книги из ГПНТБ / Сегал, В. М. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара

2)промывка, обезжиривание ацетоном;

3)травление в растворе: натрий хлористый — 20 г, сода каусти­

5) промывка.

Дальнейшую обработку проводят по обычному режиму. Качество нанесения растра контролируется наблюдением под

микроскопом. При правильном выполнении режимов линии растра должны быть достаточно четкими, контрастными, а соотношение ширины темных и светлых промежутков должно соответствовать негативному изображению эталонного растра. Чаще всего встре­ чаются следующие дефекты нанесения.

При увеличенной экспозиции ширина темных линий на образце больше ширины светлых промежутков на эталонном растре, а эмуль­ сия на незасвеченных участках окрашивается и плохо вымывается. Последнее может также иметь место, если эталонный растр является недостаточно контрастным.

При плохом прижатии эталонного растра к образцу в момент экспозиции линии растра на образце получаются размытыми и недо­ статочно контрастными. Обычно этот дефект наблюдается на отдель­ ных участках образца.

При плохом обезжиривании и протравливании образца или малой экспозиции адгезия эмульсии оказывается низкой. В этом случае эмульсия смывается при проявлении или промывке.

Если эмульсия нанесена слишком толстым слоем, то темные линии растра имеют увеличенную ширину, а промежуток между ними окра­ шивается и плохо вымывается.

Для исследования высокотемпературных процессов эмульсионное изображение растра на образце должно быть закреплено путем травления [53, 96], электролитического хромирования [97] или вакуумного напыления. Эмульсия на основе поливинилового спирта обладает определенной кислотостойкостью, что позволяет произво­ дить травление и хромирование без дополнительной обработки. Для химического травления можно применять раствор; хромовый ан­ гидрид—-450 г, серная кислота удельного веса 1,84—27 мл, вода до 1000 мл.

ПОЛУЧЕНИЕ КАРТИН МУАРА

Наиболее универсальным способом фиксирования информации, заключенной в растре, является непосредственное фотографирование его изображения. Для фотографирования мелких сеток, частота ко­ торых превышает 200 линий/см, необходима специальная аппаратура с высоким разрешением. В этих случаях обычно фотографируют не растр, а картину полос муара, причем наложение изображений де­ формированной и исходной систем часто выполняют оптическими ме­ тодами [28]. Фотографирование более грубых растров (р > 0,05 мм) может быть выполнено на стандартных широкоформатных камерах.

130

Такие системы растров находят преимущественное применение при исследовании пластических течений в процессах ОМД.

В настоящей работе растры фотографировали на репродукционно­ увеличительной установке «Беларусь-2» (объектив «Индустар-55У», F = 140 мм). Если требования к разрешению системы возрастали, то использовали установку на базе фототрансформатора ФТМ (объек­ тив «Луч», F = 180 мм). Для улучшения контрастности растра на свинцовых образцах перед фотографированием проводили травле­ ние растра олеиновой кислотой. Кислоту наливали непосредственно на поверхность образца.

Во время травления, которое продолжается 2—3 ч, рекомендуется несколько раз сменить кислоту и промыть поверхность образца ацетоном. Перед фотографированием образец устанавливается строго параллельно матовому стеклу фотоаппарата. Это нетрудно прове­ рить, если на матовое стекло наложить эталонный растр с небольшим поворотом и наблюдать образующуюся картину муара. Таким путем одновременно осуществляется наводка на резкость и выбор масштаба фотографирования. Наводка на резкость может быть выполнена также по матовому стеклу с помощью просмотровой лупы.

Во избежание бликов осветители устанавливают под острым углом к поверхности образца, а образец фотографируют на темном фоне. Положение осветителей и образца подбирается экспериментально. Для линейных растров наилучшая контрастность достигается в том случае, когда линии растра располагаются перпендикулярно направ­ лению падения лучей. Хорошие результаты фотографирования рас­ тров были получены на штриховых репродукционных сверхкон­ трастных фотопластинках чувствительностью 2,8—5,5 ед. при про­ явлении в стандартном проявителе № 1 192] удвоенной концентра­ ции. Время экспозиции, которое составляло 20—60 сек (диафрагма 11— 16), устанавливали путем просмотра проявленного изображения под микроскопом или непосредственно по контрастности полос муара.

Картины муара могут быть получены различными способами. При исследовании малых этапных деформаций, когда искажение плоскости образца незначительное, можно закладывать образец в рамку с исходным растром (см. рис. 35) в том же положении, в ко­ тором проводили экспонирование эмульсии, и фотографировать кар­ тину муара через стекло рамки. Если плоскость образца искрив­ ляется, то деформированный растр фотографируют в масштабе 1: 1, выставляя его по матовому стеклу с исходным растром, а картину муаров наблюдают при наложении соответствующих пластинок. Можно также фотографировать образец до и после деформации с од­ ной установки фотоаппарата.

