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

Хотя разрывы ориентированы по диагоналям сечения заготовки, механизм образования их отличается от рас­ смотренных выше механизмов (см. рис. 63). Разрывы при ковке по рассматриваемой схеме возникают в ре­ зультате действия радиальных растягивающих напряже­ ний, действующих по схеме, представленной на рис. 65, б, и свободного уширения вследствие наличия зазора меж­ ду боковой‘гранью заготовки и бойком. Разрушение ме­ талла происходит с помощью механизма отрыва, как и в случае образования разрывов, показанных па рис. 64. В том и в другом случае разрывающие напряжения сгл воз­ никают в начальный период однозначного обжатия, ког­ да существует возможность свободного уширения и от­ сутствуют боковые подпирающие усилия. Однако если деформирование заготовки по схеме, представленной на рис. 65, в, способствует завариванию внутренних разры­ вов, образованных на участке деформации Д/г, то усло­ вия, создаваемые при деформировании по схеме, пока­ занной иа рис. 65, б, в меньшей мере способствуют зава­ риванию разрывов, образовавшихся в начальный период однозначного обжатия. Это обусловливается тем, что пос­ ле устранения зазора между заготовкой п бойком даль­ нейшая деформация в очаге практически прекращается и металл заготовки, заключенный в очаге деформации, находится в состоянии упругого сжатия, при котором происходит только уменьшение величины зазора трещи­ ны, а заваривание ее полностью не происходит.

Из рассмотренных трех видов внутренних разрывов в квадратной заготовке (см. рнс. 63, 64 и 65, г) вероятней всего завариваться могут разрывы, ориентированные нор­ мально к граням заготовки (см. рис. 64). Заваривание разрывов, ориентированных по диагоналям сечения за ­ готовки, затруднено из-за наличия знакопеременных сдвиговых деформаций в диагональных плоскостях заго­ товки при ее ковке в плоских бойках. Заваривание таких разрывов происходит более успешно в случае перехода на ковку дефектной квадратной заготовки в круглых вы­ резных бойках.

Из приведенных данных видно, что применение угло­ вых бойков, с углом развала 95— 100°, для ковки — про­ тяжки заготовки квадратного сечения не целесообразно, так как нельзя устранить или уменьшить возможность образования внутренних разрывов.

120

Напряжения и поперечные разрывы при ковке

Внутренние поперечные разрывы при ковке образу­ ются сравнительно редко. Тем не менее их можно наблю­ дать при ковке высоколегированных, малопластичных сталей и сплавов. Эти разрывы располагаются главным образом в осевой зоне заготовки, т. е. в зоне наибольших продольных растягивающих напряжений.

В зависимости от напряженного состояния осевой зо­ ны заготовки, достигнутого к моменту окончания продес-

Рис. 67. Внутренний поперечный разрыв в кованой заготовке (квадрат 180 мм) из хромоннкелькобальтовой стали

са ковки, внутренние поперечные разрывы могут иметь зазоры (при сохранении продольных разрывающих на­ пряжений) или быть плотно сжатыми (при создании в осевой зоне заготовки после образования разрывов про­ дольных сжимающих напряжений).

Внутренние поверхности трещин имеют кристалличе­ ское строение, а процесс разрушения носит чаще всего межкристаллитный характер. Такие разрывы возникают при ковке квадратной заготовки в плоских бойках и при ковке круглой заготовки в круглых вырезных бойках или в круглых струбцинах. Н а рис. 67 показана макрострук­ тура продольного сечения квадратной заготовки (170 мм), откованной из круглого слитка хромоникелекобальтовой аустенитной стали в плоских бойках. Трещина образова­ лась в бездефектном плотном металле при ковке слитка;

121

пріі дальнейшей ковке заготовки образовавшийся зазор в значительной степени сохранился.

Обычно такого рода внутренние разрывы возникают легче в том случае, если металл при ковке был несколько перегрет. Перегрев металла в некоторой степени способ­ ствует их образованию.

