книги из ГПНТБ / Поперечно-клиновая прокатка

Рис. 16. Процесс осевого разрушения в развитии при поперечной про­ катке пластичного материала (а, б, в) и труднодеформируемого ма­ териала (г)

руемости привлекаются в настоящей работе для исследования развития осевого разрушения.

1. Деформируемость металлов и сплавов

Под деформируемостью металлов понимается их спо­

40

объемах образца и накопление их количества до опреде­ ленного предела; вторая стадия процесса начинается после того, как количество микротрещин в элементар­ ном объеме достигнет критической величины, при этом происходят объединение микротрещин 'в макротрещину и распространение последней по определенной поверхно­ сти. Причем вторая стадия процесса протекает при не­ значительном приращении деформации. Если в процессе разрушения преобладает первая стадия, его относят к вязкому разрушению, когда же первая стадия сопровож­ дается незначительными остаточными деформациями, то процесс называют хрупким разрушением.

Наиболее важной для исследования является первая стадия разрушения, так как изучение характера развития макротрещины во второй стадии процесса разрушения практического интереса в рамках поставленной задачи представлять не может. Согласно теории, предложенной В. Л. Колмогоровым [42], накопление микротрещин про­ исходит прямо пропорционально накопленной деформа­ ции. При этом предполагается, что процесс разрушения представляет сумму двух одновременно протекающих явлений: собственно процесса разрушения и процесса «залечивания», или сваривания, микротрещип. Преобла­ дание одного процесса над другим определяют физичекие свойства материала и показатель напряженного

ние наступает после того, как количество микротрещин достигнет критической величины. Поскольку они накап­ ливались пропорционально деформации, то разрушение наступает тогда, когда деформация достигнет критиче­ ской величины. Эту величину определяют скорости воз­ никновения и «залечивания» микротрещин (скоростью в данном случае условимся называть отношение прира­ щения количества микротрещин в единичном объеме к приращению деформации). Если скорость возникновения микротрещин значительно больше скорости их «залечи­ вания», то критическая деформация незначительна, ког­ да же скорость возникновения микротрещин превышает скорость их «залечивания» на незначительную величину, то критическая величина деформации достигнет больших значений. Возможен вариант, когда скорость «залечива­ ния» микротрещип превысит скорость их возникновения.

41

В этом случае разрушение станет невозможным, а кри­ тическая деформация устремится к бесконечности. Если в результате обработки образец получает неоднородную деформацию, разрушение начнется (при прочих равных условиях) в тех его частях, где деформация максималь­ на. Наиболее удобной величиной, характеризующей на­ копленную деформацию в локальных объемах, является степень интенсивности сдвига Л. Таким образом, крите­ рий разрушения может быть записан в виде

где ЛКр — критическая степень интенсивности сдвига —

параметр, характеризующий деформируемость материа­ ла, т. е. его физические свойства.

Критическая степень интенсивности сдвига зависит от многих факторов, которые можно разделить на две груп­ пы. С одной стороны, это внешние условия, в которых де­ формируется образец: напряженное состояние, темпера­ тура, скорость деформации, окружающая среда и прочие; с другой — это природные свойства самого материала: его химический состав, фазовое состояние, размер зерна, способ получения и т. д. Общеизвестно, например, что чем мельче зерно, тем выше механические свойства ма­ териала, а свойства литого образца ниже свойств образ­ ца, полученного обработкой давлением.

Как правило, при разработке процесса прокатки не­ возможно варьировать природными свойствами материа­ ла. исходной заготовкой служит прокат определенного диаметра и заданной марки стали, претерпевший соответ­ ствующую пластическую деформацию и термообработку. В то же время изменением внешних факторов можно создавать более благоприятные условия для деформации без разрушения. В связи с этим следует подробно рас­

смотреть влияние каждого из внешних факторов на де­ формируемость материалов.

