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

bпр.«— предельная степень деформации, полученная по результатам холодной прокатки клиновых образцов; р. д. н. — разовая деформа­ ция клинового образца с искусственным надрезом, а д. д. н. — дроб­ ная деформация (приблизительно 10 проходов) образца с надрезом.

По мнению автора, предложенную методику унификации оценки деформируемости можно рекомендовать после экспериментальной проверки для определения деформируемости металла в условиях горячей пилигримовой прокатки труб. Сущность экспериментальной проверки должна состоять в сопоставлении результатов горячей прокатки клиновых образцов и данных, определяющих предельную деформируемость металла в условиях реального процесса пилигри­ мовой прокатки при соответствующих температурах.

Часто в процессе освоения технологии металлургического произ­ водства из новых марок сталей и сплавов изделий требуемого сорта­ мента (листы, профили, трубы и т. д.) проводятся исследования деформируемости непосредственно на натурных полуфабрикатах (изго­ товляют в промышленных условиях опытные партии). Нет необхо­ димости говорить о трудоемкости, больших затратах средств и вре­ мени на выполнение этих работ. Кроме того, использование непо­ средственно производственного оборудования на проведение экспе­ риментов фактически означает его простой для валового производства освоенной продукции. Единственной рекомендацией, дающей воз­ можность отказаться от экспериментов в производственных усло­ виях, является проведение комплекса лабораторных испытаний, позволяющих получить все необходимые характеристики подлежа­ щего освоению в производстве металла в виде полуфабрикатов тре­ буемого сортамента. Эта комплексная методика лабораторных испы­ таний должна давать возможность максимального приближения к реальным условиям производственных процессов, чтобы по резуль­ татам лабораторных исследований можно было создавать надежный маршрут и обоснованно назначать технологические режимы обра­ ботки.

102

Разработанный на основании результатов лабораторных испыта­ ний технологический режим должен быть проверен в производствен­ ных условиях, причем необходимо стремиться свести к минимуму его последующие корректировки, потребовавшиеся . в процессе

. экспериментального материала позволит в дальнейшем уменьшить объем лабораторных испытаний вследствие разработки надежных теоретических расчетных методов установления показателей дефор-

. мируемости материала в зависимости от всех ее определяющих факторов.

§ 16

ВЫБОР УНИВЕРСАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПЛАСТИЧНОСТИ

Из приведенного в предыдущем параграфе обзора методов опре­ деления пластичности и деформируемости следует, что в настоящее время еще не найден какой-либо обобщающий, «универсальный», показатель пластичности, который можно было бы определить одним из простых методов и применять для качественной и количественной оценки деформируемости при любой реальной схеме формоизмене­ ния [23]. Наличие взаимной связи большинства показателей .пла­ стичности и деформируемости, определенных различными методами (начиная от методов определения сложных комплексных показате­ лей до методов испытаний, имитирующих условия различных про­ цессов обработки давлением), с показателем пластичности при разрыве

.неявляется, но нашему мнению, случайным. Несмотря на то, что эта связь имеет различную степень проявления (от косвенного ис­ пользования показателей пластичности при разрыве в выражениях для определения сложных комплексных показателей пластичности до наличия прямой пропорциональной зависимости между пре­ дельной пластичностью при холодной прокатке и значениями отно­ сительного сужения при разрывных испытаниях) физическая при­ рода процесса разрушения, вызываемого действием растягивающих напряжений, является объективным подтверждением необходимости существования взаимосвязи между показателем деформируемости при любой схеме объемного напряженного состояния (различные процессы обработки давлением) и показателем пластичности при испытаниях на разрыв.

Иными словами, при любой выбранной схеме нагружения интен­ сивность развития процессов разрушения оказывается пропорцио­ нальной характеристике повреждаемости материала при одноосном растяжении [26]. И. Шей подчеркивает, что причиной разрушения металлов в процессах обработки давлением являются вторичные растягивающие напряжения. Этот термин введен Зибелем, который определил вторичные растягивающие напряжения как растягиваю­ щие напряжения, возникающие дополнительно при деформировании

сжатием. В связи с этим Шей считает, что испытания на растяжение дают весьма полезные показатели пластичности потому, что трех­ осное напряженное состояние, возникающее в зоне образования шейки, близко к гидростатическому напряженному состоянию реального процесса пластической обработки.

