книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

бр = —р— (F и f — соответственно площади до и после разруше­

ния);

k — коэффициент вида разрушения.

Коэффициент k представляет собой отношение площадей соста­ вляющих вязкого и хрупкого видов разрушений в изломе, него опре­ деление весьма затруднено. Эксперименты показали, что темпера­ турная кривая деформируемости почти полностью совпадает с кри­ вой изменения относительного сужения при разрыве, которую полу­ чают значительно проще и быстрее [36] путем испытаний на разрыв црн различных температурах. То же самое молено сказать и относи­ тельно .метода парных испытаний (линейное сжатие — линейное растяжение). Метод парных испытаний (линейное сжатие, испытания на разрыв), не говоря о его трудоемкости, дает завышенные значения пластичности. Кроме того, создание линейного сжатия представляет само по себе большие трудности.

Л. Д. Соколов показал, что усредненные показатели деформи­ руемости недостаточно точны и пригодны только для предваритель­ ного грубого установления температурного интервала максимальной пластичности материала, и предложил уточненный критерий пла­ стичности П:

П =

а і

где рср — среднее удельное давление;

— истинное сопротивление деформации, определяемое по формуле С. И. Губкина:

(г,- = р (1 j (г — коэффициент, трения, а d и h — соот-

вественно диаметр и высота образца).

И. Л. Перлин предлагает считать за критерий деформируемости относительную ударную вязкость Ьп:

где ак — ударная вязкость; сгв — предел прочности.

И. Эльфмарк [65 ] рекомендует определять деформируемость при горячей прокатке по соотношению

р = хѵк,

где X -г- постоянная величина, характеризующая вид простейшего испытания и способ выражения деформируемости;]

V— скорость рекристаллизации;

k — экспонента, зависящая от скорости деформации.

М. А. Зайков и В. Н. Перетятько считают, что для металла можно указать универсальный критерий пластичности Я 0, который будет одинаковым для различных видов простейших испытаний (растяже­ ние, кручение и др.) и может быть применен для определения пре-

92

дельной степени деформации при различных способах обработки давлением:

случае дать необходимую точность оценки и предлагается исполь­ зовать условие деформирования без разрушения, одной из опреде­ ляющих которого является зависимость пластичности Лр (степень

иной степени основаны на использовании результатов простейших испытаний.

К простейшим методам испытаний материалов относится в первую очередь метод растяжения (испытания на разрыв) при низких, обычных и высоких температурах круглых сплошных и полых образ­ цов с надрезом и без него, плоских листовых образцов и криволиней­ ных сегментов, вырезаемых из тонкостенных труб большего диаметра.

Метод испытаний на разрыв широко распространен, прост, наде­ жен, требует сравнительно малых затрат металла, дает ряд ценных характеристик пластичности и сопротивления деформации (сгв, ст0і2, б, ф); испытания могут быть проведены быстро в условиях, как науч­ ных, так и заводских лабораторий. За показатель пластичности при растяжении на основании целого ряда литературных данных [4,

24, 35] должно быть принято полное относительное сужение (ф =

Показатель относительного сужения і[з не зависит от сопроти­ вления деформации, длины образца, соотношения длин равномерной и сосредоточенной деформации и полностью характеризует макси­ мальную деформацию, претерпеваемую металлом в условиях сначала линейного, а затем объемного растяжения (в локальной области). Хотя относительное удлинение б имеет большое практическое зна­ чение (для оценки деформируемости при сверхпластичном состоянии является единственным критерием), в обычных условиях разрыва с образованием шейки она не характеризует максимальной пластич­ ности материала и зависит от размеров и главным образом от расчет­ ной длины испытуемых образцов [4, 21]..

Представляет значительный интерес с точки зрения упрощения и ускорения определения показателей пластичности при испытаниях на разрыв метод безобразцовых испытаний. Он описан в целом ряде

93

работ М. Г. Марковца, В. Г. Борисова и др. Суть метода состоит

и пластичности, получаемых при испытаниях на разрыв. Авторы рекомендуют расчетные формулы, таблицы и даже специальные приборы, непосредственно позволяющие получать значения харак­ теристик испытаний на разрыв при проведении испытаний по опре­ делению твердости.