На рис. 6 8 показана макроструктура продольного се­ чения круглой заготовки диаметром 50 мм, прокованной

Рис. 68. Внутренние поперечные разрывы, образовавшиеся при протяжке заготовки на круг 50 мм в круглых жимках малыми подачами (подача 0,4)

в круглых струоцинах из квадратной заготовки 60 мм с применением малых подач. Наличие раскрытых попереч­ ных разрывов свидетельствует о сохранении в осевой зо­ не заготовки продольных растягивающих напряжений до момента окончания ковки. В исходной квадратной заго­ товке поперечные разрывы отсуствовали. Такие разрывы образуются под действием внутренних продольных растя­ гивающих напряжений, возникновение которых обуслов­ лено условиями ковки — в первую очередь величиной по­ дачи и рабочего хода бойка, достигаемого после, каждого единичного обжатия. Они образуются чаще при ковке твердых аустенитных сталей, обладающих в интервале

122

температур ковки малой пластичностью, а также твердых инструментальных сталях типа Р18, Р9, Х12.

Возможны две принципиальные схемы деформирова­ ния заготовки в плоских пли круглых вырезных бойках (рис. 69), каждой из которых соответствует определенная схема напряженного состояния.

w ^ x / \ y ^ v / O j g / y g Q j

а

Рис. 69. Схема деформирования квадратной заготовки:

а — узкие бойки, малая подача ^0,5; 6 — широкие бойки, большая подача «1,0

Первая схема (рис. 69, а), отвечающая ковке заготов­ ки узкими бойками, характеризуется проникновением де­ формации лишь на небольшую глубину (рис. 70). При ковке заготовки узкими бойками непосредственному дей-

в,

ö

Рис. 70. Схема деформирования элемента заготовки при однозначном обжатии:

а — форма элемента заготовки до обжатия; б — форма, которую должен принять элемент после обжатия; в — сочетание нескольких деформирован­ ных элементов

ствию единичного обжатия бойков подвергается паралле­ лепипед абвг шириной b (рис. 70, а ) . Если такой паралле­ лепипед вырезать и затем подвергнуть свободной одно­ значной осадке в тех же условиях, то он примет форму, показанную на рис. 70, б. Наибольшее удлинение получит зона, расположенная вблизи поверхности, а наимень­ шее — середина (осевая зона). В поверхностной зоне так­ же происходит весьма незначительное естественное удли­

123

нение из-за действия внешнего трения. При ковке по пер­

ния. Однако из-за сплошности деформируемой заготовки и действия жестких концов фактические скорости и ве­ личины течения элементарных частиц в этих зонах будут принудительно равны. При этом зона, стремящаяся к на­ ибольшему удлинению (зона де) , будет передавать зоне, стремящейся к меньшему удлинению (зоне оісз), допол­ нительные силы растяжения, приводящие к растяжению металла н дополнительному удлинению этой зоны. В свою очередь зона, стремящаяся к меньшему удлинению (зона жз) , также передает зоне, стремящейся к больше­ му удлинению (зона де), дополнительные силы, приво­ дящие к уменьшению удлинения этой зоны, т. е. дополни­ тельные сжимающие силы. Подобным же образом по­ верхностной зоне заготовки передаются дополнительные растягивающие напряжения, приводящие к некоторому опережению при ковке.

Таким образом, при ковке по схеме, показанной на рис. 69, а, только в зоне I заготовки, где действуют сжи­ мающие напряжения, возникают дополнительные внут­ ренние продольные сжимающие напряжения, а во всех

можным переходом к состоянию неравноосного объемно­ го растяжения, если линейные растягивающие усилия до­ стигнут большого значения. На поверхности заготовки элементарные частицы находятся в состоянии линейного растяжения.

124

В концевых частях заготовки, деформируемой но ука­ занной схеме, резкость напряженного состояния умень­ шается по сравнению со средними частями тем значи­ тельнее, чем ближе расположены частицы к торцовой по­ верхности. Это объясняется тем, что по мере приближе­ ния к свободным торцовым поверхностям возрастает

Рис. 71. Продольная макроструктура половины сечения заготовки:

а — ковка узкими бойками; б — ковка широкими бойками Ь = а всей шириной бойка

возможность свободного смещения одних зон относитель­ но других. Об этом свидетельствуют вогнутость и выпук­ лость торцовых поверхностей.

