Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Как известно из прошлых лекций, основными технологическими факторами, определяющими схему напряженного состояния в пластически деформируемом теле, являются контактное трение и неравномерность деформации.
В процессах ОМД деформация всегда неравномерна! То есть в объеме деформируемого тела различные участки деформируются неодинаково.
Равномерность деформации возможна при соблюдении ряда условий:
- одинаковые напряжения во всех точках деформируемого тела;
- отсутствие трения на контактной поверхности;
- одновременная деформация всего тела;
- изотропные свойства деформируемого тела.
Отсюда причины, обусловливающие неравномерность деформации (по И М. Павлову):
- наличие сил контактного трения;
- несоответствие формы инструмента и деформируемого тела;
- неоднородность свойств обрабатываемого материала;
- особый характер приложения нагрузки (изгиб, кручение);
- наличие остаточных напряжений в теле.
1. Внешнее трение - препятствует течению металла по контактной поверхности.
К поверхности контакта примыкают зоны затрудненной деформации, которые распространяются в глубь тела на некоторую величину. В этих зонах всестороннее сжатие выражено наиболее сильно, и металл обладает наиболее высоким сопротивлением деформации.
Внешнее проявление неравномерности деформации - бочкообразование осаживаемого тела. От трения зависит схема напряженного состояния, а от нее - пластичность и деформируемость стали.
В общем случае при осадке цилиндрического тела можно выделить три зоны с различной деформируемостью.
В первой зоне разность между напряжениями незначительна и может не отвечать условию пластичности, хотя сами напряжения (уровень) велики.
В третьей зоне сдерживающее влияние сил трения такое же, как во второй зоне, но схема напряженного состояния другая (имеется напряжение растяжения), что снижает пластические свойства и ухудшает деформируемость осаживаемого тела.
Схема напряженного состояния влияет на усилие деформации.
Пример (по С.И. Губкину). Два одинаковых медных образца деформируем методом волочения (1) и методом прессования (2). Коэффициент вытяжки μ = (D/d)2 = 1,56. То есть D1=D2 и d1=d2. При этом усилие волочения (при наличии растягивающих напряжений) составляет P1=10500 H (давление р1=210 Н/мм2), а усилие прессования (схема всестороннего неравномерного сжатия) P2=35200 H (давление р2=705 Н/мм2).
Степень неравномерности деформации зависит и от того, насколько развита контактная поверхность по отношению к объему деформируемого тела. При прокатке листа и осадке эти отношения выражают через F/H. Чем больше F/H. тем меньше неравномерность деформации.
Особенно резко неравномерность деформации проявляется при деформации высоких тел (например, прокатка на блюминге, осадка высокого цилиндрического образца с небольшим диаметром). В этом случае наблюдается двойное бочкообразование.
В центральную часть слитка деформация не проникает вообще. Очень сильно выражена неравномерность деформации (в центре возникают дополнительные напряжения растяжения). Ho при увеличении контактной поверхности (увеличиваются ширина заготовки, длина очага деформации, величина обжатия) влияние контактных сил трения будет сказываться на большую глубину, вызывая там пластическую деформацию и уменьшение неравномерности деформации. Таким образом, контактное трение может играть положительную роль с точки зрения глубины проникновения деформации.
Нa практике несоответствие площади контакта к объему деформируемого тела может привести к разрушению металла (разрывы внутри заготовки - скворечники). Они образуются за счет дополнительных растягивающих напряжений во внутренних слоях, возникающих из-за неравномерности деформации (в большей степени удлиняются поверхностные, деформируемые слои металла). При этом в поверхностных слоях заготовки возникают дополнительные напряжения сжатия.
2. Несоответствие формы инструмента и деформируемого тела
Во многих случаях форма инструмента отличается от формы исходной заготовки. Если заготовку представить в виде узких полосок металла, то каждая из них будет удлиняться пропорционально своему обжатию по высоте μмакс - в 1 сечении, μмин - во 2 сечении.
Ho так как заготовка - монолитная, то μфакт = F0/F1, и эта вытяжка будет средней.
Металл первого сечения стремится к удлинению, но удерживается соседними зонами, и в нем возникают дополнительные сжимающие напряжения.
Металл второго сечения получает дополнительные растягивающие напряжения. Возникновение дополнительных напряжений из-за неравномерности деформации может привести к изменению формы, размеров и разрушению продукции.
