книги из ГПНТБ / Сегал, В. М. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара
.pdfВ. М. СЕГАЛ, Е. М. МАКУШОК,
В. И. РЕЗНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПЛАСТИЧЕСКОГО
ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ МУАРА
¥ ¥ |
М осква |
|
«Металлургия» 1974
14.W i
УДК 621.77.01
УДК 621.77.01
Исследование пластического формоизменения металлов методом
муара. С е г а л В. |
М. , М а к у ш о к Е. М., Р е з н и к о в В. И. |
М., «Металлургия», |
1974, 200 с. |
Рассмотрено применение экспериментального метода муара к иссле дованию процессов обработки металлов давлением. Даны основы метода муара, техника нанесения растров, методика постановки и проведения экспериментов. Основное внимание уделено математической обработке экспериментальной информации с использованием вычислительных ма шин. Приведены алгоритмы определения напряженного и деформиро ванного состояний и примеры их реализации на ЭВМ. Эффективность разработанных методов иллюстрируется результатами исследования процессов обработки металлов давлением— осадки, пережима, штам повки, выдавливания. Книга рассчитана на научных и инженерно-тех нических работников, специализирующихся в области обработки метал лов давлением, пластичности и экспериментальной механики. Может быть полезна аспирантам и студентам металлургических и машинострои тельных вузов соответствующих специальностей. Ил. 122. Табл. 7. Спи сок лит.: 107 назв.
© Издательство «Металлургия», 1974
ВВЕДЕНИЕ
В теории обработки металлов давлением экспериментальные исследо вания играют традиционно большую роль. Задачи эксперимента разнообразны и меняются с развитием теории. Прежде всего экс периментальные исследования являются основным способом изу чения фундаментальных свойств материалов и их взаимодействия с внешними телами при пластическом деформировании, являются основой для понимания и описания процессов формоизменения. Экс периментальные исследования механического поведения металлов, природы и эффектов пластической деформации, а также контактных условий позволяют формулировать физически точные и математиче ски корректные задачи, направляют развитие теории и оказывают глубокое влияние на практику. Кроме того, важной задачей экс периментальных методов является исследование напряженного и деформированного состояний в разнообразных процессах обработки металлов давлением. Возможности современных экспериментальных методов позволяют проводить моделирование по аналогу и иссле довать реальные процессы со всей необходимой полнотой. Это осо бенно актуально в связи с выполнением задач, поставленных XXIV съездом КПСС и направленных на всемерное улучшение качества продукции, повышение качественных характеристик исходного сырья и материалов.
Методы решения перечисленных задач имеют принципиальные различия. С одной стороны, при исследовании механического по ведения материалов необходимо проведение эксперимента в наиболее чистом виде, когда напряженное и деформированное состояния яв ляются однородными и стационарными. Такие условия примерно обеспечиваются в некоторых видах механических испытаний, что позволяет определить параметры состояния по интегральным ха рактеристикам процесса. С другой стороны, процессы пластиче ского формоизменения характеризуются значительной неравномер ностью и нестационарностью напряженного и деформированного со стояний, и экспериментальные методы должны обеспечить измерение локальных характеристик отдельных материальных частиц. Кроме того, для современных экспериментальных исследований характерно стремление к точному количественному описанию. Эти требования определяют выбор метода и постановку эксперимента при исследова нии процессов обработки металлов давлением (ОМД).
Известны различные способы экспериментальных исследований — метод координатных сеток, метод оптически чувствительных покры тий и др., которые позволяют решать определенный круг задач. В последнее время в экспериментальной механике интенсивно раз вивается новый метод — метод муара, основанный на применении мелких сеток — растров — и явлении механической интерференции света. Эффект муара при наложении параллельных систем линий одинакового шага впервые описал Рэлей (1874 г.). Он же применил это явление для контроля дифракционных решеток. В 1926 г. А. В. Шуб ников предложил использовать в кристаллографии свойство растро
1* |
3 |
вых систем увеличивать изображения. Интересно отметить, что именно таким способом впоследствии было выполнено одно из первых не посредственных наблюдений дислокаций. В 30-е годы начинает раз виваться безлинзовая оптика, основанная на геометрических свой ствах растровых систем [1].