В последние годы используют ряд методов испытаний образцов на разрыв в различных средах: 1) в условиях гидростатического сжатия при давлениях жидкости до 50 000 кгс/см2 [33 ] и 2) при воздействии импульса электрического тока, а также методы испыта­ ний на разрыв при высоких скоростях нагружения или при наложе­ нии ультразвукового поля на деформируемый образец.

Широко распространенный в области изучения конструкцион­ ной прочности материалов метод определения ударной вязкости для количественной оценки критериев пластичности применительно к условиям обработки давлением мало показателен. Значения ак зависят не только от пластических свойств материала, но и от сопро­ тивления деформации.

Следует, однако, отметить, что методом испытаний для опреде­ ления ударной вязкости металла весьма удобно находить темпера­ турные интервалы провалов пластичности металлических материа­ лов (охрупчивания) в области как низких, так и повышенных темпе­ ратур. Метод испытаний для определения показателей ударной вязкости дает значительный разброс результатов.

Кручение является4 хорошо изученным и достаточно широко применяемым, особенно в трубном производстве методом испытания материалов [19, 34]. Деформация при кручении протекает немоно­ тонно: направления главных скоростей удлинений не совпадают в течение всего времени испытания с одними и теми же волокнами испытуемого металла. Метод испытаний на кручение не обеспечи­ вает достаточной точности и дает высокий разброс результатов. Показатель деформируемости, принятый при испытаниях на круче­ ние (число скручиваний до разрушения), резко отличается от при­ нятых в теории и практике обработки металлов давлением относи­ тельных характеристик и требует специальных пересчетов [64]. Само проведение испытаний на кручение сложнее, чем испытаний на разрыв.

Следует отметить, что до настоящего времени отсутствуют стан­ дартные методики и единое испытательное оборудование; большое количество переменных накладывается друг на друга. Это исключает возможность прямого сравнения результатов испытаний на кру­ чение, полученных различными исследователями. Качественно тем­ пературная кривая числа скручиваний до разрушения идентична аналогичной зависимости показателей пластичности при простом растяжении.

Испытания на изгиб производятся только применительно к низко­ пластичным материалам, так как для материалов, имеющих относи-

94

/

зованием металла потребуется оборудование большой мощности, что, видимо, вряд ли' оправдано.

Ю. М. Чижиков по аналогии с методом прокатки на клин реко­ мендует метод ковки на клин для предприятий, не имеющих прокат­ ного оборудования. Ковку образца производят поперек плоских бойков. Регулируя частоту ударов, после ковки получают образцы с продольным клиновидным сечением. О пластичности металла судят по состоянию боковых кромок, фиксируя минимальную дефор­ мацию, соответствующую появлению трещин. И. М. Павлов и В. М. Жаров предлагают использовать осадку также для изучения рекристаллизационных процессов и построения истинных диаграмм рекристаллизации.

С. А. Скородумов [46], исследуя по методу Бережковского дефор­ мируемость хромоникелевой стали (лабораторные слитки массой 12 кг, геометрически подобные крупным кузнечным слиткам), пред­ ложил наносить специальные надрезы на боковой поверхности осаживаемых слитков. Сопоставляя данные осадки и результаты высокотемпературных испытаний на разрыв образцов, вырезанных из зоны столбчатых кристаллов, С. А. Скородумов установил высо­ кую сходимость результатов определения показателей предельной пластичности по обоим методам. Аналогичные выводы сделаны в работе [37 ].

Разновидностью метода испытаний на осадку является метод, который предложил П. Ф. Томасон.

