Изготовление технологического оборудования обработкой давлением

Для каждой операции степень допустимого формоизменения является функцией ряда переменных. Приближенно основными факторами, влияющими на допустимое формоизменение, можно считать:

1) размерные характеристики заготовки (Р_з);

2) размерные характеристики инструмента (P_и);

3) условия контактного трения (м);

4) температурные условия деформирования (t°);

5) скоростные условия деформирования (н);

6) штампуемость как способность материала деформироваться без разрушения (Ш).

Таким образом, допустимое формоизменение (Ф) является функцией

Для управления процессом деформирования при операциях листовой штамповки и, в частности, для установления условий деформирования, при которых может быть получено максимально допустимое формоизменение, необходимо установить функциональные связи между величинами, входящими в выражение (1.3).

Характер и степень влияния отдельных факторов на степень допустимого формоизменения не всегда поддаются аналитическому определению и в последующем изложении, в ряде случаев, при установлении указанных зависимостей будет необходимо использовать экспериментальные данные.

Так как усилие деформирования, а в ряде случаев и степень допустимого формоизменения определяются полем напряжений в очаге деформации, то установление распределения напряжений в очаге деформаций должно быть одной из основных задач при рассмотрении операций листовой штамповки.

Процессы упрочнения при пластической деформации. Кривые упрочнения

Как видно из общеизвестной диаграммы напряжение-деформация для монокристаллов в координатах у - е, характер ее резко изменяется после прекращения действия закона линейной пропорциональности. Эти изменения сопровождаются многими изменениями в деформируемом материале, главным образом появлением пластической деформации. Таким образом, пластическая деформация приводит к изменению механических, физических и химических свойств металла. Повышаются пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности, вместе с тем, снижаются пластические свойства металла: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость. Изменяются основные свойства: электропроводность, металлический блеск, магнитные свойства ферромагнитных материалов, химическая активность, теплопроводность, коррозионная стойкость. Совокупность изменений всех указанных свойств в связи с деформацией металлов называется упрочнением. Раньше это явление называли наклепом, имея в виду изменения только механических свойств. Физическая природа упрочнения за последние годы значительно раскрыта, но многие явления еще неясны и требуют дальнейших исследований.

Основные признаки упрочнения следующие:

а) с увеличением деформации происходит вытягивание кристаллитов в направлении наибольших главных деформаций;

б) беспорядочная ориентировка кристаллитов с увеличением деформации становится все более упорядоченной. Это явление ведет к появлению текстуры деформации, т. е. определенной ориентировки кристаллов и в связи с этим анизотропии свойств поликристалла;

в) появление остаточных напряжений в результате искажения решетки кристаллитов, сопровождаемое связанной потенциальной энергией;

г) возникновение и накапливание внутрикристаллитных и межкристаллитных нарушений правильной структуры, понижающих прочность и пластичность поликристалла;

д) с увеличением степени деформации механические свойства, характеризующие пластичность, уменьшаются, а характеризующие сопротивление деформации увеличиваются. Изменение физических свойств влияет на ослабление характера металлических связей, вызываемое повышением электронной плотности в между узловом пространстве.

Диаграмма напряжения-деформации (рис. 1) дает представление о характере изменения упрочнения при различных стадиях деформации и позволяет определить их характерные участки.

Рис. 1. Характерная кривая упрочнения

Участок 1 характеризуется начальной малой пластической деформацией (пред пластичная область), участок 2-пластической деформацией с интенсивным упрочнением, участок 3 - сосредоточенной деформацией, участок 4 - наличием высоких пластических деформаций.

Рассмотрим каждый отдельный участок приведенной диаграммы.

Участок 1. Напряжения и деформации проходят стадию упругих деформаций, где действует закон линейной пропорциональности; в отдельных зернах поликристалла при весьма малых напряжениях появляются начальные пластические деформации. Величина необратимых форм поликристалла при этой начальной пластической деформации слишком мала и составляет от 0,2 до 0,5%. Это вызывается тем, что ориентировка отдельных зерен, их механическая прочность и состояние их границ создают условия, достаточные для появления пластической деформации в связи с ослаблением зерен, происшедшим при их формировании. Таким образом, наличие малых пластических деформаций и напряжений приводит к отклонению их от теоретической прямой Гука. Поэтому предел упругости и предел пропорциональности, который фактически является одним из видов предела упругости, условны, и эта условность зависит от степени пластической деформации.