К аналогичному заключению пришел Ю. Ф. Шевакин, рекомендуя непосредственно оценивать предел пластичности металла при холод­ ной пилигримовой прокатке труб для внеконтактных зон очага деформации по величине относительного сужения материала. На основании анализа данных ряда исследователей и результатов соб­

о минимальных резервах деформируемости материала. Авторы ра­ боты [21] однозначно рекомендуют принимать за меру пластичности металла относительное сужение при испытаниях на растяжение, ибо большинство процессов обработки давлением сопровождается возникновением дополнительных растягивающих напряжений. К аналогичным выводам пришел X. Бернс, рекомендующий приме­ нять для оценки деформируемости при штамповке относительное сужение.

В предыдущих разделах было сказано подробно о выборе пока­ зателя пластичности при испытаниях на растяжение исходя из условий полной оценки способности материала к пластическому формоизменению и однозначно была доказана целесообразность при­

менения полного относительного сужения 'Ф( 'Ф= ) [63] и др.

Таким образом, по нашему мнению, за универсальный показа­ тель пластичности любого металлического материала вполне целе­ сообразно принять относительное сужение при испытаниях на раз­ рыв гладких образцов.

Универсальный показатель пластичности позволяет качественно оценить пластичность материала вообще и сравнительную пластич­ ность известных материалов, в частности. С точки зрения количе­ ственной оценки деформируемости для конкретного процесса обра­ ботки давлением следует учитывать, что универсальный показатель пластичности, полученный при простом виде испытаний, будет значительно отличаться от показателей деформируемости материала, полученных в более сложных условиях. Это вполне правомерно, так как любой конкретный процесс отличается от процессов при испы­ таниях на разрыв схемой объемного напряженного состояния, скоростью деформации, равномерностью ее протекания, масштабом и т. д. Указанное различие является качественно и количественно более существенным, чем, например, различие между деформируе­ мостью материала в производственных условиях и ее показателями по данным лабораторных испытаний, имитирующих этот процесс. Последнее различие может быть более просто й легко учтено введе­

104

нием коэффициентов запаса, определение которых не представляет больших затруднении [54]. Другое дело учет более сложного харак­ тера различий между универсальным показателем пластичности и показателями деформируемости по данным имитирующих реальный процесс лабораторных испытаний.

Для решения этой задачи требуется проведение широких экспе­ риментальных исследований по установлению функциональной связи указанных показателей с определением эмпирических, а с разви­ тием теории и накоплением данных — теоретических расчетных зависимостей вида

^пр = f СФ)-

Указанная корреляция между относительным сужением образца при высокотемпературных испытаниях и показателями предельной пластичности при горячей деформации (прокатка) в производственных условиях для целого ряда сталей и сплавов на основе цветных ме­ таллов представлена в работе [37 ]. В исследовании установлено, что значения «корреляционного коэффициента», так названного автором, не зависят от природы материала (химического состава), а определяются исходным значением универсального показателя пластичности. Значения указанных коэффициентов по данным, пред­ ставленным в работе [37], приведены ниже.

Автором на основании исследования предельной пластичности при холодной прокатке (клиновые образцы и испытания на прокатываемость трубных образцов) в сопоставлении с универсальным

Таблица 2

Сводные результаты исследования деформируемости стали, в условиях холодной пластической обработки и относительного сужения

при испытаниях на разрыв

О

показателем пластичности (разрыв круглых образцов при комнатной температуре) были определены значения корреляционного коэффи­ циента К в выражении Ьар = /<ф [57].

На основании этих работ можно сделать идентичные выводы о том, что корреляционный коэффициент не зависит от природы материала, а определяется значением универсального показателя пластичности. Сводные результаты исследований представлены в табл. 2, а средние значения показателя пластичности и корреляционных коэффициентов сталей различных классов — в табл. 3.

