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

формируемого тела-заготовки существенного влияния на деформи­ руемость не оказывает. Практически такие материалы превосходно деформируются при всех видах поперечного сечения заготовки без каких-либо разрушений. Для материала же, отличающегося низкой пластичностью, форма заготовки имеет существенное значение.

Если форма деформируемого тела благоприятствует возникно­ вению неравномерности деформации и появлению дополнительных напряжений, то пластичность материала снижается. В работе [61] приводятся результаты исследования влияния-формы исходной заго­ товки на пластичность металла в условиях высокотемпературной прокатки. Для исследования был выбран хромоникелевый сплав 15—50, содержащий 17% молибдена и 4,5% вольфрама и обладаю­ щий сравнительно низкой пластичностью. Прокатывались образцы следующих сечений: прямоугольного, прямоугольного со скошенными углами, двояковыпуклого, двояковогнутого и двояковолиистого (сдвоенная двойная вогнутость). Наименьшую пластичность показали образцы двояковыпуклого и прямоугольного сечений со скошенными углами, наибольшую — образцы двояковолнистого сечения.

Влияние формы сечения на степень предельного обжатия было обнаружено для сплава ЭИ460 при ковке на плоских бойках в интер­ вале температур горячей деформации [61]. Анализ взаимной з а - ' висимости формы исходной заготовки и готового изделия в связи с пластическим поведением материала при прокатке (с точки зрения неравномерности деформации) проведен в работе [29].

В заключение необходимо отметить, что влияние масштабного фактора на пластичность еще недостаточно изучено; существующие литературные данные могут дать лишь качественное представление об этом явлении.

§ 1 0

КОНЦЕНТРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ

Под концентратором напряжений следует понимать любой по­ верхностный или внутренний дефект обрабатываемого материала, который по своей конфигурации и ориентации относительно направ­ ления действия максимального растягивающего напряжения может вызвать изменение схемы объемного напряженного состояния, ло­ кализацию деформации и резкое местное возрастание напряжений. Наличие концентратора напряжений всегда связано с уменьшением пластичности деформируемого металла. Типичными примерами кон­ центратора напряжений являются внутренние трещины, поверх­ ностные надрезы и различные инородные включения внутри обраба­ тываемого металла.

Влияние надрезов имеет локальный характер. Концентрация напряжений и деформаций исчезает на расстоянии порядка несколь­ ких диаметров отверстия (включения). Степень концентрации на­

40

где с — характеристика размера трещины (глубина надреза, по­ лудлина трещины и т. д.);

а — радиус кривизны в вершине ■надреза.

Вопросы концентрации напряжений вблизи отверстий различ­

Степень концентрации напряжений при деформации в теории обработки давлением принято выражать через коэффициенты концен­ трации (К, N и др.), определяемые как отношение значений характе­ ристик (прочностных или пластических), полученных для образцов с надрезом и без надреза в итоге

напряженного растяжения и приводит к разрушению при неболь­ шой номинальной деформации. Так, по мнению Друккера, эллипти­ ческая трещина с отношением максимальных осей 7 : 1 дает коэффи­ циент упругой концентрации напряжений, равный 15; при номиналь­ ной деформации 2% (t = 20° С) вырез может вызвать в области вершины местные деформации порядка 40—50%. При наличии . внутренних концентраторов напряжений в металле, которые чаще всего связаны с включениями, по данным А. С. Ахматова, в вершине трещины напряжение увеличивается до 400% номинального значе­ ния, а при наличии поверхностной царапины — до 140%. В общем случае влияние концентратора напряжений на пластическое поведе­ ние показано на рис. 10 [15].

В природе не существует изделий, не имеющих концентраторов напряжений. Следовательно, при проведении экспериментов по опре­ делению пластичности конкретного материала, необходимо коррели­ ровать результаты, полученные для небольших образцов, при исполь­ зовании этих данных для более крупных изделий. При корреляции полагается занизить полученный показатель пластичности, так как для больших изделий тот же по размеру надрез будет острее, чем для мелких образцов.