В начале 40-х годов, когда были изобретены линовальные ма шины и освоен метод нанесения фотосеток на металлические образцы, эффект муара стали применять для измерения различных механиче ских величин, в частности смещений и деформаций в сплошных средах. Дантю (1940 г.) описал метод измерения деформаций пла стин с помощью сетки, отраженной от зеркальной поверхности, ко торый был реализован Лигтенбергом (1952 г.). Первые измерения полей смещений с помощью сетки, нанесенной на образец, были выполнены Веллером и Шеппардом (1948 г.). Впоследствии большой вклад в метод муара внесли Дантю, Шиаммарелла, Дюрелли, Теокарис и др. Обзор развития метода содержится в работе [2]. В СССР
метод муара получил развитие и применение в работах Б. П. Соко лова, Р. А. Дульнева, В. В. Новицкого, Е. Н. Андреевой, И. П. Су харева, Б. Н. Ушакова, О. А. Левина, П. И. Полухина, В. К. Во ронцова и др. В работе [3] содержатся основные положения метода муара при вычислении полей смещений и деформаций, а также впер вые рассмотрен дифференциальный метод муара.
В настоящее время метод муара находит широкое применение при измерении различных механических и физических величин, в уст ройствах автоматики. В связи с большими возможностями исполь зования метода при измерении пластических деформаций в Физикотехническом институте АН БССР в 1967 г. были начаты исследования методом муара пластического формоизменения в процессах обработки металлов давлением. В предлагаемой монографии содержатся ре зультаты проведенных работ.
Механические явления, возникающие в твердых телах при внешнем воз действии, характери зуются смещением то чек из исходного по ложения и изменением их силового взаимодей ствия. Первое из них определяет деформиро-
ванное состояние и имеет геометрическую природу, второе — на пряженное состояние и связано с физическими свойствами и струк турой тел. Механическое состояние тела задано однозначно, если известны напряжения и деформации в каждой точке, а также в лю бой момент рассматриваемого отрезка времени.
Экспериментальные методы механики сплошных сред основаны на измерении физических величин, изменение которых может быть связано с параметрами напряженного или деформированного со стояний. В настоящее время неизвестны физические явления, позво ляющие осуществлять прямое измерение напряжений внутри тела. Экспериментальные данные о напряженном состоянии обычно ос нованы на измерении полных (интегральных) усилий и моментов и в некоторых случаях — их распределения на контактных поверх ностях. В то же время кинематические характеристики процесса просто измерять как прямыми, так и косвенными методами. Поэтому исследование деформированного состояния получило почти исклю чительное развитие. Определив деформированное состояние с необ ходимой полнотой, можно вычислить и напряжения. Для этого используются уравнения связи между напряженным и деформиро ванным состояниями, вытекающие из аппроксимации поведения реальных материалов определенными моделями тел.
В экспериментальные исследования всегда включают в той или иной форме установление таких связей путем механических испы таний, при которых обеспечивается однородность деформированного и напряженного состояний. Параметры этих состояний могут быть измерены одновременно и независимо друг от друга по интегральным величинам.
При исследовании пластических течений металлов, которые имеют место при обработке давлением и в других технологических процессах, диапазон измеряемых деформаций, условий деформиро-
5
вания и применяемых материалов чрезвычайно разнообразен. Про цессы ОМД характеризуются значительной неравномерностью на пряженного и деформированного состояний. Граничные условия весьма сложны и трудно воспроизводимы. Пластическое течение сопровождается комплексом физико-химических явлений, причем процесс деформирования отдельных частиц определяет изменение структуры и свойств материала. Схемы деформирования обычно являются объемными или плоскими, для которых деформированное состояние должно быть определено внутри материала. Измерения следует проводить во времени и непосредственно в момент воздействия. Из сказанного очевидно, что исследование реальных процессов представляет большие экспериментальные трудности. В то же время обычные методы моделирования имеют ограниченное значение. Для удовлетворения весьма противоречивых требований задачу экс перимента приходится ограничивать определенными рамками, поз воляющими выявить наиболее существенные особенности рассма триваемого процесса. В каждом случае цель и характер исследования должны быть сопоставлены с возможностями экспериментальных методов.
Методы исследования деформаций весьма разнообразны. Они отличаются друг от друга:
а) характером измеряемых величин; б) полнотой описания деформированного состояния;
в) диапазоном изменения измеряемых величин; г) постановкой эксперимента и условиями его проведения;
д) материалами, к которым может быть применен метод; е) интерпретацией и последующей математической обработкой; ж) точностью метода и т. д.
