Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория обработки металлов давлением. Учебное пособие
.pdf
61
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что силовой режим с характером формоизменения связан функцией вида:
)(DfАд
, (5.1)
где Ад – работа внешней деформирующей силы на перемещение Δh.
Исследуя функцию (5.1) на экстремум, можно определить величину диаметра Dр, который будет соответствовать минимуму работы
внешней деформирующей силы Ад.
При теоретическом анализе, разработке технологических процессов, проектировании инструмента необходимо учитывать перечисленные в пп. 5.1. и 5.2 законы и принципы. Так, закон наименьшего сопротивления используется при проектировании технических процессов,
например, для получения круглых в плане поковок ковкой или штамповкой, с применением операции предварительной осадки. В этом случае в качестве исходной заготовки можно применять прокат как круглого, так и квадратного сечения. При протяжке для повышения эффективности вытяжки необходимо ограничивать подачу, т. е. укоротить
очаг деформации.
5.3. Неравномерность деформации
в процессах обработки металлов давлением
В реальных полукристаллических телах деформация всегда неравномерна из-за того, что в каждом зерне (кристаллите) плоскости и
направления скольжения ориентированы по-разному. Но если деформируемый объем геометрически значительно больше объема отдельных
кристаллитов, то квазиравномерную пластическую деформацию принимают равномерной.
Равномерной называется пластическая деформация, показатели
которой не зависят от координат. На основании этого определения
можно сделать вывод, что так как интенсивность деформаций (εi),
определяемая по формуле:
ε
i
=
,
не зависит от выбора координат, то она также постоянна по всему объему деформируемого тела.
62
Примером равномерной деформации является осадка цилиндрической заготовки на плоских бойках при отсутствии трения. Для этого
процесса все показатели по всему объему заготовки одинаковы.
Большинство процессов обработки металлов давлением характеризуется неравномерностью деформации. Причиной возникновения неравномерной деформации являются геометрические и физические факторы.
Влияние геометрических факторов рассмотрим на примере поперечной осадки цилиндрической заготовки диаметром D на плоских
бойках (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Поперечная осадка цилиндра
(слева заготовка до деформации, справа – после деформации)
Для этого определим неравномерность абсолютной деформации
по формуле
ΔН = Н0 – Нк. (5.2)
Так как заготовки имеют форму, отличную от формы инструмента,
то абсолютная деформация в различных вертикальных сечениях цилиндра будет неодинакова. В сечении А1–А2 максимальная деформация будет распространяться в направлении оси Z. В окрестностях частицы В
деформация будет отсутствовать, так как эта частица совершает только
поступательное перемещение. Из-за разности абсолютной деформации
неодинаковой будет и относительная деформация:
ε = ΔН/Н0. (5.3)
Кроме разности абсолютной деформации, в процессах обработки
металлов давлением может быть различна только относительная
63
деформация при одинаковой абсолютной деформации (рис. 5.5).
Например, при осадке заготовки с торцевыми углублениями на конусных бойках.
Рис. 5.5. Осадка заготовки с торцевыми углублениями на конусных бойках:
1, 2 – верхний и нижний бойки; 3 – заготовка
При такой схеме деформирования на конусных бойках форма заготовки полностью соответствует форме инструмента, так как в этом случае заготовка перед осадкой имела подготовленную поверхность.
Абсолютная деформация во всех вертикальных сечениях будет одинаковая. Но относительная деформация, рассчитанная по формуле (5.2),
является переменной из-за особенности формы бойков (различной
высоты H0), хотя заготовка во всех вертикальных сечениях получает
одинаковое обжатие ΔH. Необходимо отметить, что по радиусу заготовки относительная деформация тоже будет являться переменной.
В процессах листовой штамповки (например, при пластическом
изгибе) волокна получают различную деформацию не только по величине, но и по знаку (рис. 5.6).
При изгибе плоской листовой заготовки часть слоев получает удлинение за счет их растяжения в тангенциальном направлении, а другая часть
в этом же направление получает укорочение, т. е. происходит сжатие.
В любой момент деформирования при этом имеется поверхность,
разделяющая эти две зоны, которая в процессе деформирования меняет
свое положение. Такая поверхность называется нейтральной. Вследствие этого деформация является неравномерной по сечению.
64
Рис. 5.6. Схема напряженно-деформированного состояния
при гибке листового материала
При разделительных операциях (резка, рубка, вырубка, пробивка)
очаг деформации охватывает узкую область вблизи режущих кромок
инструмента (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Области пластической деформации
при разделительных операциях
Пятно контакта заготовки с инструментом охватывает узкую область вблизи режущих кромок инструмента. Величина очага деформации будет зависеть от размера поверхности контакта.
