книги из ГПНТБ / Дзугутов, М. Я. Напряжения и разрывы при обработке металлов давлением

ке определяется степенью неравномерности деформации, которая в свою очередь зависит от величины подачи.

Качественно определить величину относительного пе­ ремещения частиц металла при однозначной осадке вполне возможно, но при применении кантовки на 90° это сделать трудно в связи с образованием знакопере­ менных перемещений. Но окончательное перемещение частиц металла в радиальном направлении происходит

Рис. 58. Зависимость расположения дефектной поверхностной зоны,

вполне закономерно и его можно легко определить экс­ периментально при помощи вставленных прутков (см. рис. 54) или макроструктуриым методом по измене­ нию формы ликвациопмого квадрата (см. рис. 57).

Для этой цели можно использовать заготовки тнтапсодержащпх нержавеющих сталей, откованные из слит­ ков, пораженных так называемой титановой пористо­ стью. Эти дефекты располагаются в поверхностном слое слитка равномерно по толщине слоя. В крупной заготов­ ке, откованной из такого слитка, дефекты также распо­ ложены равномерно по периметру сечения (рис. 58, а). При дальнейшей ковке заготовки на плоских бойках форма поверхностной дефектной зоны изменяется. Тол­ щина ее уменьшается в углах сечения заготовки, а в средних частях граней, несмотря на значительную вытяжку, остается неизменной или увеличивается (рис. 58,6). При последующей ковке заготовки проис­ ходит еще большее взаимное перемещение частиц ме­ талла в плоскости, расположенной нормально к оси за­ готовки (рис. 58, в), в результате чего ширина поверх-

100

постной дефектной зоны уменьшается, а толщина ее да­ же немного увеличивается, несмотря на значительную вытяжку. Соотношение между толщинами дефектного

Рис. 59. Поперечные макрошлифы нержавеющей стали, характеризующие влияние укова на расположение зоны, пораженной пористостью:

а — квадрат 50 мм; б— квадрат 27 мм

слоя после различной степени уковки (сь с2 и с3) зави­ сит от степени неравномерности деформации по сечению заготовки. При равномерной деформации, которую приближенно можно получить ковкой с малыми подачами

101

тером течения металла (рис. 60) в плоскости, располо­ женной нормально к ее оси, т. е. характеризуется следу­ ющими факторами:

а) выдавливанием металла из осевой зоны к перифе­ рии по диагонали сечения заготовки, происходящим тем значительнее, чем больше подача и уширение;

б) перемещением частиц металла из периферийных зон граней к центру заготовки;

в) относительным смещением металла в поверхност­ ных зонах к осевой зоне заготовки.

При продольной прокатке подобные взаимные пере­ мещения металла практически отсутствуют (см. рис. 56), что свидетельствует о более равномерной деформации его по сравнению с ковкой.

Течение металла в осевой плоскости квадратной заготовки

При протяжке заготовки ковкой или прокаткой в на­ правлении вытяжки наблюдается равенство скоростей течения элементарных частиц металла, расположенных вдоль осп, взятой на некотором расстоянии от ее кон­ цов. В концевых частях заготовки обычно равномерное перемещение элементарных частиц металла вдоль на­ правления вытяжки отсутствует.

Нарушение равномерности перемещения элементар­ ных частиц металла вдоль вытяжки начинается на не­

ния «жестких концов».

Макроструктуриым методом были установлены три вида неравномерного продольного перемещения элемен­ тарных частиц металла на концах деформируемой заго­ товки (кованой или прокатанной).

Скорость первого вида продольного перемещения ча­ стиц металла в поверхностной зоне концов заготовки больше, чем в осевой. Это подтверждается тем, что торды заготовки имеют вогнутую форму (рис. 61, а). И ска ­ жение в продольном направлении волокна металла на шлифе или искажение прямолинейности поперечных прут­ ков, вставленных в исходную заготовку и проходящих через ее ось, происходит в большей степени на концах заготовки. Такое неравномерное перемещение вдоль на­ правления вытяжки элементарных частиц металла, рас­

102

положенных в концах заготовки, наблюдается при про­ катке.

Скорость второго вида продольного перемещения ча­ стиц металла в осевой зоне на концах заготовки больше, чем в поверхностной. Это подтверждается тем, что тор­ цы заготовок имеют выпуклую форму (рис. 61,6). П ро­ дольное волокно в конце заготовки расходится веером.