В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к экс перименту, может быть выбран тот или другой метод. При этом ос новным условием современного экспериментального исследования является возможность точного количественного описания. Ниже рассмотрены основные экспериментальные методы исследования процессов ОМД.
Метод координатных сеток. На поверхность материала нано сится система геометрических меток в виде линий, точек, квадратных или других элементов, положение которых соответствует некоторой системе координат (обычно декартовой или полярной). Известны различные способы нанесения сеток — накатка, травление, фотоко пирование, царапание и др. [27]. Искажение координатных сеток, вызванное деформацией, фиксируется с помощью фотографии или измеряется непосредственно по образцу. Метод координатных се ток относится к наиболее старым экспериментальным методам. В по следнее время он был существенно развит в отношении точности на несения координатной сетки и измерения ее искажений, а также ма тематической обработки результатов. Современные способы позво ляют наносить весьма прецизионные сетки, погрешность измерения которых оценивается в 1,5—3 мкм [4]. Однако это не обеспечивает достаточной точности при измерении небольших смещений и дефор-
6
маций, поскольку измерения относятся к малой базе, и относитель ная погрешность может иметь тот же порядок, что и измеряемая величина. Кроме того, влияние случайных ошибок, связанных с макрофизической и структурной неоднородностью, оказывается значительным. Наиболее употребительны координатные сетки с ша гом более 1 мм.
Интерпретация метода является чисто геометрической и может быть основана на вычислении локальных характеристик деформации или на определении полей смещений и деформаций. В первом случае определяют компоненты тензора деформации по изменению гео метрии отдельных элементов, исходная форма которых является квадратной или круглой [5—8]. Во втором экспериментальная информация представляется в виде таблиц дискретно заданного поля смещений, а полное описание деформированного состояния находится численным дифференцированием [9—11]. Последний подход не связан с условием сохранения однородности деформи рованного состояния в пределах каждой ячейки. Он весьма удобен для применения современных электронных вычислительных машин и эффективных численных методов, включающих сглаживание ис ходной информации [12, 13]. Это позволяет получить полное кине матическое описание процесса и повысить точность метода.
Основным достоинством метода координатных сеток является возможность применения его практически к любым материалам и условиям деформирования. Координатные сетки можно наносить на свободные поверхности или внутренние сечения тела. Недостат ком метода является относительно низкая чувствительность, по этому его применяют при исследовании конечных этапных и полных деформаций, превышающих 5%. Верхний предел измеряемых де формаций может достигать сотен процентов.
Метод линий тока является разновидностью метода координат ных сеток. Он основан на возможности описания установившихся несжимаемых течений с помощью функции тока, которая представ ляется визуально траекториями движения отдельных частиц [14— 16]. Это позволяет использовать одно семейство координатных линий, совпадающих с направлением течения материала. В некоторых слу чаях траектории могут быть выявлены по макроструктуре образца или путем травления. Особенности и область применения метода в основном те же, что и метода координатных сеток.
Поляризационно-оптический метод (фотопластичность). В ос нове метода лежит эффект двойного лучепреломления, который про является в некоторых прозрачных материалах при возникновении в них напряжений и деформаций. При просвечивании таких мате риалов поляризованным светом возникают оптические явления, позволяющие связать наблюдаемую картину с механическим со стоянием тела [17]. Поляризационно-оптический метод обычно используют при моделировании процессов. Поэтому его применение связано с проблемой создания материалов, обладающих определен ным комплексом оптико-механических свойств. Простейшие модели упругого и вязкого тела оказываются справедливыми для многих
7
оптически чувствительных материалов, причем в первом случае оптический эффект является линейной функцией деформаций, а во втором — скоростей деформаций. Это способствовало развитию ме тодов фотоупругости [18] и фотовязкости [19], которые в настоящее время являются весьма эффективными. Однако моделирование упруго пластических и пластических деформаций (фотопластичность) до сих пор сдерживается из-за отсутствия соответствующих материалов. Определенные перспективы имеет применение прозрачных поликристаллических галлоидов серебра и таллия [20].