Интенсивность деформаций (εi) будет иметь самое высокое значение на границе очага пластической деформации, вследствие чего произойдет разрушение заготовки.
σ
65
Рассмотрим влияние физических факторов на неравномерность деформаций в процессах обработки металлов давлением. К физическим
факторам относится фактор трения на контактной поверхности, температурный режим деформирования, скорость деформирования. Влияние
последних двух факторов было рассмотрено в пп. 4.10 и 4.11.
Для оценки влияния трения рассмотрим осадку цилиндрической
заготовки на плоских шероховатых бойках, когда контактное касательное напряжение равно постоянной пластичности материала (τК = К),
а трение максимально (μ = 0,5) (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Осадка цилиндрической заготовки
на шероховатых плоских бойках
Согласно схеме процесса (см. рис. 5.8) форма заготовки соответствует форме инструмента и все вертикальные сечения заготовки получают одинаковые абсолютные деформации (ΔН), которые можно рассчитать по формуле (5.2) и относительные деформации (ε), которые
можно рассчитать по формуле (5.3).
Но в этом случае деформация распределена неравномерно. Вблизи
торцов (точка 1) локальная относительная деформация определяется
соотношением
εz =
,
где uz – перемещение частицы в направлении оси Z; εср – средняя дефор-
мация по объему. Эта локальная относительная деформация
в точке 1 будет значительно меньше средней относительной
деформации (εср).
Нк
66
В средней части торцов осаживаемой заготовки (точка 2) деформация εz значительно больше εср. Кроме того, в радиальном направлении
точки 1 и 2 тоже имеют разную относительную деформацию.
Неравномерность деформации объясняется наличием трения
на контактной при холодной пластической деформации поверхности, которое изменяет схему напряженного состояния по сечению заготовки.
В результате этого приконтактные слои не переходят в первое предельное состояние (переход от упругой деформации к пластической) и деформируются незначительно.
При деформации с нагревом на степень неравномерности деформации оказывает влияние подстуживание торцов осаживаемой заготовки.
5.4. Количественная оценка неравномерности деформаций
Количественная оценка неравномерности деформаций производится по коэффициенту неравномерности деформаций (kн), который рассчитывается по формуле:
kн =
,
где εл – относительная локальная деформация; εср – относительная средняя
деформация;
ε
л
= Δа/а,
где а – база координатной сетки (толщина, шаг винта); Δа – приращение
соответствующих размеров;
ε
ср
= ΔА/А,
где А – габаритный размер заготовки (ширина, длина, высота);
ΔА – приращение соответствующих размеров.
Определим коэффициент неравномерности деформаций для процесса осадки цилиндрического образца между параллельными шероховатыми плитами (рис. 5.9), т. е. в том случае, когда коэффициент трения
на торцах осаживаемого образца больше нуля (μ > 0).
По результатам расчетов коэффициент неравномерности дефор-
мации по высоте в сечении, прилегающем к торцам, в области затрудненной деформации изменяется в диапазоне:
0 < kн < 1.
В средней части образца, между сечениями В–В и С–С, в области
интенсивной деформации он изменяется в пределах:
1< kн < 2.
67
Кроме оценки неравномерности деформаций по коэффициенту
неравномерности деформации, ее оценку производят по градиенту
неравномерной деформации (ГН).
Рис. 5.9. Изменение показателя относительной локальной деформации
по высоте при осадке цилиндрического образца
между параллельными шероховатыми плитами
(слева – процесс осадки цилиндрического образца,
справа – результаты расчета локальной относительной деформации)
Для этого по координатной сетке, нанесенной на образец, определяется относительная локальная деформация (εл = Δа/а), показывающая
изменение ячеек после осадки в вертикальном и горизонтальном
направлениях.
По результатам измерений εл строится график изменения локальной деформации по высоте заготовки (см. рис. 5.9). После этого выбирается координата для оценки величины градиента неравномерной деформации. В нашем случае, например, можно выбрать точку А. В этой
точке проводим касательную к кривой изменения относительной локальной деформации. Тогда через тангенс угла наклона кривой изменения относительной локальной деформации (εл = f(K)) к оси К определяется градиент неравномерной деформации.
Например, тангенс угла наклона кривой изменения относительной
локальной деформации (tg αА) в точке А (см. рис. 5.9) к оси Z определяется по формуле
ГН =
,
где К – координата, вдоль которой исследуется деформация (К прини-
мает значения x, y, z в прямоугольной или r, θ, z в цилиндрической системах координат).
68
5.5. Закон неравномерности деформации
и дополнительных напряжений
Неравномерность деформации в процессах обработки металлов
давлением обуславливает неодинаковое необратимое изменение размеров отдельных элементов тела. Она приводит к возникновению дополнительных и остаточных напряжений.