41

Применение искусственных надрезов, по нашему мнению, едва ли поможет точно учесть вышеприведенный фактор, так как искусствен­ ный надрез испытуемого образца значительно ужесточает условия испытаний, резко снижая показатель исходной пластичности при растяжении. С другой стороны, применение искусственных надрезов на образцах при испытаниях, имитирующих более «мягкие» схемы деформации (например, на клиновых образцах при -испытаниях на прокатываемость, на крешерах при испытаниях на осадку), по-

больше отношение величин полного и равномерного сужения при разрыве (ф/фр), тем меньше его чувствительность к концентратору напряжений. В работе установлена функциональная зависимость при комнатной температуре показателя чувствительности к надрезу (отношение истинных напряжений разрушения надрезанного и не надрезанного образцов SKJ S J от показателя локальной деформации

(ф/фр) для алюминиевого сплава и для сталей ряда марок: 12ХМФ, ЭИ802, ЭП38, ЭИ853, ЭИ855 и ЭИ437.

В работе [21] рекомендуется для пластичных тел (в противопо­ ложность хрупким) определять чувствительность к надрезу в срав­ нении с чувствительностью ж надрезу идеально пластичных тел.

42

Очевидно, этой рекомендации следует придерживаться лишь в теоре­ тических разработках.

На основании исследования деформируемости при холодной про­ катке клиновых образцов из сталей аустенитного (НЗ, Н5, Н6), ферритного и ферритно-мартенситного (Ф1, Ф5) классов путем срав­ нения пределов пластичности материалов для образцов с надрезами и без них установлено качественное и количественное влияние надреза на предельную пластичность (рис. 11). Сравнительная оценка чув­ ствительности исследованных материалов к надрезу показала, что чувствительность сталей аустенитного класса была в данных усло­ виях наименьшей. Подтверждением может служить полученная зависимость коэффициента чувствительности N к надрезу при испы­ таниях на прокатываемость (температура +20° С) клиновых образ­ цов из сталей марок 1X18IT22B2T2 (аустенитный класс), 1X13 (ферритно-мартенситный класс) и 12ХМСФБ (перлитный класс) от показателя исходной пластичности материала (относительное сужение при разрыве). За показатель надреза N было принято отно­ шение предельной пластичности, полученной при отсутствии искус­ ственного концентратора напряжений (образец без надреза), к пре­ дельной пластичности образца с надрезом (рис. 12). Эта зависимость показывает, что вредное влияние концентраторов напряжений на пластическое поведение материала резко уменьшается с ростом его пластичности, т. е. с удалением от состояния, близкого к охруп­ чиванию. При проведении опытов значение показателя пластичности материала варьировалось путем изменения режима предварительной термической обработки образцов.

Из полученных данных можно заключить, что вредное влияние концентратора напряжений на пластическое поведение материала при обработке давлением уменьшается с ростом исходной пластич­ ности. С другой стороны, даже для пластичных металлов действием концентратора напряжений пренебрегать нельзя. Его необходимо в той или иной степени учитывать при разработке режимов пласти­ ческой деформации любого реального процесса.

§ 11

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ

Под специфическими условиями протекания процесса деформа­ ции, помимо перечисленных.факторов, определяющих любой реаль­ ный процесс, следует понимать ряд явлений, оказывающих воздей­ ствие на пластическое поведение материала в широком диапазоне: от незначительного до существенного. При этом степень воздействия зависит от конкретного процесса обработки. Так, например, силы трения при волочении играют определяющую роль, а при простом растяжении отсутствуют. При прокатке силы трения в зависимости от стадии процесса деформации играют то активную, то пассивную роль. Неравномерность деформации при прокатке фланцевых про-

43

филей очень велика и практически определяет параметры процесса, в то время как неравномерность деформации при прокатке ленты не столь значительна. Наконец, последний пример: применительно к процессам прокатки изделий листового и трубного сортамента значение фактора дробности деформации очень велико, в то время как применительно к процессу прессования крупных профилей и труб этот фактор вообще не учитывается.

Ниже остановимся на ряде таких факторов с указанием степени их влияния на тот или иной процесс обработки давлением.

Силы трения. Процесс возникновения и преодоления сопротивле­ ния при движении одного тела по поверхности другого называют

контактным трением.

Силы трения в большинстве процессов обработки металлов давле­ нием играют очень большую роль [13, 22, 28, 59]. В зависимости от наличия смазочного слоя и от его толщины различают сухое и жидкостное трение (трение в гидродинамическом режиме). Суще­ ствуют также промежуточные виды трения: полусухое, полужидко­ стное, граничное и др.