В работе [42] высказано предположение, что «залечи­ вание» микротрещип возможно при условии о/Т< 0 (еще раз отметим, что растягивающие напряжения прини­ маются положительными) и соответственно чем меньше показатель напряженного состояния, тем выше скорость «залечивания». ЕІа наш взгляд, это положение подлежит уточнению. Вполне логично предположение, что трещина закрывается при наличии сжимающих напряжений,* но

4 2

всегда необходимо помнить, что мы имеем дело с поли­ кристаллическими телами и напряженно-деформирован­ ное состояние в отдельных кристаллитах и на их грани­ цах характеризуется значительной неоднородностью. Следует различать локальное напряженное состояние в структурных составляющих и макрофизическое напря­ женное состояние, в частности о/Т, найденное при кон-

женного состояния в макрообъеме (о) (а = —0,5 ^г; а=1,6-^г)

и зависимость деформируемости от показателя напряженного состояния меди М2 (б) ( (сти)о-.= —0,5; (7=1,6; 2S=?0,8)

тицуалыюм подходе (например, из уравнений теории пластичности). Макрофизическое напряженное состоя­ ние близко к реальному, которое усредняется в объеме, значительно превышающем размер зерна. Из этого сле­ дует, что вследствие локального перераспределения на­ пряжений в достаточно малых объемах действительное напряженное состояние является весьма неравномерным и в отдельных кристаллитах существует вероятность воз­ никновения как сжимающих, так и растягивающих на­ пряжений независимо от знака показателя о/Т, а про­ цессы возникновения и сваривания микротрещин будут происходить одновременно.

Учитывая кристаллическое строение металлов и спла­ вов, предполагаем, что распределение напряжений в от­ дельных микрообъемах отвечает закону нормального распределения Гаусса (рис. 17, а). Очевидно, что увели­ чение показателя напряженного состояния, налагаемого па всю систему, приводит к повышению относительного

4 3

количества микрообъемов с растягивающим гидростати­ ческим давлением и, наоборот, при уменьшении показа­ теля напряженного состояния. Предположим также, что, когда накопленная деформация в материальной точке достигнет некоторой, постоянной для конкретного мате­ риала величины S, в этой точке появится микротрещина. С другой стороны, известно, что деформация может при­ водить и к свариванию разрозненных частей (сварка трением). При этом чем более высокое сжимающее дав­ ление прикладывается к разрозненным частям, тем мень­ шая требуется деформация. Предположим, что для того чтобы при деформации 5 произошла сварка, требуется относительное давление (а/Т)

Итак, если показатель напряженного состояния в ма­ териальной точке больше (а/Т)а}, после деформации,

равной 5, в ней произойдет микроразрушение. Если этот показатель меньше (а/Т),,-, разрушения в ней не будет.

В макрообъеме образца, когда показатель напряжен­ ного состояния равен а/Т, относительное количество мик­ рообъемов, где появится микротрещина после прираще­ ния деформации на величину 5, равно

где а — дисперсия вероятностного распределения показате­ ля напряженного состояния.

Следовательно, при деформации S в макрообъеме полное насыщение микротрещинами получит его Q часть'. Для полного насыщения, учитывая ранее принятое пред­ положение [42], что накопление микротрещин происходит пропорционально деформации, потребуется деформация, равная S/Q.

Приведенные выше рассуждения строились на пред­ положении, что деформированное состояние равномерно по всему объему образца. Объективнее же предположить, что оно распределяется не равномерно, а по закону рас­ пределения Гаусса. В этом случае после деформации макрообъема на величину S, которая равна математи­ ческому ожиданию кривой вероятностного распределе­ ния деформаций, появление микротрещин произойдет в его 0,5 Q части. Полное же насыщение обьема микротре­ щинами произойдет при деформации, равной 2S/Q. .