Рассмотрим две части тела, разделенные поверхностью m–n, содержащие два элемента А и В (рис. 5.10).
а) б) в) г)
Рис. 5.10. Механизм возникновения дополнительных напряжений
при неравномерной деформации двух элементов А и В:
а – исходное состояние; б – деформированное состояние
при наличии физического раздела между элементами А и В по поверхности m–n;
в – силовое воздействие элементов А и В друг на друга;
г – деформированное состояние элементов А и В,
условно разделенных мнимой плоскостью m–n
При обособленном изменении размеров элементов А, В, отдельные
части деформированного тела приняли бы вид, приведенный на рис. 5.10, б.
Но так как при деформации соблюдается условие сплошности и
однородности твердого тела, то согласно этим условиям частицы К'
элемента А взаимодействуют с частицами К" элемента В. Тогда элемент В
передает элементу А и, наоборот, элемент А передает элементу В силы,
стремящиеся увеличить или уменьшить деформацию каждого из этих
элементов (см. рис. 5.10, в).
На рис. 5.10, г элементы тела А и В разделены мнимой плоскостью.
При таких условиях частицы К' при совместной деформации получат
перемещение большее, а частицы К" получат перемещение меньшее,
чем если бы элементы А и В деформировались отдельно.
69
Следовательно, в теле на границе двух элементов, деформирующихся с разной интенсивностью, возникает градиент неравномерной
деформации (ГН), приводящий к взаимно уравновешивающимся внутренним напряжениям σDА и σ
DВ
(см. рис. 5.10, г).
Напряжения σDА и σDВ называются дополнительными напряжениями.
Дополнительные напряжения возникают под нагрузкой и исчезают
после ее снятия. Дополнительные напряжения не зависят от схемы
напряженного состояния, определяемой действием внешних сил и
тензором ТБ.
Такое положение характеризует закон неравномерности деформаций
и дополнительных напряжений, который можно сформулировать следующим образом: в процессе обработки металлов давлением
в связи с неравномерным распределением напряжений и деформаций
отдельные слои и элементы тела, стремящимся к большему изменению
размеров против среднего, передают слоям и элементам, стремящимся
к меньшему изменению размеров, силы такого знака, которые увеличивают изменение размеров, а слои и элементы, стремящиеся к меньшему
изменению размеров, передают слоям и элементам, стремящимся
к большему изменению размеров, силы такого знака, которые уменьшают изменение размеров.
Закон неравномерности деформаций и дополнительных напряжений объясняет возникновение дополнительных и остаточных напряжений внутри деформируемого тела.
5.6. Дополнительные и остаточные напряжения
Различают дополнительные напряжения первого, второго и третьего рода.
Дополнительные напряжения первого рода – это макроскопические
зональные напряжения, охватывающие целые области деформируемого
тела и имеющие ориентацию, связанную с изменением его формы.
Это дополнительные напряжения, которые возникают при взаимодействии макроскопических элементов тела, например, А и В (см. рис. 5.10).
Они являются взаимно уравновешивающимися между отдельными
большими объемами твердого тела.
70
Дополнительные напряжения второго рода возникают в кристаллитах или в группах кристаллитов деформируемого тела при взаимодействии микроскопических элементов К' и К". Они имеют преимущественную ориентацию в направлении главных деформаций и являются
взаимно уравновешивающимися между отдельными зернами или
группами зерен.
Дополнительные напряжения третьего рода возникают при взаимодействии субмикроскопических элементов деформируемого тела
(блоков мозаики, дислокаций и т. д.). Они связаны с внутренним
скольжением, искажением кристаллической решетки вблизи скользящих слоев металла. Их ориентация связана с направлением кристаллографических осей зерен, т. е. с текстурой. Они взаимно уравновешиваются в пределах одного зерна.
Дополнительные напряжения вызывают повышение сопротивления
деформированию, изменение распределения напряжений, ухудшение
технологических показателей деформируемого материала.
После снятия нагрузки снижаются только основные (расчетные)
напряжения, дополнительные напряжения остаются и называются
остаточными.
Остаточными называются напряжения, которые возникают из-за
неравномерности пластической деформации и остаются в теле после
снятия внешних сил или после устранения других причин, обусловивших неравномерную пластическую деформацию. При горячей объемной штамповке с малой скоростью остаточные напряжения почти полностью снимаются благодаря рекристаллизации. При холодной пластической деформации величины остаточных напряжений соизмеримы с
дополнительными напряжениями.
Остаточные напряжения приводят к ухудшению служебных
свойств изделий и резко снижают:
– коррозионную стойкость металла, приводя к местному разъеданию, порче поверхности и локальной концентрации напряжений внутри
повреждений;
– ударную вязкость;
– предел выносливости.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]