Этот метод основан на том, что при осадке на определенную степень возможно единственное критическое значение глубины предварительно нанесенной риски, приводящее к образованию тре­ щины. С увеличением глубины риски выше критического значения трещина увеличивается, а если глубина риски меньше критической, образования трещины не происходит. Испытанию подвергаются цилиндрические образцы, имеющие на боковой поверхности четыре продольные риски. Образцы осаживаются дважды до заданной сте­ пени деформации (обычно суммарная степень деформаций прини­ мается равной 70%).

Все недостатки метода, отмеченные при испытаниях на сжатие, полностью подтверждаются и при испытаниях на осадку, причем в связи с большими размерами образцов и массой инструмента по­ являются дополнительные трудности в стабилизации температуры на торцах осаживаемых образцов и соответственно условий трения при испытаниях. Предложенный способ конических и кольцевых выточек на торцах образцов для помещения смазки значительно усложняет процесс испытаний на осадку; эти усложнения не компен­ сируются определенными достижениями в области стабилизации условий трения при деформации образцов.

Близким к методу испытаний на осадку крешеров является метод испытаний на осадку клиновых образцов параллельными пли­ тами.

В настоящее время в связи с развитием процессов. высокоско­ ростного и импульсного формоизменения получают все большее

96-

распространение высокоскоростные испытания на осадку при низ­ ких и повышенных температурах.

Единой методики проведения высокоскоростных испытаний пока нет, различные исследователи пользуются нестандартным оборудо­ ванием, испытывают образцы разных размеров по своим методикам стабилизации скоростных и температурных параметров. Однако широкое развитие работ в этом направлении позволяет считать, что создание единой методики высокоскоростных испытаний на

косой прокатки — используется метод испытаний на прошиваемость круглых цилиндрических или конических образцов [12, 30, 42]. Общее признание получил метод испытаний на прошиваемость пу­ тем прокатки конических образцов. За критерий прошиваемости принимается критическое обжатие (бкр), определяемое по результа­ там косой прокатки при повышенных температурах на лабораторных прошивных станах. Критическое обжатие представляет собой мини­ мальную степень деформации, при которой начинается разрушение центральной зоны образца (вскрытие полости) при косой прокатке.

Большое число испытаний, проведенных для стали различных марок при различных, режимах прошивки, в сопоставлении с произ­ водственным опытом показало хорошую сходимость результатов, надежность и достаточную точность этого метода лабораторных испытаний на прошиваемость, имитирующих условия процесса прошивки. Получаемые значения бкр позволяют выбрать темпера­ турный интервал деформации при прошивке и установить оптималь­ ные параметры настройки стана, обеспечивающие нормальное тече­ ние процесса прошивки (без вскрытия полости до встречи с носком оправки).

Следует, однако, отметить, что метод испытаний , на прошивае­ мость связан с затратами большого количества металла и требует выполнения трудоемких операций осевой разрезки и фрезерования прокатанных образцов для установления наличия центральной

полости и расчета критического обжатия

деления этой величины по специальной номограмме. В работе [30] сделана попытка отыскать корреляционную связь между результа­ тами испытаний на прошиваемость и полученным при испытаниях на разрыв относительным сужением. Первые сравнительные каче­ ственные данные исследований в этом направлении показали обна­ деживающие результаты.

Деформируемость металлов при листовой штамповке наиболее близко можно оценить с помощью метода испытаний на вытяжку по Эриксену. При испытаниях по Эриксену металл находится в со­ стоянии трехмерного растяжения («многоосное растяжение»), что весьма близко имитирует его способность к глубокой вытяжке. Сущность метода состоит в вытягивании из диска листового металла е. помощью жесткого пуансона полусферических, ■конических или

ности путем прокатки клиновых образцов требует большого коли­ чества металла, достаточно сложен и трудоемок.

Начиная с 1962 г. автором проводились широкие исследования пластичности и деформируемости стали в условиях холодной про­ катки путем испытания материалов на растяжение и прокатываемость

Рис. 29. Поля рассеивания экспериментальных данных, линии регрессии и аналитические зависимости 6пр от показателя исход­ ной пластичности (испытания клиновых образцов); температура испытаний 20° С.

