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

раторных испытаний, которые, обеспечивая достаточную степень точности, менее трудоемки, но дорогостоящи.

Учитывая наличие корреляционной связи между показателем деформируемости и принятым за универсальный показателем пла­ стичности ф, определяемым на основании проведения простейших испытаний на разрыв, предельную пластичность можно получить расчетным путем: Ьпр = /Стр, где К — корреляционный коэффициент.

Корреляционный коэффициент зависит от пластичности исход­ ного металла и вида реального процесса деформирования. Пластич­ ность исходного металла является в свою очередь функцией целого ряда показателей: химического состава и структуры, скорости и температуры деформирования, фазового состояния, гидростатического давления, окружающей среды, концентратора напряжений, мас­ штаба, дробности деформации и т. д. При выборе полного относитель­ ного сужения я|) в качестве универсального показателя пластичности необходимо при проведении испытаний на разрыв сохранить иден­ тичность условий проведения испытаний по максимальному коли­ честву определяющих факторов, по которым это' возможно.

В частности, должна быть соблюдена однозначность химического состава, структуры и фазового состояния, температурных условий, окружающей среды и других возможных факторов. Что касается таких показателей, как гидростатическое давление, скорость дефор­ мации (что особенно важно в условиях деформации при температу­ рах выше порога рекристаллизации), дробность деформации, мас­ штаб, то именно невозможность добиться их однозначности при испытаниях на разрыв и в реальных процессах обработки давлением потребовала и обусловила необходимость введения в расчетное выра­ жение Ьпр = f (г|>) корреляционного коэффициента К ■ Его значение в подавляющем большинстве случаев отлично от единицы.

Таким образом, связь между допустимой степенью деформации за проход (Ьдоп) и относительным сужением при испытаниях на раз­ рыв для холодной и горячей деформации в общем случае может быть представлена выражением

^доп ^ з^ п р КМ,

причем коэффициент К должен зависеть не только от показателя пластичности, но и от вида процесса деформирования, например: К ковки не будет равным К. прокатки; К прокатки крупных листов окажется отличным от К прокатки тонких листов и т. д.

Коэффициент запаса І(3 устанавливают, исходя из условий необ­ ходимости отсутствия разрушения обрабатываемого изделия, на основании реальных условий производства (точность настройки стана, полюса колебаний размеров заготовки и т. д.). Корреля­ ционный коэффициент учитывает влияние схемы объемного напря­ женного состояния, масштаба, дробности деформации, концентра­ тора напряжений, скорости деформации, различий расчетного по­ рядка и других показателей, отличающих реальный процесс обра­ ботки давлением от деформации при простом растяжении.

Схема объемного напряженного состояния большинства реальных процессов обработки давлением отличается от наиболее «жестких» испытаний на разрыв с точки зрения повышения предельной пла­ стичности и увеличения значения коэффициента К. Исключение составляет процесс прошивки трубной заготовки на станах косой прокатки, при котором в центральной зоне заготовки возникает более жесткая схема объемного растяжения. Отрицательно сказы­ вается различие в масштабах разрывного образца и реального изде­ лия, подвергаемого пластической обработке. Предельная степень деформации при прочих равных условиях будет в этом случае меньше показателя пластичности при разрыве. Значительное отри­ цательное влияние различий в скоростях деформации (при растя­ жении имеет место «статическая» деформация) особенно сильно проявляется в области температур обработки, находящихся выше порога рекристаллизации, т. е. в том случае, когда деформируемость в значительной степени определяется соотношением скоростей ре­ кристаллизации и деформации.

Расчетные различия между показателями предельной деформи­ руемости при реальных процессах обработки давлением и относи­ тельным сужением при разрыве обусловлены тем, что эти показатели определяются через разные величины, характеризующие начальные и конечные размеры обрабатываемого тела (разность диаметров, разность высот, разность площадей и т. д.), а относительное суже­ ние всегда определяется через разность площадей поперечного сечения образца до и после деформации. В работе [53 ] путем сравне­ ния интенсивности деформаций показано, что различия в значениях •относительного обжатия при прокатке без уширения, получаемые

через разность высот полосы (^b = ^ ~ /г- ) составляют при прочих

равных условиях около 20% (Ь = 0,8ф). Различия расчетного по­ рядка можнополностью устранить, введя единый способ расчета степени деформации по площадям поперечного сечения. Для этого нет необходимости отказываться от использованияпривычных показателей степени деформации (относительного обжатия, крити­ ческого обжатия при прошивке, степени осадки и др.) так как раз­ личия можно легко устранить путем введения расчетных характе­ ристик этих величин. Метод позволяет выразить расчетное значение любого коэффициента деформации (степень деформации, рассчитан­ ная через изменение площадей поперечного сечения) посредством использования этих величин, рассчитанных по принятым ранее параметрам. Пример пересчета критической степени деформации

прошивки, на величину ее расчетной характеристики ( бкр (Р) =

g __ g ч

—^ —- J , определяемой через изменение площадей (т. е. иден­

тично определению относительного сужения), приведен в работе автора [30 ]. В этой работе введена расчетная зависимость для вычи-

114

При осадке круглых образцов в торец в случае определения пре­ дельной степени осадки через высоту образца до и после деформа­

ции ( Ьпр = -Ну - ■j пересчет показателя по площади поперечного сечения изменений не вносит:

^пр (р) --- ^пр.