При фотографировании растров в различных масштабах приме­ няли установку на базе фототрансформатора ФТМ, модернизирован­ ного для использования в качестве фотоаппарата (рис. 36). На по­ движной траверсе 1 трансформатора была установлена каретка 2 с винтовыми механизмами продольного и поперечного перемещений. Каретка имела поворотную рамку 3, на которой закрепляли матовое

сторонами, покрытыми эмульсией. Наблюдая картину муара на экране увеличителя и используя движение рамок, нетрудно добиться желаемого наложения. Образующиеся картины муаров печатали на контрастной фотобумаге с необходимым увеличением.

В некоторых случаях картина муаров может быть получена не­ посредственно на поверхности деформированного образца. Для этого на образец наносят эмульсию и экспонируют изображение исходного растра без проявления и окрашивания. Затем осуществляют этап­ ную деформацию в условиях, предохраняющих от попадания на образец прямых солнечных лучей и других сильных источников света. После деформации на эмульсионный слой вновь экспонируют изобра­ жение исходного растра в том же положении, что и до деформации, и производится проявление и окрашивание. В результате, на поверх­ ности образца оказываются зафиксированными изображения ис­ ходного и деформированного растров, которые интерферируют между собой. Образующаяся картина муаров фотографируется с образца. Этот метод удобен при исследовании малых пластических деформа­ ций, когда приходится применять растры с мелким шагом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

В связи с развитием экспериментальных исследований механики пластического формоизменения, в последнее время был разработан ряд оригинальных установок и приспособлений для исследования различных процессов ОМД [9, 20, 70] и др. Однако применение весьма чувствительного метода муара значительно повышает требо­ вания к проведению эксперимента. Прежде всего пластическое течение материала должно в точности соответствовать схеме дефор­ мации, характерной для выбранного процесса. Дополнительные деформации, связанные с неточностью изготовления и установки образца, неодновременностью действия деформирующих элементов, а также возникающие при извлечении образца из приспособления, должны быть устранены или сведены к минимуму на всех стадиях эксперимента. Выполнение этих требований особенно важно при исследовании этапных деформаций, когда величина этапа является малой и должна быть выполнена достаточно точно. Стремление к ис­ следованию реальных материалов связано с необходимостью приме­ нения специальных инструментальных сталей и изготовления при­ способлений с высокой прочностью и жесткостью, приближающейся в ряде случаев к производственной оснастке (при недостаточной жесткости упругие деформации приспособления могут существенно исказить схему деформированного состояния).

При выполнении настоящей работы было испытано и отработано большое число штампов и приспособлений для моделирования раз­ личных процессов ОМД. Исследования проводили на гидравлической испытательной машине РМ-200 [усилие 2 Мн (200 т)]. Инструмент изготавливали из инструментальных сталей У7 и 5ХНВ, термически

133

289

обработанных на твердость HRC — 45-Н-47. Рабочие н сопрягаю­ щиеся поверхности инструмента были отшлифованы. Заданной величины этапной деформации достигали с помощью жестких упоров, которые располагали симметрично штампу между подвижной и не­ подвижной траверсами машины.

Было проведено специальное исследование моделирования кон­ тактных условий в процессах ОМД. Эксперименты с различными смазками показали, что минимальное трение обеспечивается при использовании в качестве смазки прокладок из тонкой пленки поли­

чести деформируемых материалов. В методическом отношении при­ менение твердых пленок весьма удобно, так как обеспечивает совер­ шенно идентичные условия смазки и позволяет локализовать ее действие в определенных областях. Для того чтобы создать условия максимального трения, контактирующие поверхности тщательно обезжиривали и создавали на инструменте искусственную шерохо­ ватость путем обработки резцом (строжка, точение) с глубиной гребешков —0,3 мм и углом при вершине 60°.

Ниже рассматриваются некоторые примеры применяемой ос­ настки.

Плоская осадка. Для исследования плоского деформированного состояния использовали универсальный пакет (рис. 37), обеспечи­ вающий постоянство размера и отсутствие линейных деформаций в направлении, перпендикулярном плоскости течения. Пакет со­ стоит из массивных боковых плит 1, скоб 2 и стяжных болтов 3.

134

в пространстве между плитами, за счет натяга болтов, и предотвра­ тить разжим приспособления при работе. Упругий прогиб плит не превышал 0,1 мм. Постоянство рабочего пространства между плитами при затяжке болтов обеспечивалось жесткими упорами.