Участок 2. На этом участке появляется интенсивное упрочнение, которое отвечает практически пластической деформации, так как отношение упругой деформации к пластической чрезвычайно мало. Здесь происходит интенсивный пластический процесс, который локализуется в поверхностях максимальных касательных напряжений. Деформируемый образец покрывается линиями Чернова (Людерса). Эта стадия деформации сопровождается неоднородным распределением деформированного состояния, что ведет к значительному увеличению дополнительных напряжений первого и второго рода - внутрикристаллитных и межкристаллитных. С середины участка начинается выравнивание напряжений, ведущее к упорядочению ориентировки и снижению интенсивности упрочнения.

Участок 3. Здесь появляется сосредоточенное сужение, в результате более четко проявляется текстура, т. е. кристаллографическая ориентировка. Этот участок характеризуется местным растяжением, зависящим от формы образца, состояния его поверхности, действия зажимов и т. п.

Участок 4. Это стадия высоких степеней деформирования; она начинается только при таких условиях, при которых фактически растягивающие напряжения меньше сопротивления разрушению данного поликристалла. Происходит дальнейшее увеличение остаточных напряжений, упрочнение заканчивается, и кривая идет почти параллельно оси абсцисс.

Таким образом, кривые упрочнения дают зависимость величины напряжения при линейном напряженном состоянии от величины деформации. Величина напряжений зависит от многих факторов, в том числе от температуры и скорости, при которых образец подвергался испытанию; поэтому следует оговаривать, при каких температурно-скоростных условиях строилась кривая упрочнения. Характерным для количественного определения упрочнения является напряжение текучести у_s, которое зависит от величины деформации и вызывает пластическую деформацию при линейном напряженном состоянии при данных температурно-скоростных условиях. Линейное напряжение при испытании на растяжение существует до образования шейки, точнее, до сохранения первоначальной площадки сечения образца F₀, после чего напряженное состояние будет объемным. Таким образом, построение кривой упрочнения производится из условий неизменности площади поперечного сечения. Кроме того, необходимо исключить влияние трения при построении кривых упрочнения при испытании образцов на осадку. С этой целью Л. А. Шофман] предлагает применять торцевые выточки, наполненные смазкой.

На рис. 2 представлены кривые упрочнения для различных материалов; показателями формоизменения образца приняты относительное уменьшение площади поперечного сечения ш и изменение напряжения текучести у_s, при этом ш определялось по формуле:

(1)

где F - текущее значение площади поперечного сужения при деформации.



Рис. 2. Кривые упрочнения различных материалов

Характер и направление кривых упрочнения идентичны; различие только в количественных показателях.

3.1 Штампуемость

Ранее было отмечено, что допустимое формоизменение является функцией многих переменных, в числе которых одной из существенных является штампуемость, т.е. способность деформироваться при формоизменяющих операциях листовой штамповки без разрушения.

Отметим, что в таком определении штампуемости есть некоторая неопределенность, связанная с тем, что схемы напряженного и деформированного состояний при различных формоизменяющих операциях различны, а следовательно, различны и условия возникновения разрушений и соответствующие им деформации.

Отсюда следует, что один и тот же материал может хорошо штамповаться (допуская значительное формоизменение) при одной операции, а при другой будет показывать худшую штампуемость.

Это затрудняет отыскание единых показателей (критериев) штампуемости, позволяющих по данным испытания материала с достаточной определенностью судить о возможном поведении материала во всех формоизменяющих операциях листовой штамповки.

Трудности эти усугубляются еще и тем, что листовой штамповкой изготовляют детали из самых разнообразных материалов.

Материалы, применяемые для листовой штамповки, можно подразделить на три группы: металлы, неметаллические материалы и композиционные материалы. Из металлов наиболее широко используются в листовой штамповке стали (особенно низкоуглеродистые), латуни, бронзы, алюминиевые сплавы, сплавы на основе магния и титана, а также такие металлы, как молибден, никель и т.п.

Неметаллические материалы, применяемые для листовой штамповки, можно, в свою очередь, подразделить на естественные (кожа, слюда) и искусственные (текстолит, стеклотекстолит, органическое стекло, эбонит, полистирол, фибра, гетинакс, миканит и т.п.). Характеристики материала, в том числе и механические, приводятся в справочниках [20]. Заметим, что в справочниках обычно приводятся характеристики, обусловленные требованиями соответствующих ГОСТов. Как будет показано далее, эти характеристики не всегда позволяют с достаточной определенностью судить о поведении металла при штамповке.