Сухое трение обусловлено наличием на трущихся поверхностях сухих окислов, а граничное трение— наличием жидких окислов. При жидкостном трении толщина жидкого слоя составляет 0,1 мкм

иболее. Полусухое трение характеризуется тем, что в разных точках контактной поверхности одновременно происходят процессы сухого

играничного трения; при полужидкостном трении имеют место про­ цессы жидкостного и граничного трения одновременно.

При всех видах обработки давлением трение носит полусухой и граничный характер [20]. При обработке металлов давлением смазка всегда выдавливается из очага деформации, поэтому гидродинами­ ческий характер трения возможен в очень ограниченном количестве случаев, при создании специальных условий нагнетания смазки. Практически в природе не существует сухого трения, поверхность трения в той или иной степени всегда загрязнена какими-нибудь посторонними веществами. В работе [28] отмечается, что при холод­ ной прокатке с применением смазки наблюдается полусухое трение, а при горячей прокатке определить характер трения трудно вслед­ ствие различного влияния температурно-скоростного фактора. Сле­ дует отметить, что наиболее близок к процессу граничного трения способ холодного волочения с использованием смазки различного состава. Разработанный Аматоном (1699 г.) и Кулоном (1781 г.) закон сухого трения выражается формулой

Т = f 0P + F,

где Т — сила трения; /о — коэффициент трения;

Р — сила нормального давления;

F — составляющая сил молекулярного сцепления. Пренебрежение составляющей F, принятое в машиностроении (част­

ный закон Аматона Т = f 0P), при обработке металлов давлением недопустимо, так как в данном случае имеют место особые условия,

44

связанные с высокими удельными давлениями, пластической деформа« дней одного из трущихся тел, высокими температурами, обновлением контактных поверхностей и т. д.

При наличии сплошного слоя вязкой смазки трение осуществ­ ляется в гидродинамическом режиме и удельная сила трения опре­

В последние годы установлено, что основным содержанием про­ цесса трения является упругопластическая деформация поверх­ ностных слоев пары трения при преодолении фрикционных связей различной природы. Под фрикционными связями понимают как силы, необходимые для преодоления молекулярного сцепления или разрыва мостиков сварки, так и силы, возникающие вследствие механического зацепления выступов и неровностей.

Трение развивается при большинстве процессов обработки давле­ нием и с точки зрения пластичности обрабатываемого металла ока­ зывает" вредное влияние. Увеличение коэффициента трения, а следо­ вательно, и контактных сил трения в паре металл — инструмент ввиду увеличения неравномерности деформации и возникновения дополнительных напряжений отрицательно сказывается на пласти­ ческом состоянии обрабатываемого материала.

Необходимо отметить, что при продольной прокатке силы трения оказывают двойственное действие: активные силы трения обеспечи­ вают захват металла валками и возможность осуществления процесса; пассивные силы трения способствуют развитию неравномерности деформации, снижают эффективность процесса и понижают пластич­ ность обрабатываемого металла. Увеличение коэффициента трения в момент захвата способствует увеличению угла захвата и является полезным. С другой стороны, это увеличение становится отрицатель­ ным фактором при установившемся процессе прокатки. В частности, при увеличении коэффициента трения в зоне опережения растет по­ перечная деформация (уширение) и уменьшается вытяжка металла. Препятствует уширению целостность металла, т. е. в металле возни­

В ряде работ показано, что при продольной прокатке продольные силы трения в четыре раза больше поперечных и, следовательно, увеличение коэффициента трения в больщей степени влияет на про­ дольные силы, вызывая рост уширения и снижение деформируемости обрабатываемого металла. При пилигримовой прокатке труб силы трения препятствуют процессу деформации как со стороны валков, так и со стороны оправки, причем препятствие со стороны оправки очень значительно.

45

*■ С этой точки зрения в процессах прокатки используют техноло­ гические смазки, обеспечивающие устранение налипания металла на инструмент, повышение качества поверхности изделия и др. При холодной прокатке применяют растительные и минеральне масла, их смеси и эмульсии, покрытия пластичными металлами (Cu, РЬ и др.), порошки (тальк, мыла, сернистый молибден), графито-клеевые смазки и т. п. При горячей прокатке и прессовании наибольшее распростра­ нение имеют графитовые смазки и смазки на основе стекла и эмалей. Определяя роль сил трения в процессах волочения, следует исхо­ дить из основной формулы [56 ]

Очевидно, что увеличение вытяжки при прочих равных условиях зависит, главным образом, от снижения сил трения, которое дости­

Исключением из общего правила, по мнению ряда специалистов, является процесс волочения труб на длинной оправке. Обычно считают, что направление равнодействующей сил трения, возникаю­ щих на контактной поверхности труба — оправка, при волочении на длинной незакрепленной оправке совпадает с направлением тя­ гового усилия. Силы трения в паре труба —■оправка, по мнению некоторых исследователей, направлены в сторону волочения трубы и помогают металлу пройти через волочильный канал.