4-1

Из этих предпосылок нетрудно определить, что крити­ ческая степень интенсивности сдвига будет равна

Графическое отображение зависимости (42) представлено на рис. 17, б (кривая 1). Отметим ее некоторые особенно­ сти. При напряженном состоянии, равном (а/Т)ю, критиче­ ская степень интенсивности сдвига стремится к бесконечно­ сти, т. е. создаются условия сверхпластичности: материал практически невозможно разрушить. При напряженном

состоянии (сг/ТО (а/7% -(-За) критическая степень интенсив­ ности сдвига равна 25, т. е. при дальнейшем сколь угодно большом увеличении показателя напряженного состояния критическая степень интенсивности сдвига практически не уменьшается. Несомненно, что это справедливо до тех пор, пока растягивающие напряжения не превысят предела прочности на отрыв — когезионной прочности материала, приводящей к разрыву межатомных связей.

Для описания деформируемости материала необходимо

знать три его константы: (а/7%, 5, а. Первые две ограни­ чивают область, в которой существует критическая степень интенсивности сдвига данного материала, двумя прямыми линиями, параллельными осям Лкр = 25, а/Т = (а/7% .

Дисперсия вероятностного распределения показателя нап­

ряженного состояния о определяет, насколько близко кривая деформируемости подходит к пересечению этих прямых.

Для практических целей необхрдима только часть всей области существования критической степени интен­ сивности сдвига. Так, например, при клиновой прокатке показатель напряженного состояния на оси образца из­ меняется в пределах —0,2>о/7>1,5. Относительно точ­ но в этом диапазоне (ошибка до 15%) кривую деформи­ руемости описывает эмпирическая зависимость (рис. 17, б, кривая 2)

~Т

4 5

Современное развитие теории и экспериментальной методики не позволяет непосредственно определить дис­ персию распределения напряжений в микрообъемах, по­ этому доказательством правильности предложенной здесь гипотезы служит совпадение экспериментально найденных и теоретических значений критической степе­ ни интенсивности сдвига (экспериментальные точки по­ казаны на рис. 17, б). Аналогичное совпадение обнаружи­ вается и па друТих, произвольно выбранных материалах.

Следующим внешним фактором, влияющим на дефор­ мируемость материала, является температура. «Залечи­ вание» микротрещин может происходить без деформаций за счет рекристаллизации и диффузионных процессов, которые начинаются при повышенных температурах и до­ статочно большом времени выдержки. Деформация зна­ чительно увеличивает скорости диффузии и рекристал­ лизации. Поэтому с повышением температуры увеличи­ вается деформируемость материалов. Если деформация протекает длительное время или в процессе ее произво­ дят промежуточные термообработки, следует учитывать дополнительное увеличение деформируемости, пропор­ циональное времени выдержки. Изменение фазового со­ стояния материала при повышенных температурах вы­ зывает резкое, скачкообразное изменение его свойств, приводящее к изменению пластичности. Если при повы­ шении температуры в сплаве изменяется количественное соотношение фазовых компонентов, то, несомненно, уве­ личение температуры, несмотря на то что фазовые ком­ поненты не изменяются, может вызвать и уменьшение деформируемости, что на практике, однако, бывает очень

редко. Обычно деформируемость в этом случае увели­ чивается.

Изменение скорости деформации в том диапазоне, который применяется для клиновой прокатки, непосред­ ственно не оказывает влияния на деформируемость боль­ шинства материалов. Влияние скорости сказывается кос­ венно за счет изменения теплового баланса, связанного с генерированием тепла в процессе деформации и теплопе­

редачей от заготовки к инструменту и в окружающую среду.

Как известно, пластическая деформация осущест­ вляется путем сдвига по определенным плоскостям. Ис­ следования показали, что критическая степень интенсив-

46

пости сдвига, кроме перечисленных выше факторов, за­ висит также от количества плоскостей сдвига и ориента­ ции их относительно элементарного объема образца. Проиллюстрируем это на следующем примере. В не­ скольких образцах из меди равномерно по всему объему был произведен сдвиг по параллельным плоскостям на различную величину: Л = 2, 4, б, 8. Затем из полученных заготовок вытачивались цилиндрические образцы так,

Рис. 18. Зависимости остаточной деформации от накопленной (а) и накопленной деформации от количества циклов нагруже­ ния (б) при циклическом нагружении: 1 — свинца СО; 2 — алюминия АД-1; 3 — меди М2

