книги из ГПНТБ / Прессование алюминиевых сплавов. Математическое моделирование и оптимизация

ставляет перемещаться вниз шток исполнительного ме­ ханизма. Шток связан с нижней захваткой для испыта­ ний на растяжение и одновременно является бойком при испытаниях на сжатие.

Рис. 21. Схема пластометра конструкции УЗТМ:

1 — шток исполнительного механизма; 2—плунжер; 3—шток с роликом; 4 — рабочий кулачок; 5 — устройство прижима кулачка; 6 — регулятор оборотов; 7 — двигатель постоян­ ного тока; 8 — маховик; 9 — редуктор; 10 — барабан

Регулирование скорости деформации производится при помощи изменения числа оборотов двигателя и пере­ даточного отношения редуктора.

При значительных усилиях сжатия (растяжения) в расчеты вносилась величина «пружины» машины. Жест­ кость установки составила: при испытаниях на сжатие &сж — 139000 МН/м (13900 кгс/мм), на растяжение &раст= 82500 МН/м (8250 кгс/мм),

120

В установках типа пластометра активным элементом, осуществляющим деформирование образцов по требуе­ мому закону нагружения, является рабочий кулачок, об­ разующая которого профилируется по соответствующей кривой.

В работе использовались два комплекта рабочих ку­ лачков: для воспроизведения закона постоянной скоро­ сти деформации при испытаниях на сжатие и на растя­ жение.

Профиль кулачков отвечал экспоненте, показатель степени которой является функцией длины рабочего участка кулачка:

где /і0 — начальная высота образца; Аh — абсолютная деформация образца по высоте (при растяжении /0+ + Д /); kn — передаточный коэффициент исполнительного

Измерительные устройства и аппаратура. Обработка осциллограмм

При проведении испытаний на пластометре использо­ вались усилительная и безусилительная тензометриче­ ские схемы записи с регистрацией усилия сжатия (рас­ тяжения), деформации по высоте (длине) и времени (скорости) деформации.

Сигнал от тонкостенных водоохлаждаемых месдоз с наклеенными проволочными тензодатчиками через уси­ литель 8АНЧ-7М подавался на восьмишлейфовый ос­ циллограф Н-102 или Н-107. Тарировка измерительной цепи, регистрирующей усилие сжатия (растяжения),про­ изводилась непосредственно на установке при помощи тарировочного устройства в виде стальной двухконсоль­ ной балочки. Балочка периодически тарировалась на разрывной машине Р-2.

Для измерения деформации по высоте (длине) пер­ воначально был установлен датчик деформации в виде равнопрочной балочки с наклеенными датчиками сопро­ тивления. Впоследствии применялись ходограф контакт­ ного типа с шагом 1 мм и пружинный ходограф, собран­

121

ный из двух упругих пластин с наклеенными датчиками. Ходографы этих типов оказались весьма надежными при работе во всем диапазоне скоростей деформиро­ вания.

Для автоматической работы контакта «запись» осцил­ лографа на пластометре была установлена релейная схема записи, которая срабатывала непосредственно от кулачка при его выходе в рабочее положение.

Образцы для испытаний как на сжатие, так и на рас­ тяжение вырезали из литых гомогенизированных слит­ ков и горячепрессованных прутков и затем проводили частичный отжиг по соответствующим режимам для каж­ дого сплава. Образцы вырезали из центральной части прутков, отпрессованных из одного или нескольких слит­ ков металла одной плавки.

Строго контролировалось соблюдение условия посто­ янства степени деформации (вытяжки) при прессовании прутков различных сплавов.

При изготовлении образцов на сжатие (hid обычно составляла 1,5) особое внимание обращали на парал­ лельность торцов образцов и перпендикулярность их к образующей цилиндра.

Образцы на сжатие нагревались в муфельной печи вместе с контейнером, образцы на растяжение — в труб­ чатой печи сопротивления с проволочными нагревателя­

4мин.

Вработе было принято, что оптимальным следует считать отношение d0/H0=0,67, при этом коэффициент

напряженного состояния можно принять равным едини­ це [25]. Образцы с отношением d0lh0 — Ö,A осадить не удалось, так как в момент удара они теряли устойчи­ вость.