Принято считать, что при волочении на длинной оправке сила трения на оправке меняет знак: из отрицательной, противодействую­ щей продвижению металла в очаге деформации, она превращается в положительную, способствующую продвижению. Мы полагаем, что направленная по тяговому усилию равнодействующая сил тре­ ния в паре труба — оправка является внутренней силой и векто­ риальное сложение ее с внешней силой тягового усилия и с кон­ тактными силами трения в паре труба —■волока не правомочно. Внутренние силы трения между оправкой и трубой отнюдь не спо­ собствуют снижению тягового усилия при волочении труб на длинной оправке, а наоборот, противодействуют продвижению металла в во­ лочильный канал [11].

В общем случае обработки металлов давлением развитие процес­ сов контактного трения ведет к появлению неоднородного деформи­

46

рованного состояния и в тех случаях, когда по прочим условиям процесса возможны однородные деформации. Так, например, при прессовании вследствие развития сил трения искажается картина объемного напряженного трехмерного сжатия, и в отдельных объемах заготовки и на поверхности прессуемого изделия возникают зна­ чительные растягивающие напряжения [31 ].

Максимальная скорость деформации при прессовании даже выеокопластичных металлов и сплавов ограничена в связи с возмож­ ностью перегрева и пережога деформируемого металла вследствие интенсивного повышения сил трения по стенкам контейнера и по­ верхности инструмента.

Силы трения значительно усложняют протекание процессов осадки и ковки. В работе [13] приводится в качестве примера про­ цесс осадки (с одинаковой суммарной степенью) образцов с прямо­ угольным основанием, когда с ростом коэффициента трения умень­ шается удлинение осаживаемого образца и увеличивается деформа­ ция по ширине. Наибольшие коэффициенты трения наблюдаются при осадке, ковке и горячей прокатке вследствие появления толстых пленок окислов на поверхности металла, наименьшие— при воло­ чении со смазкой. Методы определения коэффициентов трения и их значения при обработке металлов давлением приведены в работе [20 ].

Таким образом, контактное трение увеличивает неоднородность деформированного состояния, определяемую непосредственно усло­ виями протекания процесса. За исключением ряда описанных выше случаев, силы трения при обработке металлов давлением оказывают вредное влияние на деформируемость обрабатываемого металла.

Неравномерность деформации. В работе [29] показано, что не­ равномерность деформации должна учитываться как важнейший фактор всех процессов обработки металлов давлением. Доказатель­ ством неравномерности распространения процесса деформации в обра­ батываемом теле служит возникновение дополнительных растягиваю­ щих напряжений, снижающих пластичность обрабатываемого ме­ талла, и получение неоднородного по структуре и свойствам изделия.

Вопрос неравномерности деформации теснейшим образом связан с такими параметрами, как трение, масштаб, геометрический фактор деформации, скорость деформации и ряд особенностей технологии металлургических процессов (выплавки, разливки, нагрева металла и т. д.). К этой области относится также круг вопросов, охватывае­ мых единым термином «теория жестких концов».

Как ясно из сказанного, степень развития неравномерности про­ текания пластической деформации в различных процессах обработки металлов неодинакова. При этом в зависимости от параметров про­ цесса, размеров и формы обрабатываемого тела даже в пределах одного процесса различие в степени неравномерности деформации может быть весьма существенным. Достаточно наглядное представ­ ление о неравномерности деформации при прокатке в направлении

47

в калибрах неравномерность деформации наблюдается во всех точ­ ках очага прокатки по всем трем направлениям. Степень этой не­ равномерности зависит от огромного числа зачастую трудно учиты­ ваемых факторов.

Вопросам неравномерности деформации посвящено большое ко­ личество работ (13, 28, 62 и др.).