клиновых образцов [53, 54, 57]. Результаты этих исследований свидетельствуют о прямой пропорциональной зависимости 'между относительным сужением и предельной пластичностью при холод­ ной прокатке клиновых образцов в лабораторных условиях, а также листов и ленты — в производственных условиях. Указанные зави­ симости были обнаружены во всем практическом интервале пласти­ ческого состояния обычных технических сталей и сплавов трех важнейших классов: аустенитного, перлитного и ферритно-мартен­ ситного (рис. 29). К аналогичным выводам пришли Гессенберг

и Боурн, которые установили, что относительное сужение ф прямо пропорционально обжатию при холодной прокатке до растрескива­ ния кромок. Ленхейм доказал, что эта зависимость справедлива для любого металлического материала в широком интервале пла­ стичности.

Доказательств о наличии такой же зависимости при горячей деформации в настоящее время нет, хотя первые попытки сопоста­ вления данных, произведенные автором, позволяют сделать вывод о необходимости и целесообразности проведения экспериментальных работ в этом направлении.

Для установления значения предельной пластичности примени­ тельно к условиям периодической прокатки трубных изделий в круг­ лом калибре (реальный процесс холодной пилигримовой прокатки труб) используют имитирующий этот процесс метод испытаний на прокатываемость [55]. Критерием предельной пластичности является степень деформации, соответствующая началу растрескивания кон­ цов труб при холодной прокатке на лабораторном стане, произво­ димой с минимальной величиной подачи.

Испытания на прокатываемость позволяют получать значения предельной пластичности исследуемых материалов в условиях, весьма близких к реальному процессу холодной прокатки труб на станах ХПТ. Специфика этих испытаний не позволяет точно опре­ делить предельную пластичность, и последняя получается в поле допусков как средняя величина между минимальным (bnPmln) и

максимальным (^ПрП1;1Х) значениями. При этом за минимальную

предельную степень деформации принимается последнее значение степени деформации, когда растрескивания концов труб не наблю­ дается, а за максимальную —• ближайшая к максимальной достиг­ нутая степень деформации, когда на концах труб возникли трещины.

Метод испытаний на прокатываемость труб весьма трудоемок и сложен, требует большого количества металла для изготовления трубных образцов и значительных затрат времени на проведение испытаний.

Автором была установлена корреляционная линейная зависи­ мость между величинами предельной пластичности стали, получен­ ными по результатам испытаний на прокатываемость в круглом периодическом калибре в области температур холодной прокатки, и относительным сужением при испытаниях на разрыв при нормаль­ ной температуре. Эти зависимости имеют вид:

Ьпр = 0,930ф + 8,450; Ьпр = 0,930ф .+ 8,900

(сталь аустенитного класса марки 1Х18Н22В2Т2 и сталь марки ЭИ827 соответственно); Ьпр = 0,184ф + 64,720 (сталь перлитного класса марки 12ХМСФБ); Ьпр = 1,025ф + 5,000 (сталь ферритно­ мартенситного класса марки 1X13) (рис. 30).

В работе [55] автором предложена методика унификации оценки деформируемости при холодной прокатке изделий листового и труб­ ного сортамента.

100

На основании анализа результатов испытаний деформируемости сталей четырех классов в условиях, соответствующих двум реальным процессам обработки давлением: холодной прокатке листов и холод­ ной пилигримовой прокатке труб, установлена корреляционная

Рис. 30. Поля рассеивания экспериментальных данных, линии регрес­ сии и аналитические выражения зависимостей от показателя исходной пластичности (испытания трубных образцов).

связь между показателями деформируемости. Показана возможность оценки предельной степени деформации (Ьпр) обоих процессов по результатам одного метода испытаний — прокатки клиновых образ­ цов. Определены коэффициенты Ст. к и* С'т.к для расчета предельной степени деформации в условиях холодной пилигримовой прокатки труб, по результатам клиновых испытаний. Выведены расчетные зависимости значений указанных коэффициентов от показателя исходной пластичности материала (ф) при испытаниях на растяжение'

101