Автором на основании анализа экспериментальных данных ряда исследователей, полученных при определении предельной пластич­ ности методом горячей прокатки на клин, и универсального пока­ зателя пластичности, полученного при высоких температурах мето­ дом разрывных испытаний, сделана попытка рассчитать значения корреляционных коэффициентов для различных марок сталей пер­ литного, аустенитного и мартенситного классов в области температур горячей деформации (900—1200° С). Естественно, что использование экспериментальных данных разных исследований, полученных при испытании сталей хотя и одних марок, но различного плавочного со­ става, разных исходных структурных состояний, на различном испы­ тательном оборудовании и т. д., не может гарантировать получения точных количественных характеристик корреляционного коэффи­ циента. Однако определенные качественные закономерности зависи­ мости последнего от ряда факторов могут быть установлены с доста­ точной степенью вероятности. В табл. 4 и 5 представлены средние значения корреляционного коэффициента исследованных классов стали в температурном интервале горячей деформации (900—1200° С), также показателей ф и Ьпр.

Приведенные данные также свидетельствуют о том, что корреля­ ционный коэффициент практически не зависит от химического со­ става материала (марки и класса стали), в то время как его зависи­ мость от универсального показателя пластичности прослеживается довольно четко.

Резюмируя все изложенное выше, можно сказать, что для уста­ новления допустимой степени деформации, необходимой для пра-

108

Таблица 5

Средние значения показателей пластичности, деформируемости и корреляционных коэффициентов сталей различных классов при температурах горячей деформации

10.9

ПО

вильного построения маршрута любого реального процесса обработки металлов давлением, требуется знание предельной степени деформа­ ции обрабатываемого металла в условиях рассматриваемого про­ цесса обработки.

Предельной степенью деформации Ьпр следует считать ту вели­ чину, при достижении которой в обрабатываемом металле появляются трещины, видимые невооруженным глазом. Соответственно допусти­ мой степенью деформации bROn является та ее максимальная вели­ чина, при которой обрабатываемый металл деформируется без нару­ шения сплошности в условиях реального процесса. Связь между указанными характеристиками может быть представлена в - виде

^доп ^з^пр>

где К3— коэффициент запаса [54].

Следовательно, допустимая степень деформации обрабатывае­ мого металла, вводимая в рассчитываемый маршрут, представляет собой произведение предельной степени деформации и коэффициента запаса, который определяет степень возможного приближения к значению Ьпр. Иными словами, величина К3 должна быть во всех случаях меньше единицы. В общем случае коэффициент запаса можно представить в виде произведения двух сомножителей:

= КхКг-

111

Величина принимается в пределах 0,97—0,95 исходя из сооб­ ражений точности определения значений предельной степени дефор­ мации по экспериментальным данным. Значение коэффициента К, а поддается достаточно точному аналитическому определению при учете реальных условий деформационного процесса.

В любом реальном процессе точность настройки стана характери­

и окончательного размера изделия в пределах допустимых отклонений действительная степень деформации может отличаться от расчетной (по номинальным размерам изделия и заготовки). Применительно к условию определения величины К 2 следует рассмотреть наиболее неблагоприятный случай, когда фактическая степень деформации оказывается больше расчетной. Этот случай соответствует сочетанию максимальных (по плюсовым допускам) размеров заготовки и мини­ мальных (по минусовым допускам) размеров прокатанного изделия, что гарантирует запас пластичности в условиях всех других менее неблагоприятных комбинаций отклонений от номинала.

Очевидно то, что коэффициент можно представить в виде отношения расчетной (номинальной) степени деформации к действи­ тельной при самом неблагоприятном случае. Величина /<'2, есте­ ственно, не зависит от химического состава материала.

Расчетные выражения для коэффициента К 2 имеют вид

(d — sj) Sj

К_ ____________ (D — s)s__________

Аз f(rf — Arf) — (Sl — Asx)] (sx — Ast)

[(£> + Д D) — (s + As)] (s + As)

вслучае холодной прокатки труб и

Я— А

к_________и_______

в случае холодной и, горячей прокатки изделий листового сор­ тамента.

Здесь d, D, s± HS — соответственно диаметры и толщины стенок

Пользуясь предложенным методом, можно вывести расчетные выражения для величины К применительно к другим процессам обработки металлов давлением.

Предельную степень деформации можно определить непосред­ ственно из данных опытно-производственных испытаний, что весьма дорого, или по результатам имитирующих реальный процесс лабо-

112