По результатам многочисленных исследований и производственного опыта можно считать, что штампуемость существенно зависит от следующих факторов:

химического состава материала;

строения материала, которое, в частности, для металла определяется: а) типом кристаллической решетки; б) размером зерна, однородностью размеров зерен и их формой; в) строением зерен; г) текстурой, создаваемой преимущественной ориентировкой кристаллографических осей в зернах поликристаллического материала; д) полосчатостью макроструктуры.

Характер и степень влияния этих факторов весьма сложен.

Влияние химического состава. Рассмотрим для примера характер влияния отдельных элементов в стали на ее штампуемость.

Для углеродистых сталей с уменьшением содержания углерода» штампуемость улучшается, и для изготовления деталей сложной формы желательно применять низкоуглеродистые стали, содержащие 0,08-0,1 % углерода (сталь 08; сталь 10). На штампуемость также влияет способ выплавки и раскисления сталей. У кипящих сталей штампуемость выше.

Содержание марганца в феррите (твердом растворе) небольшое, и упрочняющее его влияние ощутимо проявляется при содержании свыше 0,6 %. Марганец в стали остается в результате ее раскисления, кроме того, он предупреждает образование вредного неметаллического включения FeS, для чего нужно, чтобы содержание марганца было в пять раз больше содержания серы. Крупные включения FeS ухудшают штампуемость стали.

В сталях, предназначенных для штамповки деталей сложной конфигурации, рекомендуют содержание марганца ограничивать 0,3-0,35 % для кипящей стали и 0,46 % для спокойной стали.

Кремний находится в твердом растворе и способствует снижению штампуемости, вследствие чего для глубокой вытяжки не рекомендуется применять стали, раскисленные ферросилицием. В сталях, предназначенных для штамповки сложных деталей, ограничивают содержание кремния: для кипящей стали допускают следы кремния, а для спокойной, раскисленной алюминием стали содержание кремния не должно превышать 0,04-0,05 %.

Фосфор является вредной примесью, способствующей снижению штампуемости и повышению прочностных характеристик. В сталях для холодной штамповки рекомендуется не допускать содержание фосфора более чем 0,05 %, причем снижение содержания фосфора способствует улучшению штампуемости.

Сера также является вредной примесью, которая в соединении с марганцем образует неметаллические включения, снижающие штампуемость и способствующие расслоениям металла при штамповке.

Легирующие примеси - никель и хром - растворимы в феррите, повышают прочностные характеристики металла, однако характеристики пластичности при этом не только не уменьшаются, но даже возрастают.

Приведенный характер влияния отдельных элементов на штампуемость является приближенным и свидетельствует лишь о том, что химический состав металла может существенно сказываться на поведении металла при штамповке.

Некоторые дополнительные сведения о характере и степени влияния примесей на способность к деформированию различных металлов и сплавов приведены в работе [20] и др.

Влияние типа кристаллической решетки. Каждый тип кристаллической решетки., характеризуется определенным количеством возможных плоскостей скольжения (обычно плоскости с наиболее плотным расположением атомов). В поликристалле межкристаллитная деформация обычно способствует зарождению трещин, что приводит к уменьшению пластичности и штампуемости. Это объясняется тем, что межзеренные прослойки обычно обогащены примесями и, следовательно, в условиях холодной деформации менее пластичны, чем сами зерна.

Кроме того, неправильность формы зерен приводит к тому, что при их относительном смещении могут возникнуть локальные нарушения сплошности. В силу того, что ориентировка плоскостей скольжения не одинакова в различных зернах, межкристаллитная деформация будет тем большей, чем меньше возможных плоскостей скольжения в данной кристаллической решетке. Известно, что в кубических решетках имеется 12 возможных систем скольжения. В гексагональной решетке имеется одна плоскость скольжения (плоскость базиса), и в ней три направления - всего три системы скольжения. Этим объясняется то, что поликристаллы с гексагональной решеткой имеют меньшую пластичность по сравнению с металлами, имеющими кубическую решетку. Магний, цинк, кобальт, б-титан, имеющие гексагональную решетку, в обычных условиях холодной штамповки обладают низкой штампуемостью.

Заметим, однако, что количество возможных плоскостей скольжения существенно зависит от температуры. Так, например, нагрев магниевых сплавов до температур порядка 350 °С резко увеличивает количество возможных плоскостей скольжения и пластичность их существенно возрастает.

Влияние размера зерна, его однородности, формы и строения. В поликристаллическом металле отдельные смежные зерна будут скользить по разным плоскостям, что неизбежно вызовет межкристаллическую деформацию.