Такой случай неравномерного перемещения частиц ме­ талла чаще всего наблюдается при ковке. Степень ис­ кривления вставленных прутков достигает наибольшей величины на концах заготовки, по мере удаления от кон­ цов она уменьшается и, наконец, полностью исчезает. Длина конца заготовки, на протяжении которой наблю­ дается искажение прямолинейности вставленных прут­ ков, зависит от величины действующей силы трения, размера сечения заготовки, напряженного состояния ча­ стиц металла в разных зонах заготовки.

Третий вид неравномерного продольного перемеще­ ния частиц наблюдается в тех случаях, когда отсутст­ вует действие внешнего трения. Он является промежу­ точным между рассмотренными выше двумя видами. В этом случае торцы заготовки после деформации не подвергаются заметному искажению (рис. 61, в).

Наряду с перемещением элементарных частиц метал­

103

ла вдоль оси заготовки в плоскости оси они перемеща­ ются еще и радиально в плоскости нормальной к оси за­ готовки, как это видно на рис. 61.

Напряжения и продольные разрывы по диагоналям сечения заготовки

Не все элементы неравномерной деформации, обра­ зующиеся при ковке, выявляются при помощи указан­ ных выше способов. Это относится главным образом

кзнакопеременным сдвигам, происходящим в зонах,

Рис. 62. Направления течения металла в зоне «ковочного креста* (схема):

товок на 90° после каждого однозначного обжатия. В зонах, расположенных по диагоналям, из-за действия внешнего трения и скалывающих напряжений возника­ ют наибольшие по величине однозначные и знакопере­ менные сдвиги, приводящие часто к расслоению.

104

мий, создаваемых в осевой зоне заготовки, зона Б с при­ легающей к ней зоной б выдавливается в горизонталь­ ном направлении, как показано стрелками на рис. 62, я. Таким образом, зоны а и б как бы оказываются между

Рис. 63. Макроструктура заготовки быстрорежущей стали, пораженной трещинами по диагоналям сечения

зонами А и Б, движущимися каждый раз в противопо­ ложных направлениях. Естественно, что каждая зона А и Б увлекает за собой прилегающую к нему зону ко­ вочного креста, вследствие чего зоны а и б также пере­ мещаются в направлениях, противоположных друг дру­ гу. Следовательно, линии D\D и Е\Е являются линиями наибольших относительных перемещений одних частиц относительно других, т. с. линиями наибольших сдвигов.

При следующем нажатии молота, после кантовки на

105

происходит после каждого удара молота, производимого после кантовки на 90°. Наконец, после некоторого коли­ чества кантовок и нажатия бойка по диагоналям попе­ речного сечения заготовки, являющимся зонами макси­ мальных знакопеременных сдвигов, произойдет расслое­ ние, нарушение сплошности металла и увеличение образовавшейся песплошпости до крупных внутренних трещин (рис. 63).

Опытами установлено, что при ковке на плоских бой­ ках подачами не менее 0 , 6 любая элементарная частица металла в зоне деформации находится в состоянии нерав­ номерного объемного сжатия. Поэтому поверхности внут­ ренних трещим по линии DD\ и Е Е ] плотно прилегают

ского строения (см. рис. 63,а).

Чем больше величина подачи и ушнренне, тем меньше течение металла вдоль вытяжки и тем значительнее про­ исходит выдавливание металла в направлении диагона­ лей, возрастает величина знакопеременных сдвигов по линиям D D 1 и Е Е { после каждой кантовки на 90°, вслед­ ствие чего ускоряется нарушение сплошности металла. Наличие в металле слабины или грубых включений в диагоналях сечения заготовки также ускоряет начало об­ разования несплошностей, которые могут возникать в од­ ной пли в двух диагоналях одновременно.

Пластичность и твердость деформируемого металла оказывают значительное влияние на величину неравно­ мерности течения и на скорость образования несплошно­

обжатии заготовки после кантовки ее на 90°. Соответст­ венно уменьшаются удельные сдвиги между частицами, расположенными в зоне диагоналей, и возможность обра­ зования нарушения сплошности металла. Кроме того, чем

106

Ізыше пластичность металла, тем больше допустимые величины сдвигов элементарных частиц и число знако­ переменных циклов до образования нарушения сплош­ ности металла в зоне диагоналей.

С понижением пластичности металла уменьшается ширина зон а и б, возрастает величина удельных сдвигов и нарушение сплошности металла достигается значитель­ но быстрее. Так, например, в заготовках из хрупких ме­ таллов и чугуна такие трещины можно получить за один удар молота.