Трудностей моделирования пластического поведения реальных материалов при использовании метода оптически чувствительных покрытий удается избежать благодаря нанесению тонкого активного слоя на поверхность металлического образца. В последнее время этот метод интенсивно развивается [21 ] и успешно применяется к иссле дованию ряда технологических процессов обработки металлов дав лением [20]. Достоинствами метода оптически чувствительных по крытий являются высокая чувствительность, наглядность резуль татов, возможность прямого измерения деформаций без применения операций численного дифференцирования. В то же время метод обладает рядом существенных недостатков, связанных главным об разом с техникой его применения. Прежде всего необходимо отметить ограничения, накладываемые схемой и условиями деформирования. Этот метод является достоверным при нанесении покрытий на сво бодные поверхности деформируемого тела [20]. Использование покрытий для внутренних сечений проблематично даже в случае плоскодеформированного состояния, так как уравновешивание на пряжений, действующих на покрытие со стороны материала, может быть достигнуто только за счет его дополнительных деформаций и изменения толщины, что непосредственно влияет на результаты измерения. Известные трудности представляет выбор материала покрытия, который, кроме высокой оптической чувствительности, должен выдерживать большие деформации, обладать минимальной релаксацией и сохранять адгезию к металлу. Условия проведения экспериментов ограничены моделированием при комнатной темпе ратуре. Устранение указанных недостатков позволит значительно расширить возможности этого перспективного метода.
Структурно наследственные методы. Физико-химические и ме ханические свойства пластически деформированных тел в значи тельной степени зависят от механических условий деформации. Ис следование определенных свойств деформированных структур поз воляет не только установить общую картину деформированного со стояния, но и получить количественную оценку некоторых пара метров. Структурно наследственные методы не дают достаточно полного и точного описания. Однако в некоторых случаях их при менение целесообразно при исследовании реальных материалов и процессов без нарушения сплошности тел. Известны следующие разновидности структурного анализа:
1. Выявление линий скольжения путем травления деформирован ных металлов в специальных реактивах или наблюдение их на поли
8
рованной поверхности образца. Наилучшие результаты получаются на малоуглеродистых сталях, а также на металлах, имеющих зуб текучести, при небольших пластических деформациях. При зна чительных деформациях отдельные линии становятся неразличи мыми, но могут быть установлены форма и границы пластических областей. Линии скольжения являются траекториями максимальных деформаций сдвига и во многих случаях совпадают с математиче скими характеристиками системы уравнений, описывающих пла стическое течение [22]. Так как задание характеристик эквивалентно построению решения, то оно оказывается исключительно полезным при анализе напряженного и деформированного состояний.
Физическое выявление линий скольжения связано с именами Д. К. Чернова, Людерса и Гартмана; примеры применения к иссле дованию процессов обработки металлов давлением содержатся в ра ботах [23, 24].
2.Измерение твердости для определения интенсивности напря жений в произвольной точке деформированного образца. Специаль ные способы тарировки позволяют определить поле пластической неоднородности, которое используется при анализе напряженного состояния совместно с другими экспериментальными методами [25, 26].
3.Оценка интенсивности деформаций сдвига по выпадению кар бидов или количеству a -фазы в процессе деформации некоторых ста лей [27].
Эти методы не находят применения в экспериментальной меха нике, так как требуют специальной аппаратуры и не обеспечивают требуемой точности.
Метод муара. Этот метод основан на явлении механической интерференции света, которое наблюдается при наложении растровсистем близкорасположенных линий, точек и других элементов. Одна из систем наносится на деформируемое тело, вторая — является исходной или эталонной. При наложении растров образуются кар тины хорошо различимых полос муара, изменение в положении и форме которых является относительно большим, по сравнению с ис кажением деформированной системы. Это является основой высоко чувствительного метода, с помощью которого можно измерять от носительные движения, вращения и деформации.
Метод муара можно рассматривать как развитие метода коорди натных сеток, когда система геометрических меток на деформируе мом теле становится достаточно плотной. В то же время использова ние интерференции и других оптических явлений определяет сход ство с поляризационно-оптическим методом. Как и в методе коор динатных сеток, интерпретация муаров оказывается чисто геоме трической, свободной от экспериментальных или феноменологиче ских законов. Это позволяет применять метод к материалам с любой реологией и физико-химическими свойствами, исследовать деформа ции различной природы — упругие, пластические, вязкие, ползу честь и др., а также статические, динамические и высокотемпера турные процессы. Метод муара дает полное кинематическое описание
9