чтобы плоскость сдвига составляла угол 45° к продоль­ ной оси цилиндра. Испытанием на растяжение определя­ лась остаточная пластичность образцов. Результаты эк­ сперимента приведены на рис. 18, а (прямая 1). Умень­ шение деформируемости, как видно из рисунка, происхо­ дит прямо пропорционально накопленной деформации, что подтверждает основное положение теории, предло­ женной В. Л. Колмогоровым [42]. Образец, у которого накопленная сдвигом деформация была равна 8, вероят­ но, разрушился в первой стадии эксперимента, так как при испытании на растяжение он разорвался хрупко, показав при этом незначительный предел прочности.

Далее исходные образцы вновь деформировали путем сдвига, но плоскость сдвига после очередного нагруже­ ния на А—2 поворачивалась на 45° вокруг продольной оси образца. Таким образом, накопленную деформацию доводили до Л = 8 . Испытание на растяжение показало, что остаточная пластичность в этом случае равна 0,55 (точка 2, рис. 18, а). Это говорит о том, что увеличение

47

количества плоскостей сдвига приводит к увеличению критической степени интенсивности сдвига.

Приведенные данные объясняют, почему критическая степень интенсивности сдвига, полученная при испытании на растяжение, при котором деформация в элементарном объеме осуществляется по множеству плоскостей, распо­ ложенных под углом 45° к оси образца (о/Г=0,58), боль­ ше аналогичного параметра при испытании на скручива­ ние тонкостенной трубы, при котором та же деформация

где А — коэффициент, учитывающий повышение крити­ ческой степени интенсивности сдвига с увеличением ко­ личества плоскостей сдвига.

Еще одним внешним фактором, влияющим на дефор­ мируемость материала, является направление деформа­ ции. Различаются два вида деформации: монотонная, протекающая в одном направлении, и знакопеременная, когда сдвиг по плоскостям осуществляется вначале в од­ ном направлении, затем в противоположном, потом вновь в первоначальном и т. д. Примером подобной де­ формации может служить деформация при знакопере­ менном кручении трубы.

Известно [43], что накопленная до разрушения при циклическом нагружении деформация тем больше, чем меньше амплитуда за один цикл. Согласно работе [42], для симметричного цикла нагружения зависимость меж­ ду накопленной деформацией за один цикл Лѵ, количест­ вом циклов нагружения N, предшествующих разруше­ нию, и критической степенью интенсивности сдвига ЛКр, которая определена для монотонного процесса при про­ чих равных условиях, записывается так:

где у —-константа материала, которая, как показала эк­ спериментальная проверка, зависит от изменения пока­ зателя напряженного состояния. Из-за сложности экспе-

48

рименталыюго отыскания константы пользоваться зависимостью (45) можно в ограниченных случаях.

На рис. 18, б показана экспериментально найденная зависимость между накопленной деформацией AVN и ко­ личеством циклов нагружения N, предшествующих раз­ рушению. Данные получены при монотонном, симметрич­ ном и пульсирующем скручиваниях тонкостенной трубы (рис., 19, в), изготовлен­ ной из технически чистого свинца (рис. 18, б, кри­ вая 1), алюминия АД-1 (кривая 2) и меди М2

Рис. 19. Образцы для испыта­ ния на растяжение (и), растя­ жение с концентратором (б) и кручение тонкостенной тру­ бы (а)

(кривая 3). Наглядно видно, что представленные графи­ ческие зависимости могут быть аппроксимированы урав­ нением

при іѴ> 1.

Анализ количественных значений приведенных вели­ чин позволил принять допущение tgYo=AKp, которое от­

Отметим, что формула (47) справедлива как при симмет­ ричном, так и при пульсирующем нагружении и приме­ нима при условии постоянства показателя напряженного состояния в процессе деформации.

2. Разрушение при поперечной прокатке

Вопросам осевого разрушения при поперечной про­ катке посвящено значительное количество исследований [44, 45]. Суждение о механизме разрушения носит проти­ воречивый характер; влияние технологических факторов