При прокатке двутавра интенсивное удлинение стенки (Δh2>Δh1) приводит к тому, что она растягивает фланцы по длине и производит их утяжку по ширине профиля, то есть уменьшает высоту фланцев, что необходимо учитывать при расчете калибровки валков.
При прокатке заготовки ромбического сечения в квадратном калибре деформация средних слоев больше, чем крайних (по горизонтальной плоскости сечения), что приводит к появлению растягивающих напряжений на ребре (оно более холодное) и появлению трещин.
Тепловая выпуклость валка приводит к неравномерной деформации листа и дефекту «коробоватость».
Изгиб валков в результате больших нагрузок или их износ приводит к неравномерной деформации листов и дефекту «волнистость».
Изгиб валков необходимо учитывать либо исходной профилировкой валков, либо устройством оперативного вмешательства в конфигурацию зазора между валками.
3. Неоднородность свойств деформируемого тела
Причины неоднородности:
- неоднородность химического состава стали. В 20-титонном слитке СтЗкп (данные ЦНИИЧМ) при среднем содержании углерода 0,15%, содержание в отдельных объемах колеблется в пределах 0,07-0,35%. Чем больше масса слитка, тем выше химическая неоднородность. Такая неоднородность химического состава сохраняется вплоть до получения готового профиля;
- структура металла - неоднородна. В слитке имеются три зоны: наружная (мелкие кристаллы), средняя (столбчатые кристаллы), внутренняя (крупные равноосные кристаллы). Величина зерна зависит от степени предыдущей деформации;
- разница температур по сечению деформируемой заготовки. Нагрев металла перед прокаткой считается нормальным, если Δt = 20-50°С. Ho из-за недостаточной мощности нагревательных средств разность температур в центре и на поверхности заготовки может быть больше. Разность температур может возникать в результате сложности формы тела, отдельные элементы которого после горячей деформации будут охлаждаться с разной скоростью. Например, разность температур на фланцах и стенке двутавровой балки может достигать Δt=150-200°C, а в подошве и головке рельсов - Δt=100-120°C;
- деформация биметалла. Аналогично будет вести себя при пластической деформации неравномерно нагретая заготовка.
Обычно в результате неравномерной деформации в теле возникают дополнительные остаточные напряжения.
Закон дополнительных напряжений
При неоднородном формоизменении размеров тела в слоях и элементах тела, получающих большую степень изменения размеров, возникают напряжения, знак которых отвечает уменьшению размеров (напряжения сжатия) а в слоях и элементах тела, получающих меньшую степень изменения размеров, возникают напряжения, знак которых отвечает увеличению его размеров (напряжения растяжения).
Эти напряжения имеют характерные признаки, отличающие их от основных деформирующих напряжений:
- возникают в результате неравномерной деформации;
- взаимно уравновешиваются внутри деформируемого тела. Это значит, что равнодействующая всех напряжений сжатия равна равнодействующей всех напряжений растяжения. Сами напряжения растяжения и сжатия могут быть не равны по величине;
- по окончании деформации остаются в теле, что необходимо учитывать в процессе производства и эксплуатации изделий.
Внутренние взаимно уравновешенные напряжения принято делить на группы:
- напряжения первого рода уравновешиваются между отдельными слоями тела, в пределах всего объема или большей его части;
- напряжения второго рода уравновешиваются в пределах небольшого объема (несколько зерен);
- напряжения третьего рода - уравновешиваются в пределах одного зерна.
Напряжения второго и третьего рода являются следствием самой пластической деформации.
Особенно опасны остаточные напряжения в наружных слоях тела, так как ухудшают его работоспособность. Поэтому производят специальную обработку поверхности: обкатку, выглаживание, дробеструйную обработку, дрессировку, вызывающую в поверхностных слоях тела сжимающие напряжения для нейтрализации растягивающих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации изделий.
Полное снятие остаточных напряжений достигается термической обработкой. Интересно поставлена задача использования остаточных напряжений и их целенаправленного наведения в листовом прокате в Японии (для последующей штамповки). Путем прокатки в нужном месте наводят внутренние остаточные напряжения определенной величины и знака, которые, суммируясь с напряжениями в результате штамповки, улучшают деформируемость металла.
Таким образом, задачей разработки (проектирования) режимов деформации в процессах ОМД является управление неравномерностью деформации: сознательно накладывая одну неравномерность деформации на другую, получают возможно более равномерную деформацию по всему объему деформируемого тела.