Изложенное подтверждается экспериментами, прове­ денными в производственных условиях. В круглых заго­ товках (диаметр 190 мм и длина 600 мм) перпендикуляр­ но к их оси просверлили отверстия диаметром 10 мм, в которые вставляли стержни. Нагретые заготовки ковали по схеме (см. рис. 69, а) до диаметра 160 мм в круглых вырезных бойках шириной около 50 мм.

В поверхностной и осевой зонах (рис. 71, а) между стержнями и заготовкой образовались зазоры.

В зоне, расположенной между поверхностью и осью заготовки, действуют сжимающие напряжения, и вслед­ ствие этого между заготовкой и стержнем зазоры не об­ разовывались (диаметр стержня имеет наименьший раз­ мер). Торцовая поверхность заготовок, откованных таким способом, имела вогнутость в осевой зоне и выпук­ лость в зонах, соответствующих линии де (см. рис. 70, в).

125

Вторая схема (см. рис. 69, б) соответствует условию деформирования заготовки бойками шириной Ь ^ а . По мере увеличения ширины бойка и его рабочего хода уве­ личивается глубина проникновения деформации- и одно­ временно уменьшается толщина осевой зоны //, в кото­ рой действуют продольные растягивающие напряжения.

Рис. 72. Принципиальные схемы деформирования слитка или заготовки:

При этом достигается проникновение деформации до осе­ вой зоны заготовки, зона продольных растягивающих на­ пряжений полностью исчезает, а в осевой зоне начинают возникать наибольшие естественные перемещения эле­ ментарных частиц вдоль вытяжки. В этом случае полно­ стью исключается возможность образования внутренних продольных растягивающих напряжений в осевой зоне заготовки. При ковке по такой схеме продольные растя­ гивающие напряжения сохраняются лишь на поверхности заготовки. Это хорошо согласуется с экспериментами, вы­ полненными в промышленных условиях (рис. 71,6). М еж ­ ду стержнем и заготовкой имеется зазор лишь в поверх­ ностной зоне. Торцы заготовки приобретают выпуклую форму. Все это свидетельствует об отсутствии в деформи­ руемой заготовке внутренних продольных растягиваю­ щих напряжений.

Действующие на поверхности деформируемой заготов­ ки растягивающие напряжения часто приводят к образо­ ванию поперечных поверхностных разрывов, особенно при недостаточной пластичности металла.

126

При ковке елптка или заготовки широкими бойками

Возникшие в начале рабочего хода бойка внутренние ра­ стягивающие напряжения устраняются и заменяются сжимающими, а итоговое напряженное состояние внут­ ренних частиц заготовки в результате единичного обж а­ тия может соответствовать неравноосному объемному сжатию.

Величина внутренних разрывающих напряжений, воз­ никающих в первой части рабочего хода бойка, при еди­ ничном сжатии чаще всего не достигает величины сопро­ тивления металла отрыву, и поэтому ковка по такой схе­ ме Срис. 72, а) обычно не приводит к образованию внут­ ренних поперечных разрывов. Такой способ протяжки ме­ талла на молотах или прессах вполне надежен. Однако следует учитывать, что величины однозначных обжатий должны соответствовать пластичности деформируемого металла. Так, при чрезмерно больших единичных обжа­ тиях возможно скалывание в зонах действия наибольших скалывающих напряжений.

Во втором случае (рис. 72, б) металл деформируется лишь частью-бойка (аб). Остальная часть бойка в де­ формировании практически не участвует. При следую­ щей подаче деформирование протекает таким же обра­ зом, и только после устранения конусности тела даль­ нейшая ковка его происходит по схеме, приведенной на рис. 72, а.

Ковка по схеме 72, б протекает аналогично ковке по схеме, предусмотренной на рис. 69, а, и сопровождается возникновением внутренних продольных растягивающих напряжений в процессе всего рабочего хода бойка, а в ре­ зультате неоднократных единичных обжатий происходит возрастание величины этих напряжений. Поэтому ковать малопластичные стали по такой схеме не рекомендуется. Ковку тел, имеющих конусность, лучше начинать с утол­ щенного конца.