Последнее положение подтверждается также теоретическими выкладками автора [53], полученными на основании сравнений интенсивностей деформации при растяжении и чистой осадке.

В настоящее время единственным реальным путем определения корреляционного коэффициента является эксперимент. На осно­ вании исследований показателей деформируемости при различных процессах обработки давлением и универсального показателя пла­

с целью разработки теоретических методов расчета корреляционных коэффициентов для всего диапазона марок сталей и сплавов в усло­ виях любого производственного процесса обработки давлением.

Решение этой задачи позволит обеспечить разработку любого деформационного маршрута с максимальным использованием пла­ стических свойств обрабатываемого металла на основании простей­ ших лабораторных испытаний — определения универсального по­ казателя пластичности.

§ 17

ДИАГРАММА ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

В практике удобней использовать графическое изображение зависимости Ьпр— ф, представляемое в виде диаграммы деформируе­ мости. Диаграммы деформируемости необходимо строить для каждого конкретного материала (марки стали, сплава, чистого металла)

отдельно по каждому процессу обработки (продольной прокатке, ковке, прошивке и т. д.). Следовательно, применительно к конкрет­ ному материалу строится несколько диаграмм деформируемости, в сумме представляющих технологический паспорт материала с точки зрения его обрабатываемости методами пластической деформации.

С учетом ранее изложенных соображений (см. § 16) для уточне­ ния функциональной связи лучше строить диаграмму деформируе­ мости в координатах: предельная расчетная степень деформации —

данный процесс пластической обработки. Например, применительно к процессу продольной прокатки величина Ьпр определяется при испытаниях на прокатываемость клиновых образцов по самому жесткому режиму — разовая деформация образца с искусственным концентратором напряжений (надрез). Значение величины йпр(р) получают путем расчета по нескольким формулам, приведенным в предыдущем параграфе этой главы. На основе результатов произ­ водственных исследований и данных опыта работы возможна коррек­ тировка значений Ьпр и соответственно йпр(р), причем эта корректи­ ровка, как правило, производится в сторону увеличения этих зна­ чений, ибо имитирующие реальный процесс обработки испытания по самому жесткому режиму дают сознательно заниженные значе­ ния показателей деформируемости. Последнее обстоятельство обус­ ловлено стремлением иметь определенный запас (резерв пластич­ ности), гарантирующий возможность уверенно применять эти пока­ затели в практических расчетах маршрутов реальных процессов обработки металлов давлением при любом неблагоприятном соче­ тании факторов, снижающих Деформируемость обрабатываемого материала.

Значения относительного сужения определяются методом ста­ тических испытаний на разрыв при соответствующих темпера­ турах.

Варьирование значений величин £>пр и Ьпр(р), необходимое для построения зависимости Ьпр(р) — ф, производился путем изменения структурного состояния материала при соблюдении соответствую­ щего испытаниям на разрыв постоянства всех прочих показателей: химического состава, температуры испытаний, окружающей среды, скорости и т. д. Так, например, при построении диаграмм дефор­ мируемости (холодная прокаткастали листового и трубного сорта­ мента) при t = const = 20° С указанное изменение структуры осуществлялось подбором соответствующих режимов термической обработки исходных образцов (см. рис. 29 и 30). Применительно к усло­ виям деформации при высоких температурах можно рекомендовать два способа варьирования значений £>пр и ф, а именно:

У испытания образцов из литого и деформированного с разной степенью вытяжки металла;

2) испытания образцов либо из литого, либо из деформирован­ ного металла, имеющего разную степень модифицирования или различные модификаторы при выплавке.

116

В последнем случае под модификатором понимается технологи­ ческая добавка, вводимая в металл в столь малом количестве, что ее влиянием на изменение химического состава материала можно полностью пренебречь.