С увеличением размеров зерен неравномерность деформаций смежных зерен увеличивает межкристаллическую деформацию, что может привести к разрушению заготовки. Отсюда следует, что улучшению штампуемости должно способствовать уменьшение размеров зерен.

Размеры зерен оцениваются в баллах:

(1.14)

Здесь N - номер балла в целых числах; n - число зерен в 1 мм².

Из соотношения (1.14) видно, что номер балла тем выше, чем мельче зерна.

Заметим, что излишне большие размеры зерен могут влиять не только на штампуемость, но и на качество поверхности, приводя к увеличению шероховатости («апельсиновая корка») за счет неравномерного выдавливания зерен в поверхностных слоях при их деформировании по разным плоскостям скольжения.

Для штамповки рекомендуется иметь зерна, соответствующие баллам от 6 до 8 (средние размеры зерен 0,05...0,03 мм), меньшее число баллов может быть допущено при увеличении толщины листового металла.

Межкристаллитная деформация существенно возрастает из-за неравномерности размеров зерен («пестрое зерно»). При этом неравномерность деформации отдельных зерен определяется не только различной ориентировкой плоскостей скольжения, но и разным сопротивлением зерен деформации благодаря разному соотношению между объемами зерен и межкристаллическими прослойками.

Размеры зерен и степень неоднородности их размеров могут определяться не только процессом изготовления листового металла (прокатка и отжиги), но также и условиями межоперационных отжигов в технологическом процессе штамповки деталей. Особенно опасны критические степени деформации, которые при отжиге могут привести к резкому увеличению размеров зерен.

В тех случаях (например, при вытяжке), когда критических степеней деформации избежать не удается, следует выбирать такие температуры отжига (по кривым рекристаллизации), при которых рост зерен в области критических степеней деформации будет незначительным, т.е. не приводящим к существенному ухудшению штампуемости.

Кроме размеров зерен, на штампуемость может влиять и форма зерен. В качестве отделочной обработки, придающей листовому металлу необходимую гладкость поверхности, обычно применяют холодную прокатку, которая сопровождается упрочнением. При холодной прокатке наблюдается вытягивание зерен в направлении наибольшего удлинения и степень вытянутости зерен характеризует степень холодной деформации при прокатке.

Известно, что упрочнение приводит к уменьшению пластичности и, следовательно, целесообразно ограничить степень деформации при заключительной холодной прокатке.

Считается, что в металле, идущем на штамповку, соотношение между средними наибольшими и средними наименьшими размерами зерен не должно превышать 1,4.

Кроме размера и формы зерен, на штампуемость влияет строение зерен.

Известно, что углерод содержится в стали в виде цементита Fe₃C, который является весьма твердой и хрупкой составляющей, способной в процессе пластического деформирования образовать зародыши трещин, которые, развиваясь в процессе деформирования, приводят к разрушению заготовки. Этим, в частности, объясняется и то, что способность деформироваться в условиях холодной деформации без разрушения снижается с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому наличие структурно-свободного цементита в стали для холодной штамповки крайне нежелательно.

В углеродистых сталях для холодной штамповки предпочтительно присутствие углерода в виде зернистого или пластинчатого перлита, окруженного зернами феррита. В этом случае форма цементитных включений такова, что она в меньшей степени способствует зарождению трещин в процессе деформирования.

Подобные зависимости устанавливаются и для других металлов и сплавов, что позволяет формулировать требования к химическому составу и строению металла, предназначенного для холодной штамповки.

Отметим еще одно обстоятельство, связанное с размером и формой зерен. Как указано ранее, пластическая деформация поликристалла складывается из внутрикристаллитной и межкристаллитной деформации. Упорядоченное внутреннее строение зерен приводит к тому, что внутрикристаллитная деформация осуществляется движением дислокаций, а сопротивление деформированию в условиях холодной деформации зависит от препятствий на пути движения дислокаций, количество которых возрастает с увеличением деформации. Этим объясняется деформационное упрочнение металла, при котором напряжение текучести возрастает по мере роста величины пластической деформации и в малой степени зависит от скорости деформации.

Межкристаллитные прослойки имеют неупорядоченное строение, близкое к аморфному, в котором дислокации отсутствуют и деформация осуществляется подобно течению вязкой жидкости, т.е. зерна как бы смещаются в слоях» вязкой жидкости, не деформируясь пластически. В этом случае деформационное упрочнение отсутствует, а сопротивление деформированию в основном зависит от скорости деформации (скоростное упрочнение).