При испытаниях на сжатие наиболее эффективными были признаны технологическая смазка (масло Вапор, 25% РЬ20 3, 15% графита) и смесь графита с окисью кадмия.

При расчетах значений истинного сопротивления де­ формации значение коэффициента трения р принимали равным 0,06—0,08 [44]. На рис. 22 представлен внешний вид образцов на сжатие, деформированных с различной степенью обжатия по высоте.

Все расчеты по определению а проводили по специ­

122

ально разработанной программе на ЭВМ «НАИРИ». При расчетах в машину вводили следующие параметры:

1.Начальные размеры образцов.

2.Текущее значение отклонения кривой P(t).

3.Коэффициент усиления kyc, коэффициент трения р.

Рис. 22. Деформированные образцы на сжатие

Программа предусматривала вывод на печать следу­ ющих расчетных величин:

1. Текущие значения площади поперечного сечения образца.

2.Текущее значение усилий сжатия (растяжения) — среднее арифметическое.

3.Величина действующих напряжений q.

4.Величина истинных значений сопротивления де­

формации. Аппроксимация опытных кривых проводилась в координатах а—е, а—£ и а—и.

При испытаниях каждого сплава осаживали конт­ рольную партию образцов, результаты испытаний кото­ рой обрабатывали по программе, составленной на основе методов математической статистики.

При динамических испытаниях на начальном участке опытных кривых учитывали погрешность, вносимую инерционностью тензометрических месдоз:

где Да — превышение предела текучести; т — эффек­ тивная масса месдозы; ир — скорость роста нагрузки; I и А — длина и площадь поперечного сечения рабочей части месдозы; Е — модуль упругости материала мес­ дозы.

123

При максимальных скоростях деформирования ѵ0= = l-h2 м/с завышение значения предела текучести на начальном участке опытных кривых составляло 20— 30 МН/м2 (2—3 кгс/мм2).

Испытания на сжатие

Основным достоинством метода испытаний на сжатие является возможность получения больших степеней де­ формации. Однако удельная нагрузка при сжатии ци­ линдрических образцов не вполне точно характеризует истинное сопротивление деформации, испытываемого металла. Определенное искажение в испытания вносят контактные силы трения, которые несколько завышают усилие сжатия и создают неоднородность напря­ женно-деформированного состояния металла при сжа­ тии.

Теоретически и экспериментально установлено, что при отношении h/d= 1ч-2 удельное давление близко к сопротивлению деформации при условии, что относитель­ ное обжатие невелико.

В работе [45] для получения диаграмм сжатия ис­ пользовался один и тот же образец, который после оче­ редного обжатия подвергался обточке для восстановле­ ния заданного отношения диаметра к высоте.

Внастоящее время все более широко применяется схема плоского сжатия [34, 35], позволяющая умень­ шить влияние контактных сил трения и получать при ис­ пытаниях значительные степени деформации.

Закс [46] и затем Л. А. Шофман и П. И. Локотш

[47]определяли удельное давление, соответствующее одинаковому обжатию образцов с разным отношением диаметра к высоте, и путем экстраполяции получали значения сопротивления деформации при однородной деформации.

Вработе [48] использовалась методика ступенчато­ го осаживания цилиндрических образцов. Ступенчатое осаживание можно рассматривать как ступенчато-изо­ термический процесс. Кроме того, вследствие нанесения смазки после каждой ступени осаживания достигается большее приближение к одноосному напряженному со­ стоянию, чем при непрерывном осаживании. Во время пауз происходит разупрочнение металла, поэтому кривая текучести при ступенчатом осаживании располагается

124

всегда ниже идеальной кривой для изотермической де­ формации.

Во многих работах авторы стремились различными путями уменьшить влияние контактных сил трения при сжатии путем применения различных смазок и анти­ фрикционных прослоек.

Судзуки [42] и другие исследователи для уменьше­ ния контактного трения применяли образцы, на торцах которых наносились кольцевые канавки, заполняемые смазкой.