Если при построении диаграмм деформируемости' ряда марок сталей в условиях холодной пластической обработки, как было отмечено выше, твердо установлено наличие прямолинейной зави­ симости вида

У = CL - \- Ьх,

то применительно к условиям высоких температур эксперименталь­ ных данных, подтверждающих наличие прямолинейной зависи­ мости Ьпр от ф при t = const, в литературе нет. Следует заметить, что нет оснований ожидать коренного изменения вида зависимости при переходе от 20° С к более высоким температурам ввиду сохра­ нения качественной идентичности обоих видов испытаний по всем показателям. Но, с другой стороны, следует остановиться на изме­ нении количественного влияния некоторых из этих показателей, а именно: температуры и скорости. Увеличение температуры обраба­ тываемого металла в диапазоне от нормальной до близкой к грани­ цам зон перегрева и пережога в общем виде повышает его пластич­ ность за счет развития процессов разупрочнения: отдыха, возврата, рекристаллизации и т. д. Протекание процессов разупрочнения происходит во времени, причем чем выше температура нагрева, тем меньше требуется времени на разупрочнение и тем интенсивнее оно развивается.

И. Шей прямо указывает, что в настоящее время для получе­ ния удовлетворительной корреляции необходим учет различий в скоростях деформации, соответствующих процессам простейших моделирующих испытаний, испытаний на разрыв при высоких тем­ пературах и обработки давлением в производственных условиях.

Итак, устанавливая зависимость Ьпр — ф в области температур выше, чем комнатная, следует ожидать количественного изменения коэффициентов уравнения связи у = а + Ьх по сравнению с зависи­ мостью, полученной для температур холодной обработки, где влия­ нием несоответствия скоростей деформации статического растяжения и имитирующего реальный процесс испытания можно практически пренебречь.

В случае деформации при повышенных температурах влияние скорости может настолько отрицательно сказаться на значении предельной пластичности, что сведется на нет положительное влия­ ние схемы объемного напряженного состояния, и величина Ьпр станет меньше величины ф при прочих равных условиях (в выра­

ростях деформации в случае повышенных температур при имитирую­ щих реальный процесс обработки давлением испытаниях деформи­

117

а при определении деформируемости любым из принятых методов скорость деформации приближается к динамической. Поэтому, если при испытаниях на разрыв процессы разупрочнения протекают ^практически полностью, то при имитирующих любой реальный про­

тельном влняниискорости (снижение предельной степени деформации при динамической осадке относительно универсального показателя пластичности — ухудшение деформируемости), а увеличение этого коэффициента означает положительное влияние скоростного фактора (рост Ьпр относительно величины ф — улучшение ’деформируемости).

115

Представленная графически зависимость показывает, что в де­ лом имеет место снижение величины К'е с ростом температуры

температур нагрева выше порога рекристаллизации интенсивность отрицательного .влияния скорости затухает (ветвь вг), что связано с тем, что при этих температурах скорость рекристаллизации весьма значительна. В области температур интенсивного падения вели­ чины /Св (ветвь бв) иңеет место неполное протекание рекристаллизации вследствие соизмеримости скоростей разупрочнения и деформации.

Все сказанное выше относится и к построению диаграмм деформи­ руемости для процессов обработки давлением, имеющих схему объем­ ного напряженного состояния, по «жесткости» превосходящую схему при испытаниях на разрыв. Такие схемы обработки применяют очень редко, однако они все-таки имеют место в практике. К данному случаю в первую очередь относится процесс прошивки на станах косой прокатки. При прошивке в центральной зоне очага деформа­ ции имеет место объемное растяжение, приближающееся к трехмер­ ному. Для таких процессов связь между 'показателем деформируе­ мости и величиной ф описывается уравнением типа у = Ьх, или Ьпр = /<Гф, причем величина /<" всегда меньше единицы. В случае процесса прошивки Ьпр = 8кр (6кр — критическая степень деформа­ ции, соответствующая началу самопроизвольного вскрытия полости в центре прошиваемой заготовки).

Таким образом, примерный вид диаграммы деформируемости для любого конкретного процесса обработки давлением и опреде­ ленной марки обрабатываемого материала может быть таким, каким изображен на рис. 34.

Построенные применительно к конкретной марке стали или сплава диаграммы деформируемости для ряда реальных процессов обработки давлением позволяют в дальнейшем определять значения предельной степени деформации только по данным исходного опре­ деления относительного сужения обрабатываемогома териала при соответствующих принятым в реальном процессе обработки темпе­ ратурах.

В производственных условиях достаточно провести контрольную проверку сертификатных данных испытаний ф на разрыв и опреде­ лить по диаграмме соответствующие -значения йпр(р) и Ьпр. Эти величины используют уже непосредственно либо в расчете нового маршрута обработки, либо для корректировки или проверки (в слу­ чае необходимости) существующего. Экспериментальное подтвер­

.(наличие, как и при холодной деформации, линейной связи величин bПр (р) — ф) получено автором настоящей работы совместное с А. М'. Тынтаревым.

Нами исследовались деформируемость сталей 12ХНЗМФА и 10ХНЗМФА в литом состоянии. Выплавка металла производилась

119

с введением модифицирующих добавок, в качестве которых исполь­ зовали титан и ферроцерий 0,0—0,15%. Исследуемые стали испыты­ вались в широком температурном интервале. Параллельно опреде­ лялась деформируемость путем прокатки клиновых образцов (рис. 32) размером 1-=- 10x20x100 мм с искусственным концентратором на­ пряжений.

