Пластометр кулачкового типа. Методика и некоторые результаты исследований сопротивления деформации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЛАСТОМЕТР КУЛАЧКОВОГО ТИПА. МЕТОДИКА И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ

Потапов А.И., Двойников Д.А., Мазунин В.П., Коковихин Е.А.

Г. Екатеринбург, Россия

Все возрастающее внимание вопросам получения субмикрокристаллической (СМК) или нанокристаллической (НК) структуры металлов и сплавов путем интенсивной пластической деформации (ИПД) или путем накопления больших пластических деформаций (НПД) повышает актуальность исследований сопротивления деформации металлов и сплавов в условиях холодной и теплой деформации, поскольку согласно [1 ] для получения таких структур в технически чистых металлах температура деформации не должна превышать (0,25-0,3)Т_пл

Для получения данных по сопротивлению деформации у_s наиболее информативным является метод осадки образцов на пластометрах, на которых можно обеспечивать большие степени деформации в широком диапазоне изменения температур и скоростей деформации. В процессе исследований актуальной является задача пополнения базы данных по у_s в условиях развитой пластической деформации при повышении достоверности результатов испытаний.

В Институте машиноведения УрО РАН в течение ряда лет используется пластометр кулачкового типа оригинальной конструкции, имеющий высокую жесткость станины (100т/мм). С целью повышения точности воспроизведения заданных режимов испытаний, расширения диапазона этих режимов и повышения достоверности результатов испытаний на базе указанного пластометра создан автоматизированный пластометрический комплекс, в состав которого входит:

а) модернизированный пластометр кулачкового типа, на котором установлен современный тиристорный преобразователь с программируемыми регуляторами (Simoreg фирмы Simens) и более мощный двигатель постоянного тока (90 кВт);

б) высокотемпературная камерная электропечь ПВК-1,4-25 с хромитлантановыми нагревателями и регулируемой температурой в диапазоне 200…1300^оС. Температура регулируется термоконтроллером ТК1-ПФ-С1 с точностью ±0,5^оС.

в) система сбора и обработки информации (СОИ) на базе ПЭВМ, в состав входят стандартные аналого-цифровые преобразователи (модуль ввода PCI-1713), программное обеспечение фирмы Advantech. Cистема обладает высоким быстродействием и точностью регистрации параметров по ходу испытаний. С использованием стандартного программного пакета GeniDAQ реализуются циклы сбора информации от 5 до 50 мс, что применимо для малых скоростей деформации образцов. Пакет GeniDAG имеет модульно-ориентированную архитектуру и содержит блоки функциональных узлов, связей между ними и средств управления, а также программы для разработки новых блоков, формирования массивов данных.

Для более высоких скоростей используется новый оригинальный пакет под названием WinDAQ, специально разработанный в ИМАШ УрО РАН. Достигнуто сокращение циклов сбора информации до 0,1 мс.

Применение специально разработанных компьютерных программ для обработки экспериментальных данных и построения кривых упрочнения значительно повышает надежность и достоверность результатов экспериментов, обеспечивает возможность их хранения в электронном виде и накопления банка данных по механическим свойствам испытываемых металлов и сплавов.

Повышенная точность испытаний достигается также благодаря поддержанию скорости на нижнем уровне с погрешностью не более 3% при любой нагрузке. Предусмотрена коррекция угловой скорости кулачкового вала средствами электропривода по ходу осадки образца. Реализованы узлы повышения быстродействия на основе разработок новых нелинейных систем [2] с учетом упругости в передаче от двигателя к кулачковому валу.

Все это позволило существенным образом усовершенствовать методику испытаний и получать кривые упрочнения сталей и сплавов в широком диапазоне изменения степеней е (5…80 %), скоростей о (0,01^... 100 с^-1) и температур (20…1300^оС) деформации при осадке образцов при усилиях Р в процессе деформации до 500 кН.

Примером представления результата испытаний отдельного образца является диаграмма на рис. 1, а также файл с массивом данных для табличного редактора.

Для испытаний на осадку используются цилиндрические образцы, имеющие отношение исходной высоты h_o к диаметру d_o в пределах 1,15 - 1,35. Наиболее часто применяемый диаметр образцов 12 - 15 мм. Высота образцов определяется геометрией (профилем) установленного в данный момент кулачка, о чем будет сказано ниже.

Образцы, как правило, имеют торцевые буртики высотой 0,5 - 0,7 мм для удержания смазки. Перед посадкой в печь на нагрев они обертываются в предварительно размоченный листовой асбест и устанавливаются в специальный цилиндрический контейнер по центру осадочных плит - бойков из специальных жаропрочных сплавов (рис. 2).