127

Рекомендации по технологии деформирования квадратной заготовки

Технология ковки квадратной заготовки высоколеги­ рованных сталей и сплавов с пониженной пластичностью, склонных к образованию внутренних разрывов, должна строиться таким образом, чтобы можно было избежать значительной неравномерности деформации.

Ковку слитков и заготовок на плоских бойках следует производить всегда поперек бойков подачами, приблизи­ тельно равными 0,6— 0,8. На концах заготовки величину подач можно увеличить для лучшего захвата бойками и исключения возможности выбивания ее из бойков.

Первые удары бойка по заготовке или слитку должны быть легкими, так как даже при незначительном перегре­ ве металла сильные удары молота могут привести к об­ разованию внутренних или наружных разрывов. После­ дующие удары должны быть нормальными.

В процессе ковки необходимо сохранять правильную квадратную форму сечения заготовки. Получение заго­ товки с ромбической формой сечения увеличивает воз­ можность скалывания ее в направлении большей диаго­ нали. Образовавшийся перекос не следует исправлять тут же путем установки заготовки на угол и сбивания его. Это может привести к скалыванию внутренней зоны за­ готовки вдоль большей диагонали сечения. Заготовку с ромбической формой сечения следует сплющить до пря­ моугольного сечения и, скантовав на 90°, получить заго­ товку правильного квадратного сечения.

Сильные удары бойка по углам заготовки всегда спо­ собствуют скалыванию в ее внутренней зоне. При подстужпванпи углов заготовки их следует сбивать легкими ударами молота с применением малых подач. Чаще всего это необходимо при ковке двухфазных сталей, содержа­ щих некоторое количество а-фазы.

При ковке заготовки на мощном молоте с применени­ ем частых и сильных ударов может происходить интен­ сивный разогрев металла во внутренних зонах заготовки и в первую очередь по ковочному кресту. Такой перегрев часто сопровождается расслоением или разрыхлением металла осевой зоны н диагоналей сечения заготовки. Этому подвержены главным образом легированные стали

128

формации или периодически приостанавливать процесс ковки, чтобы снизить температуру металла.

При правильном подборе мощности молота возмож­ ность значительного разогрева металла при ковке исклю­ чена. Однако не следует пользоваться молотами слиш­

ком малой мощности.

Подстуживание углов заготовки двухфазных сталей, содержащих a -фазу, приводит к образованию трещин. Поэтому такие стали в процессе ковки необходимо подо­ гревать чаще, чем другие стали. При образовании трещин в углах заготовки ковку следует прекратить, чтобы они не достигли значительной глубины. После удаления трещин заготовку можно подвергать дальнейшей ковке.

Слитки двухфазных сталей целесообразно ковать на заготовку большого сечения, которую затем прокатывать до заданного размера. Ковка мелких профилей из этих сталей является сложной операцией, поэтому она менее целесообразна, чем прокатка. С уменьшением сечения заготовки возможность образования трещин по диагона­ лям сечения возрастает и количество брака по этой причи­ не увеличивается. По-видимому, это обусловлено возрас­ танием степени неоднородности деформации по сечению заготовки, а также состоянием a -фазы и формой ее рас­ положения в стали. Прокатка мелких профилей происхо­ дит более успешно, чем слитков или крупной заготовки. Это относится полностью и к графитизирующимся ста­

лям.

Возможность образования трещин по ковочному кре­ сту заготовки из аустенитной стали, содержащей а-фазу, и графитизирующейся стали уменьшают так называемым переоквадрачиваннем. Переоквадрачивание достигается путем установки квадрата на углы и образования, таким образом, нового квадрата. При такой операции зоны диа­ гоналей переходят в зоны затрудненной деформации, а новые диагонали образуются в малонапряженных зонах затрудненной деформации. Переоквадрачиваннем квад­ ратной заготовки лишь замедляется образование внут­ ренних продольных трещин по диагоналям квадрата, но не устраняется полностью.

Прокатка, при правильно выбранной калибровке, в меньшей мере может приводить к появлению продольных трещин и поэтому всегда является более целесообразным способом деформирования, чем ковка. Снижение скорости деформации способствует уменьшению разогрева осевой