Результаты проведенных испытаний представлены в виде диа­ граммы деформируемости (рис. 33).

Диаграммы деформируемости для всех применяемых в промыш­ ленности процессов пластической обработки можно построить с до-

W кругом

20to'1

Рис. 32. Клиновой образец.

статочной степенью точности для большинства применяемых в про­ изводстве деформируемых марок сталей, сплавов и чистых металлов на основании систематизации накопленных и опубликованных

втехнической литературе данных по определению деформируемости

имеханических свойств в широком температурном интервале. Для новых марок металлических материалов построение диаграмм дефор­ мируемости должно осуществляться в процессе освоения производ­ ства из них основных полуфабрикатов и изделий.

Издание обобщенного справочного материала, содержащего диа­ граммы деформируемости применяемых в промышленности металлов

исплавов, необходимо как с теоретической, так и с практической точек зрения. С практической точки зрения обобщенные и системати­ зированные справочные данные по диаграммам деформируемости позволяют заводским -инженерам выбрать рациональный метод обработки и обоснованно подойти как к проектированию новых, так и к корректировке существующих маршрутов обработки давле­ нием с максимальным использованием пластических свойств при дифференцированном подходе к каждому конкретному виду и состоя­ нию подлежащего обработке материала. Такой подход к расчету марш­ рутов пластической обработки обеспечивает достижение максимальной

производительности оборудования при сохранении гарантированного высокого качества изделий (исключение возможности возникновения внутренних и поверхностных нарушений сплошности). Следует

120

отметить,^ что методика проведения испытаний, необходимых для построения диаграмм деформируемости, весьма проста и не требует дорогого специализированного оборудования. Выполнение такой работы вполне доступно и для заводской лаборатории.

С теоретической точки зрения обобщение и систематизация диаг­ рамм деформируемости открывает возможности создания единых расчетных способов определения деформируемости любого класса материала при любом процессе исходя из результатов проведения лишь небольшого количества испытаний на разрыв, а в дальнейшем,

С целью ускорения выполнения экспериментальных работ, необ­ ходимых для построения диаграммы деформируемости, можно пред­ ложить упрощенный метод ее построения по данным одного экспе­ риментального определения величин Ьпр и ф на определенную темпе­ ратуру — построение по одной точке.

Возможность такого подхода опирается на гипотезу о том, что при любом реальном процессе пластического деформирования (для мягких схем напряженного состояния) предельная пластичность обрабатываемого металла при условии приближения его к идеальному пластическому состоянию при разрыве (ф «=* 100%) примерно равна 100%. При любом реальном процессе обработки давлением (для жестких схем напряженного состояния) предельная пластичность обрабатываемого металла близка к нулевому значению при условии приближения его к идеально хрупкому состоянию при разрыве (ф «=: 0). В данном случае под мягкими схемами понимается наличие

121

область линии AB (правая нижняя часть диаграммы деформируе­ мости).

Использование указанной гипотезы дает возможность построить единые диаграммы деформируемости в широком температурном ин­ тервале для любого класса металлических материалов применительно к условиям большого числа реальных процессов пластической обра­ ботки по результатам разрывных п моделирующих испытаний мате­ риала в одном-единственном пластическом состоянии (для одного значения ф).

Диаграмма деформируемости строится без варьирования значе­ ний ф и Ьпр при прочих равных условиях, обычно производимого

Рис. 34. Примерный вид диаграммы деформируемости: а — исход­ ные мягкие схемы напряженного состояния, б — исходные жесткие схемы.

путем изменения исходной структуры материала, т. е. по одной точке. Упрощенный метод построения диаграммы деформируемости (по одной точке) состоит в следующем:

1. Определение универсального показателя исходной пластич­ ности (для каждой температуры) при испытаниях на разрыв в одном конкретном состоянии (один режим термической обработки, одина­ ковые условия выплавки, разливки, и т. д.) для ряда плавок (по верхнему, среднему, и нижнему пределам содержания легирующих элементов).

2.Параллельное проведение моделирующих испытаний металла при соблюдении тождественности всех определяющих испытания параметров с параметрами проведения испытаний на разрыв (тот же металл, та же температура нагрева и др.). Возможно также исполь­ зование предельной пластичности исследуемого материала, получен­ ной в процессе изготовления опытных партий металлургических изделий и полуфабрикатов в производственных условиях.

3.Обработка результатов и получение одной усредненной точки

зависимости önp (р) — ф или Ьпр — ф (первое более точно, но менее удобно).

4. В зависимости от расположения указанной точки на диаграмме соединить ее прямой линией:

— для точек, расположенных в левой части диаграммы (Ьпр )>

J22