Температура деформации оказывает большое влияние на поведение металла при ковке. Опытами установлено, что внутренние расслоения (трещины) в диагоналях квадратной заготовки образуются как при ковке при низ­ ких температурах, так п при нормальных температурах для ковки данной стали. Также они образуются и при вы­ соких температурах. При пониженных температурах, ког­ да в процессе ковки возрастает твердость металла, за­ медляется или прекращается процесс рекристаллизации и происходит упрочнение деформируемого металла, обра­ зование внутренних расслоений (трещин) наступает бы­ стрее. Точно так же происходит быстрое образование внутренних расслоений при высоких температурах. Это объясняется началом процесса частичного оплавления металла и падением его межкристаллитной прочности и пластичности.

Решающее влияние на процесс образования внутрен­ них трещин оказывает величина подачи. С ростом величи­ ны подачи ускоряется образование внутренних расслое­

ное обжатие и, соответственно, при меньшем количестве кантовок происходит накопление необходимого количест­

ва искажений для образования разрывов по линиям

D , OD и Е х ОЕ.

Применение малых подач способствует наибольшему продольному течению металла, вследствие этого умень­ шаются уширение и течение металла в зонах вдоль диа­ гонали. Соответственно уменьшаются относительные сдвиги элементарных частиц металла в зонах а и б.

Таким образом, величину подачи целесообразно уменьшать. Однако слишком малые подачи, как будет

107

показано ниже, приводят к созданию в деформируемой заготовке внутренних продольных разрывающих напря­ жений, которые служат источником образования внут­ ренних трещин другого рода — поперечных. Поэтому для случаев протяжки квадратной заготовки на плоских бойках при установившемся процессе следует рекомен­ довать величину подачи в пределах 0 ,6 —0 ,8 .

Определение величины деформации в зонах диагона­ лей под действием знакопеременных сдвигов представля­ ет значительные трудности. Однако качественно ее можно выявить достаточно легко, например, макроструктурным способом. Очевидно, если элементарная точка а зоны а под действием удара бойка переместится в направлении D O на величину щоо (см. рис. 62, а) и после кантовки в направлении OD (см. рис. 62,6) на такое же расстояние, то после некоторого четного числа ударов бойка (с кан­ товкой па 90° после каждого удара) выбранная нами точ­ ка не сместится в направлении OD. В этом случае эти знакопеременные сдвиги, фактически происходящие в зо­ нах а и б вдоль диагоналей, остались бы ие выявленными как при помощи сетки вставленных прутков, так и ликва-

коплению количества элементарных перемещений (Ді) и искажению координатной сетки (см. рис. 54) или ликвационного квадрата (см. рис. 56 и 57). Поэтому можно на­ писать фв= f (Ді п), где фв — общая неравномерность по сечению квадратной заготовки за п циклов ковки.

Неодинаковое перемещение точки а в направлениях OD и D O и образование Ді обусловлено созданием в осе­ вой зоне заготовки повышенного давления, благодаря че­

(08

му происходит выдавливание металла через диагонали сечения заготовки.

Заметим, однако, что с помощью координатной сетки или ликвационного квадрата можем установить лишь итоговую сумму элементарных остаточных перемещений точки в направлении O D, т. е. E A j. Другая часть знако­ переменного перемещения (деформации), фактически происходящего в зонах диагоналей за каждый цикл, оста­ ется невыявленной. Величина этого перемещения за одно обжатие составляет а.\ а2, а за одни цикл ковки (одноз­

начное обжатие ’■ кантовка на 90°—’"однозначное обж а­ тие)

А2 = аха2 -|- а2ах = 2 аха2,

где Д3— величина знакопеременного перемещения точки а за один цикл ковки,, невыявляемого коорди­ натной сеткой или другим способом.

При этом всегда A2 > A I, поэтому большая часть зна­ копеременных перемещений частиц металла в зонах, рас­ положенных вдоль диагоналей сечения квадратной заго­ товки при ковке на плоских бойках, остается невыявлен­ ной методами координатной сетки и ликвационного квадрата. Но в то же время ковка заготовки на плоских бойках приводит к накоплению сдвиговых процессов, по­ вышению травимости металла в зонах диагоналей, изме­ нению структуры металла в этих зонах и другим каче­ ственным изменениям, а также к образованию разрывов в диагоналях сечения путем среза.

Полное количество перемещений за один цикл ковки составляет

лению большего количества элементарных перемещений.

Трещины, ориентированные по Диагоналям сечения заготовки (см. рис. 63), обнаруживаются при ковке быст­

109