указанного выше принципа к упрочняющемуся ма­ териалу приводит к большей величине обжатия, требуемого для устранения площадки текучести. Так как верхняя граница диапа­ зона изменения /АН/Н в формуле (4) не зависит от кривой упроч­ нения деформируемого материала а г = ot (s*), то величина обжа­ тия АHIH, требуемая для устранения площадки текучести с уче­ том пластического упрочнения деформируемого материала, будет также лежать внутри диапазона (4).

Результаты экспериментальных исследований по устранению площадки текучести при дрессировке неизменно показывают, что обжатие, требуемое для устранения площадки текучести, меньше по величине деформации еи, определяющей протяженность пло­ щадки текучести. Причем при увеличении контактного трения ве­ личина обжатия, требуемая для устранения площадки текучести при дрессировке, уменьшается [1, 30]. Эти экспериментальные ре­ зультаты находятся в полном качественном соответствии с выдвину­ тым принципом (1) и формулой (3). В свете вышеизложенного ясен и тот экспериментальный факт, что при уменьшении диаметра вал­ ков требуется меньшая величина обжатия для устранения площад­

38

ки текучести [1, 16, 30], так как это равносильно увеличению коэф­ фициента трения р, в формуле (3).

Экспериментальные результаты [1, 18, 30] по величине обжатия, требуемого для устранения площадки текучести при дрессировке, показывают, что формула (3) дает несколько завышенные значения обжатий. Причем при дрессировке на валках большого диаметра с большими значениями отношений ЫН формула (3) дает близкие к экспериментальным значениям величины обжатий, устраняющие

Рис. 3. Влияние малых об­ жатий на кривую растяже­ ния <3j = щ (ер при дресси­ ровке малоуглеродистой листовой стали [4]

площадку текучести. С уменьшением диаметра валков, т. е. с уве­ личением кривизны валков и уменьшением отношения ЫН, фор­ мула (3) начинает заметно завышать величину обжатия, требуемую для устранения площадки текучести.

Большой практический интерес представляют вопросы, связан­ ные с изменением вида кривой растяжения, т. е. диаграммы О; - = (вг), у листового металла, подвергнутого дрессировке. На рис. 3 показано, как изменяется вид диаграммы растяжения у листовой малоуглеродистой стали, подвергнутой дрессировке с различными величинами обжатий. Обращает на себя внимание следующее яв­ ление: при дрессировке листового металла с обжатиями порядка 0,5—2,0% одновременно с устранением площадки текучести не­ сколько уменьшается величина cxs. Это явление было обнаружено экспериментально многими исследователями и были построены экспериментальные v-образные кривые изменения предела теку­ чести от величины обжатия при дрессировке для сталей 08кп и 08Ю [1—4, 29—34]. Минимальное значение предела текучести обычно отвечает обжатию примерно в 1 %. При дальнейшем воз­ растании обжатия предел текучести вследствие упрочнения начи­ нает возрастать. Согласно экспериментальным данным предел проч­ ности при дрессировке изменяется незначительно (см. рис. 3). Имеются экспериментальные данные о том, что если исключить старение, то предел прочности при дрессировке не изменяется [1]. Понижение предела текучести при практически неизменном пре­ деле прочности, что наблюдается при дрессировке, весьма благо­ приятно сказывается на штампуемости листовой стали.

Рассмотрим кратко указанное явление уменьшения предела текучести у дрессированной листовой стали в свете полученных теоретических результатов. Как видно из рис. 1—3, в дрессирован­

39