Исследование сдвиговых деформаций в плоскостях, перпенди­ кулярных плоскости течения показало, что деформированное состоя­ ние вблизи средней плоскости тем ближе к плоскому, чем меньше

Схема наладки при исследовании процесса плоской осадки пока­ зана на рис. 38. Между плитами 1 пакета устанавливали разъемный образец 2 и деформирующие бойки 3. Для обеспечения симметрии процесса элементы пакета (плиты, скобы) не должны опираться на деформирующие элементы испытательной машины, а боковые плиты пакета должны зажимать образец, но не бойки, которые выполняли с зазором 0,3 мм на сторону. При сборке наладки под плиты 1 под­ кладывали специальные прокладки, которые удаляли перед дефор­ мированием, так что пакет оказывался подвешенным за счет прижима к образцу.

Плоская штамповка. Деформирование разъемного образца 1 осуществлялось во вставках 2 с элементами гравюры — полостью штампа, заусенечным мостиком и магазином (рис. 39). Для устране­ ния дополнительных деформаций* возникающих при установке и извлечении образца из вставок, последние также выполнялись разъемными по плоскости разъема образца. Каждая половина образца запрессовывалась в соответствующую верхнюю и нижнюю вставки и представляла с ними одно целое. Точная фиксация половин при установке в штамп обеспечивалась штифтами 3. После сборки обра­ зец со вставками устанавливали в рабочем пространстве универсаль­

135

ного пакета. Между поверхностями плит пакета и вставками с образ­ цом, как обычно, прокладывали пленку полиэтилена. Симметрия течения обеспечивалась так же, как и в случае осадки.

Качение цилиндра. Образец 2 запрессовывался в обоймы 1, кото­ рые создавали высокую жесткость материала на некотором удалении от свободной поверхности, моделируя условия пластичного полу­ пространства (рис. 40). Образец и обойму выполняли разъемными по средней плоскости, а их половины фиксировали штифтами. Каче­ ние создавалось роликом 3, ось которого закрепляли в ползушках 4. Образец и ролик устанавливали в пакете для плоской дефор-

Рис. 41. Схема моделирования попеРис. 42. Схема моделирования плоской продольречной прокатки в пакете для плоской ной прокатки

деформации

мации, специальные плиты которого имели выступ для упора обойм и паз для движения ползушек. Схему наладки и приложения дефор­ мирующих усилий см. на рис. 40.

Плоская поперечная прокатка. Схема поперечной прокатки в па­ кете для плоской деформации показана на рис. 41. Половины разъем­ ного образца 1 деформируются ползушками 2, перемещающимися навстречу друг другу в пазах боковых плит пакета. В процессе деформации образец вращается относительно плит, а пакет повора­ чивается относительно стола пресса. Начальное положение ползушек выбирается таким образом, чтобы угол наклона пакета не превышал 15—20°. Эта схема особенно удобна для выполнения этапных дефор­ маций, и геометрия образца, соответствующая установившейся стадии, должна быть подготовлена предварительно. Приспособление собирают на столе машины, а затем устанавливают в рабочем по­ ложении.

Плоская продольная прокатка. Для моделирования процесса продольной прокатки обычно используют лабораторные станы. При этом возникает ряд экспериментальных трудностей, которые свя­ заны с невозможностью изменения диаметра валков (в особенности —- с использованием валков большого диаметра), сложностью обеспе­ чения условий плоской деформации и точного выполнения этапных деформаций. Кроме того, лабораторные станы являются достаточно сложным и дорогим оборудованием, которое не всегда доступно. Поэтому был разработан простой метод моделирования плоской

136

прокатки, лишенный указанных недостатков. Деформирование осуще­ ствляется на испытательной машине в пакете для плоской деформации.

По одной схеме (рис. 42) разъемный образец 1 прокатывается кольцевыми сегментами 2, которые скользят по колодкам 3. Колодки опираются на выступ боковых плит 4 пакета. Движение сегментам 2 передается непосредственно от траверсы машины. Поверхности сегмента и колодок выполнены по сопрягающимся радиусам.

По другой схеме (рис. 43), применимой для относительно мягких материалов, образцы захватываются и прокатываются с помощью высокопрочной стальной ленты 1, огибающей радиусные поверхности

сегментов 2. Последние установлены в рамке 3, которая может пере­ мещаться между плитами 4 пакета и используется в качестве реверса движения машины. Для увеличения жесткости на рамку 3 насажи­ вают кольцо 5. Стальная лента (толщиной 1—1,5 мм) опирается на полуцилиндрическую вставку 6, которая лежит на верхнем крае­ боковых плит. При сборке пакета боковые плиты зажимают образец, а рамка, сегменты и лента остаются свободными. Рабочее усилие передается через кольцо 5 на рамку, которая опускается относительно пакета. При этом лента скользит по сегментам, осуществляя захват и прокатку образца. Для облегчения захвата передний конец об­ разца выполняется заостренным. Меняя сегменты 2 и применяя ленты с различной подготовкой поверхности, можно моделировать влияниегеометрических параметров и контактного трения на процесс про­ катки.