Дробность деформации. Вопрос о влиянии дробности деформа­ ции (числа проходов) на величину предельной пластичности при обработке давлением мало изучен, и в литературе существуют са­ мые противоречивые мнения. Ряд исследователей, связывающих по­ нятие дробности деформации с фактором скорости (чем больше дроб­ ность, тем меньше скорость деформации), склонны считать, что уве­ личение дробности деформации должно положительно сказаться на пластическом поведении обрабатываемого материала. Вероятно, более обоснованно объяснение влияния дробности деформации на пластичность неравномерностью развития деформации [38]. О раз­ витии деформации в процессе продольной прокатки можно судить по изменению уширения: чем больше дробность деформации, тем меньше уширение, так как в каждом отдельном проходе объем, сме­ щенный в направлении ширины, меньше, вследствие чего в этом слу­ чае форма очага деформации способствует увеличению вытяжки. В работе [38] на основании анализа литературных данных об уширении сделан вывод, что степень деформации за проход оказывает большое влияние на неравномерность развития процесса: с увеличе­ нием обжатия за проход растет степень неравномерности деформации, что, естественно, должно отрицательно сказаться на пластичности обрабатываемого металла.

На основании исследования уширения, твердости, прочностных и пластических характеристик сталей перлитного класса (1Х2М и ЭИ531) в зависимости от степени наклепа при холодной прокатке клиновых образцов нами установлено положительное влияние уве­ личения числа проходов (дробности деформации) на пластическое поведение металла, повышение качества изделий, снижение энерге­ тических параметров процесса и повышение стойкости инструмента, причем последнее наиболее существенно проявляется при больших степенях деформации (е > 50%). Аналогичные результаты получены также при исследовании сталей аустенитного, перлитного и ферритно­ мартенситного классов применительно к условиям холодной про­ катки изделий листового сортамента [57].

Особенно широко изучено влияние дробности деформации при холодной пилигримовой прокатке труб. Дробность в пилигримовом процессе является основным фактором высокой пластичности боль­ шинства металлов и сплавов при холодной прокатке труб. С увели­ чением коэффициента дробности пластичность обрабатываемого ме­ талла растет. Коэффициент дробности /гд при холодной прокатке труб определяется по выражению

48

Коэффициент дробности при пилигримовом процессе нахо­ дится в пределах 15—30. В общем случае коэффициент дробности определяет число рабочих циклов, за которое сечение заготовки де­ формируется на заданную величину.

На основе использования положительного влияния дробности деформации построен процесс-ротационной ковки, в настоящее время получающий все большее распространение в промышленности [43]. В станах типа «Флотуринг»; применяемых для ротационного выдав­ ливания, дробность деформации на ісаждый ролик составляет 1/6 общей степени формоизменения. Прокатка на планетарном стане благодаря высокой дробности деформации обеспечивает получение суммарного обжатия для сортовых профилей до 98%.

К интересным выводам пришли С. О. Цобкало и Б. А. Кузнецов при изучении природы усталости оптическим методом. По их данным, при первом нагружении пластическая деформация по зерну распре­ деляется крайне неравномерно. По мёре повторения нагружений происходит выравнивание остаточных напряжений между зерном и пограничными зонами (за счет наклепа внутри зерна), что устра­ няет неравномерность распределения напряжений и деформаций. По мнению М. Л. Бернштейна, дробная деформация при обработке давлением способствует уменьшению неравномерности структуры. Последнее должно благоприятно сказываться на пластичности де­ формируемого металла.

На основании большого числа экспериментальных' данных [23 и др.] получены противоречивые результаты о влиянии дроб­ ности деформации на механические свойства металла. Одни иссле­ дователи считают, что дробность деформации не оказывает скольнибудь значительного влияния на механические свойства про­ катанного металла. По мнению некоторых, увеличение дробности деформации повышает пластические характеристики (ф, б), другие исследователи получили диаметрально противоположные результаты, некоторые же находят, что с увеличением дробности деформации улучшаются лишь характеристики прочности (ав, а5), без заметного изменения пластических характеристик.

Имеющиеся опытные данные о влиянии дробности деформации непосредственно на значение предельной пластичности реального процесса обработки давлением тоже противоречивы. Так, в работе [43 ] отмечено, что при дробном приложении нагрузки можно увели­ чить пластичность в два с половиной-трн раза [43]; в работе [61] указывается, что дробность деформации не оказывает влияния на предельную пластичность. Нами было исследовано влияние дроб­ ности деформации при холодной прокатке аустенитной стали марки 1Х18Н22В2Т2 на предельную пластичность металла, имевшего разные уровни исходной пластичности. Эти исследования показали, что увеличение числа проходов способствует росту предельной пла­ стичности (рис. 13).