Испытания на растяжение

Вопросу теории расчетов напряженного состояния: металла при испытаниях на одноосное растяжение по­ священ целый ряд обширных исследований, наиболее из­

удлинения позволяет очень просто получить кривые те­ кучести, так как при одноосном напряженном состоянии главное напряжение равно сопротивлению деформации:

где Pi — нагрузка, соответствующая абсолютному удли­ нению А/; Fi — площадь поперечного сечения образца, соответствующая абсолютному удлинению AI:

где б — относительное удлинение.

К моменту образования шейки процесс одноосного растяжения становится неустойчивым, деформация ло­ кализуется в малом объеме и данный способ определе­ ния действительной площади поперечного сечения об­ разца уже не пригоден.

При построении участка кривой упрочнения о—е в зоне сосредоточенной деформации необходимо учитывать неравномерность деформации, влияние упрочнения фор­ мы и скорости локальной деформации;.

125

Для решения задачи о распределении напряжений в минимальном сечении шейки разрывного образца были использованы различные гипотезы.

Н. Н. Давиденков и Н. И. Спиридонова [49] доказа­ ли опытным путем справедливость предположения о рав­ номерной деформации в минимальном сечении шейки. Формула Н. Н. Давиденкова и Н. И. Спиридоновой име­ ет вид:

но малый криволинейный элемент объема и записал уравнение его равновесия. В результате совместного ре­

зования шейки формула Бриджмена становится болре точной. Бриджмен также решил задачу образования шейки в пластине, которая подвергается линейному рас­ тяжению, и нашел, что

о — с о , ср>

где поправочный коэффициент

126

Вуравнении (Ш-5) предполагается, что пластина достаточно длинная и влияние захватов испытательной машины на уменьшении ширины полосы не сказывается.

Вряде последних работ, посвященных исследованию

методики испытаний на растяжение, делается вывод, что при растяжении с постоянной скоростью захватов скорость деформации в процессе испытаний может зна­ чительно возрастать даже в области равномерной де­ формации. Обычные испытательные машины на растя­ жение не могут обеспечить условия постоянства скоро­ сти деформации и скорость деформации зависит от соот­ ношения жесткости материала образца и жесткости ма­ шины. На характер изменения скорости деформации при испытаниях на растяжение существенное влияние оказы­ вает длина образца.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА ПЛАСТОМЕТРЕ

Механические свойства алюминия и его сплавов

Была исследована большая группа деформируемых алюминиевых сплавов в температурном интервале 350— 450° С при скоростях деформации 10~2; 1; 10; 100; 200 с-1. Сплавы АД31, АМгб, Д 16, АВВ и АК6 были ис­ пытаны в диапазоне изменения температур 200—450° С.

Величина логарифмической степени деформации при испытаниях на сжатие (основной объем исследования) достигала е= 0,8 (55% обжатия по высоте) и при испы­ таниях на растяжение е=0,2-^0,5. Испытания проводи­ лись с использованием рабочих кулачков, позволяющих выдерживать закон g=const при испытаниях на сжатие и растяжение (см. с. 121). При аппроксимации опытных кривых в координатах о—Igg воспользовались полино­ мом второй степени вида:

а = 0„ + 0gi)[ß + &(lg£)],

где значения £ лежат в интервале 1—200 с-1, а Оо=о при £=1 с-1. Значения его и коэффициентов а и b рассчи­ тывались по методу наименьших квадратов.

Т е х н и ч е с к и ч и с т ы й а л ю м и н и й

Технически чистый алюминий (рис. 23) в диапазоне температур 20—200° С характеризуются значительным деформационным упрочнением.

127

Сростом температуры испытаний опытные кривые проходят все с большим насыщением и при е>0,4 в ди­ апазоне 400—500° С сопротивление деформации алюми­ ния не зависит от степени деформации.

Сростом температуры испытаний скоростное упроч­ нение алюминия растет (табл. 9) и при м=500°С ско-

ростной коэффициент kCKдостигает величины 2,06. В диа­ пазоне 200—400° С скоростное упрочнение остается не­ изменным и &Ск ~ 1,5.

Полученные результаты хорошо совпадают с данны­ ми работы Арнольда и Паркера [31].

’28