Аналогичное устройство использовали для исследования про­ цессов плоского и осесимметричного волочения. В этом случае перед-, ний конец образца закреплялся в зажиме, который опирался на края плит, так что при движении рамки образец протягивался между вставками разъемной матрицы.

137

Прессование. Плоское и осесимметричное прессование осуществля­ лось в штампе (рис. 44), состоящем из контейнера 1, бандажа 2, матрицы <3 и пуансона 4. При плоском прессовании разъемный кон­ тейнер был образован боковыми сегментами 5 и стойками 6, тщательно подогнанными друг к другу и обработанными совместно; очко ма­ трицы перекрывало ширину контейнера. При осесимметричном прессовании контейнер состоял из двух половин, также обработан­ ных совместно. Перед экспериментом образец, элементы контейнера

обеспечивается уплотнениями 6, 8 из мягкой стали. Величина этапной деформации контролируется вытеканием материала в очко матрицы. После деформации контейнер и матрица разделяются, а заготовка извлекается из штампа. Контейнер, мат­ рица и пуансон изготовлены из высокопрочной стали Х12Ф1, терми­ чески обработанной на твердость HRC = 55 -=-57, бандажи — из сы­ рой стали 45. Пуансоны и контейнер притираются с минимальным зазором, К штампу изготавливается комплект сменных матриц.

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ

Как отмечалось, метод муара может быть применен к различным материалам и условиям деформирования. В экспериментальной части настоящей работы основное внимание уделялось пластическому течению в условиях медленных изотермических процессов. Это опре­ делило выбор материала для исследования.

Наиболее удобным материалом является свинец, который обладает малым пределом текучести, низкой температурой рекристаллизации и высокой пластичностью. Для свинца в лабораторных условиях может быть проведен весь металлургический цикл подготовки полу­ фабриката. Легирование свинца сурьмой, теллуром и другими элементами позволяет получать сплавы с широким диапазоном реоло­ гических свойств. Кривые упрочнения технически чистого свинца СО с исходной литой структурой 1 и предварительно деформирован­ ного 2 показаны на рис. 46; соответствующие кривые 3, 4 построены

138

Для свинца, легированного 0,05% Те. При легировании использо­ вали порошкообразный теллур, который вводили в перегретый расплав (800° С) с помощью сетчатого «колокольчика». Так как степень легирования трудно регулировать, то для получения доста­ точно большой партии идентичного материала каждую плавку раз­ ливали на небольшие слитки, число которых равнялось числу пла­ вок. Затем партии из слитков каждой плавки переплавляли совместно. Полученные слитки свинца, у которых удаляли прибыльную часть, обтачивали и прессовали в специальном штампе с обжатиями 3—4. Предварительное деформирование создавало однородную мелкозер­ нистую структуру, что весьма

тиями 1,5—2.

Для исследования плоского деформированного состояния прессо­ вали прямоугольный профиль, для осесимметричной деформации — полуцилиндрический.

Метод муара предъявляет высокие требования к изготовлению образцов, которые касаются качества подготовки поверхности для нанесения растра и точного соответствия размеров образца и рабо­ чих полостей штампов. Эти требования особенно важны при иссле­ довании этапных деформаций. В зависимости от особенностей про­ цессов применяли несколько способов изготовления образцов.

Для исследования плоского деформированного состояния прессо­ ванный прямоугольный профиль нарезали на мерные заготовки, кото­ рые осаживали между плоскими плитами. Высота профиля на 5 мм пре­ вышала толщину половины разъемного образца, а точный размер обе­ спечивался осадкой по калиброванным упорам. Высокой чистоты пло­ скостей достигали с помощью применения полированных плит и обез­ жиривания поверхностей. Это позволяло наносить растры на плоскость разъема без какой-либо дополнительной обработки поверхности 1,

1 Для улучшения отражающей способности свинца и, следовательно, повышения контрастности растров, поверхность образцов перед калибровкой может быть по­ крыта тонким слоем сплава Вуда. Для этого образец нагревают до 100—120° С и на его поверхность укладывают несколько гранул сплава Вуда, которые после расплав­ ления равномерно растирают ватным тампоном. Шероховатость поверхности устра­ няют последующей деформацией между полированными плитами.

139