Для получения объективных результатов испытаний важное значение имеет полный прогрев образцов в контейнере до заданной температуры. С целью определения времени нагрева были проведены специальные опыты по нагреву стальных образцов с зачеканенной в них термопарой для пакета, указанного на рис.2. Во всех случаях печь предварительно прогревалась до заданной температуры нагрева (испытания). Обработка результатов этой серии экспериментов позволила получить аналитическую формулу для определения времени нагрева образца ф (в минутах) до заданной температуры и,^оС: ф = ехр (4,06 - 0,00104и). Некоторые данные расчета по этой формуле сведены в таблицу.

Таблица 1

Проведена также оценка степени охлаждения образца в контейнере после выдачи из печи до момента обжатия

Важное значение для получения объективных результатов испытаний является правильный подбор эффективных смазок, полностью исключающих бочкообразование на боковой поверхности испытуемого образца при осадке, поскольку при наличии трения на торце схема напряженного состояния из линейной превращается в объемную, что, строго говоря, не позволяет точно определять сопротивление деформации.

Для горячей обработки давлением разработан достаточно большой арсенал смазок, состоящих, в основном, из стекол различных составов [3]. Поэтому для температур деформации 800^оС и выше выбор смазок для экспериментов не представляет затруднений. Для более низких температур (для интервала от 20 до 600^оС) выбор эффективных смазок является, на наш взгляд, не полностью решенной проблемой. Дело усложняется тем, что образец в контейнере нагревается в печи вместе со смазкой довольно длительное время (от 30 до 50 минут в зависимости от температуры). За это время в составе смазки могут произойти изменения, сводящие на нет её смазочные свойства, которые имели бы место при введении её в очаг деформации в процессе деформирования, т. е. при кратковременном контакте с горячим металлом.

В этой связи нами была проведена специальная серия экспериментов по поиску эффективных смазок для стальных образцов. Было определено 4 - 5 составов смазок, которые эффективно работают (полностью исключают бочкообразование) при той или иной температуре из указанного выше интервала. Конкретная смазка выбирается в зависимости от температуры испытания.

Для регистрации усилия используются тензометрические месдозы, которые предварительно подвергаются тарировке с помощью стандартных пружинных динамометров, прошедших метрологическую поверку. Примеры тарировочных графиков для двух из набора используемых нами месдоз представлены на рис.3.

Большое значение имеет постоянство скорости деформации о в процессе испытания. Аналитически она определяется как частное от деления скорости v перемещения ползуна с деформирующим бойком на текущую высоту h_i образца (о = v/h_i). Поскольку ползун приводится в движение вращающимся кулачком, скорость перемещения ползуна будет определяться профилем установленного в данный момент кулачка. Для определения скорости деформации на первом этапе экспериментально устанавливаются кривые зависимости фактического перемещения ползуна от угла поворота кулачка (кулачкового вала). В качестве примера такие кривые для двух кулачков, применяемых нами для испытаний в настоящее время, представлены на рис.4.

Компьютерная обработка этих кривых позволила получить аналитические функции перемещения ползуна от угла поворота кулачка. Если принять, что угол поворота в один градус совершается за одну секунду, т.е. заменить градусы секундами и взять производную функции по времени, можно получить уже аналитическое выражение скорости v перемещения ползуна. Использование такого подхода позволило получить кривые изменения скорости деформации о по ходу осадки образцов различной исходной высоты в зависимости от угла поворота кулачка (и величины обжатия). В качестве примера на рис. 5 представлена серия таких кривых для образцов высотой от 6 до 20 мм (см. цифры у кривых на рисунке) при осадке с использованием кулачка № 2. Анализ графиков свидетельствует о том, что интенсивность изменения скорости деформации по ходу осадки зависит от исходной высоты образца: для образцов высотой 18 - 20 мм она практически остается неизменной за весь процесс осадки, для образцов высотой 14 - 16 мм она почти не меняется при осадке на 50 %. При использовании образцов высотой 12 мм и менее скорость деформации интенсивно возрастает к концу осадки. Аналогичные результаты были получены при анализе скоростей осадки в случае использования кулачка № 1, имеющего другой профиль. В связи с изложенным и учитывая, что в большинстве экспериментов осадка осуществляется на 50 - 60 %, нами используются образцы высотой от 14 до 18 мм.

С использованием выше изложенной методики проведено исследование влияния скорости деформации на сопротивление деформации углеродистых сталей при комнатной температуре. Согласно [4] скоростной эффект при комнатной температуре определяется скоростью протекания следующих конкурирующих процессов: 1) упругой и пластической деформации или 2) упрочнения и разупрочнения. Поскольку скорость распространения пластических деформаций существенно ниже, чем упругих, то чем выше скорость нагружения, тем меньше времени для протекания пластической деформации и тем выше напряжение, при котором возникает переход от упругой к пластической деформации. С другой стороны, быстрому процессу деформации соответствует более упрочненное состояние, так как уменьшается вероятность частичного разупрочнения металла при пластической деформации.

Очевидно, что скоростной эффект зависит от диапазона исследуемых скоростей.

Имеющиеся в технической литературе данные о скоростной зависимости сопротивления деформации сталей нередко противоречивы [4] и не всегда позволяют однозначно судить о влиянии этого фактора на сопротивление деформации у_s. В большинстве исследований отмечается возрастание величин у_s и у_в с увеличением скорости деформирования.

Исследование сопротивления деформации углеродистых сталей трех составов (Армко-железо, стали Ст. 3 и 50) проведено в широком диапазоне изменения скоростей (от 10^-2 до 10⁺² с^-1) при больших степенях деформации (е = ln h_o/hi), равных 0,6 - 0,7. В указанном диапазоне скоростей деформации ведется большинство технологических процессов обработки металлов давлением.

Кривые упрочнения сталей, полученные в экспериментах, выборочно представлены на рис.6. Из анализа и сопоставления их следует, что с увеличением скорости характер кривых упрочнения меняется. При малых скоростях идет монотонное упрочнение металла с увеличением сопротивления деформации в процессе всего обжатия образца, а максимальное значение у_s достигается в конце процесса. С увеличением скорости упрочнение идет все более интенсивно на начальном этапе осадки, максимальное значение у_s достигается при меньших степенях деформации, а к концу процесса осадки возможно разупрочнение металла с падением величины у_s.

Отмеченная закономерность характерна для всех исследованных марок стали с тем лишь отличием, что с увеличением содержания углерода в стали возрастает абсолютная величина у_s, а процесс упрочнения на первом этапе деформации идет более интенсивно.

Если сопоставить максимальные значения у_s образцов, осаженных с разными скоростями, то можно сказать, что результаты опытов свидетельствуют о несущественном влиянии скорости деформации на у_s при комнатной температуре и подтверждают опытные данные Надаи и Менджойна, приведенные в работе Л.Д.Соколова [4].

На рис. 7 приведены кривые зависимости максимальных значений у_s от скорости деформации, полученные в наших опытах (кривые 1,2,3), и указанных авторов (кривая 4).

Однако следует отметить, что при малых степенях деформации (е ? 0,3), т.е. на начальной стадии осадки существует более заметное скоростное упрочнение (рис.9), о чем было сказано при анализе хода кривых у_s= f(е). При дальнейшей осадке (по достижении степени деформации е ? 0,5) влияния скорости практически нет.

Однако следует отметить, что при малых степенях деформации (е ? 0,3), т.е. на начальной стадии осадки существует более заметное скоростное упрочнение (рис.8), о чем было сказано при анализе хода кривых у_s= f(е). При дальнейшей осадке (по достижении степени деформации е ? 0,5) влияния скорости практически нет.

Рис. 7. Зависимость максимальных значений у_s сталей 50 (1), Ст. 3 (2) и Армко-железа (3), полученных авторами статьи, и «мягкой» стали (4) (данные [4]) от скорости деформации при комнатной температуре.

Рис. 8. Зависимость сопротивления деформации у_s углеродистых сталей при комнатной температуре от скорости о при степенях деформации е: 1 -0,2; 2 - 0,3; 3 - 0,5.

Выводы:

1. Разработанная методика испытаний на автоматизированном пластометрическом комплексе позволяет осуществлять большой диапазон пластометрических испытаний для широкого спектра марок сталей и сплавов с учетом особенностей технологии их обработки давлением и создать обширную базу данных по сопротивлению интенсивной пластической деформации, в частности, для условий холодной и теплой деформации.

2. Специальной серией экспериментов установлено, что при малых скоростях деформирования углеродистых сталей при комнатной температуре идет монотонное упрочнение металла вплоть до деформации е = 0,7 (е = 50%). С увеличением скоростей деформирования характер кривых упрочнения меняется: упрочнение идет все более интенсивно на начальном этапе осадки с возможным последующим разупрочнением металла к концу процесса. Максимальная величина сопротивления деформации углеродистых сталей при интенсивной деформации (е = 0,7) за одно обжатие практически не зависит от скорости деформации в интервале от 10^-2 до 10² с^-1.

деформация металл сплав давление

Литература

1. Утяшев Ф.З., Еникеев Ф.У., Латыш В.В. Термомеханические условия формирования субмикрокристаллической структуры при больших степенях пластической деформации// Металлы. 1998. № 4. с. 72 - 79.

2. МазунинВ.П., Двойников Д.А. Автоматизированное оборудование для пластометрических испытаний металлов и сплавов. Научно-технический прогресс в металлургии (сборник научных трудов) - Алматы, РИК по учебной и методической литературе, 2003. С 312 - 323

3. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1982. С. 312

4. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации. М.: Металлургиздат, 1963. 284 с.

Размещено на Allbest.ru