Таким образом, если пластическая деформация осуществляется в основном путем внутрикристаллитной деформации (внутризеренной), металл испытывает деформационное упрочнение. Если же пластическая деформация осуществляется путем межкристаллитной деформации, а внутризеренная деформация отсутствует, то металл испытывает в основном скоростное упрочнение, а деформационное упрочнение отсутствует.

Соотношение между внутрикристаллитной и межкристаллитной деформациями зависит от размера зерен и при очень мелких зернах (1...2 мкм) доля межкристаллитной деформации может быть преобладающей в общей пластической деформации. Доля межкристаллитной деформации возрастает также с увеличением температуры, при которой увеличивается подвижность атомов, что, облегчает бездислокационное течение межзеренных прослоек. В этом случае металл деформируется без деформационного упрочнения, а сопротивление деформированию и степень деформации до разрушения главным образом зависят от скорости.

Именно в этих условиях металл может быть переведен в состояние сверхпластичности, при котором наблюдается резкое увеличение равномерной деформации при определенных ее скоростях с одновременным существенным уменьшением сопротивления деформированию.

Влияние полосчатости макроструктуры. При кристаллизации слитка из расплава образующиеся крупные кристаллиты оказываются окруженными прослойками, содержащими неметаллические включения, имеющими обычно более низкую температуру плавления.

При прокатке эти прослойки вытягиваются в направлении наибольшего удлинения и в листовом материале образуют пряди, параллельные плоскости листа. Так как при прокатке листового материала уширение незначительно, то при постоянном направлении прокатки неметаллические включения имеют форму прядей, вытянутых в направлении прокатки, образуя полосчатость макроструктуры.

Полосчатость макроструктуры приводит к возникновению определенной анизотропии (векториальности) механических свойств. Для анизотропии, созданной полосчатостью макроструктуры, характерно, что прочностные характеристики вдоль волокон и поперек волокон отличаются незначительно, в то время как характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) вдоль волокон обычно существенно выше, чем поперек волокон. Эту анизотропию свойств прокатанного листового материала, как это будет показано далее, в ряде случаев приходится учитывать при проектировании технологических процессов.

Влияние текстуры. При пластическом деформировании плоскости скольжения поворачиваются в пространстве, уменьшая угол между этими плоскостями и направлением наибольшего удлинения. При прокатке листового металла это приводит к тому, что плоскости скольжения в зернах стремятся расположиться параллельно плоскости листа. Первоначальное беспорядочное расположение плоскостей скольжения, при котором, несмотря на анизотропию свойств в зернах, все поликристаллическое тело имеет практически одинаковые свойства по разным направлениям (квазиизотропное тело), по мере деформирования становится все более упорядоченным, а плоскости скольжения в зернах- поликристалла становятся параллельными. В силу исходной хаотичности расположения плоскостей скольжения в поликристалле углы поворота плоскостей до их параллельного расположения различны, что приводит к тому, что количество зерен с параллельным расположением плоскостей скольжения увеличивается с увеличением деформации.

Преимущественная ориентация плоскостей скольжения и кристаллографических направлений в зернах поликристалла в результате пластического деформирования называется текстурой деформации. При холодной деформации образование текстуры происходит параллельно с образованием вытянутости зерен (полосчатости микроструктуры).

Текстура, образованная при пластическом деформировании, не всегда устраняется рекристаллизационным отжигом, при котором вытянутые зерна становятся равноосными. Текстуру поликристалла с равноосными зернами (после рекристаллизации) называют текстурой рекристаллизации.

Так как свойства металла (механические, физические, химические и др.) в монокристалле различны по разным направлениям, то в поликристалле по мере образования текстуры изотропность свойств нарушается, возникает анизотропия свойств.

Текстура существенно влияет не только на характеристики пластичности, но и на характеристики прочности (предел текучести, временное сопротивление).

Параллельное расположение плоскостей скольжения в зернах листового материала, имеющего текстуру, приводит к тому, что механические свойства в плоскости листа различны по разным направлениям, а по толщине листа изменяются незначительно.

В плоскостях скольжения у металлов с кубической решеткой имеются два взаимно перпендикулярных направления, в которых прочностные характеристики максимальны, а под углом 45° к ним расположены направления, по которым прочностные свойства минимальны.

У металлов с гексагональной решеткой таких направлений три, они составляют между собой угол 60°.

Различие механических свойств в плоскости листа может приводить к дополнительной неравномерности распределения деформаций. Именно этой неравномерностью механических свойств объясняется образование фестонов (неодинаковость высот по периметру) при вытяжке цилиндрических стаканов из круглой заготовки (рис. 1.2).

Такие фестоны («уши») образуются за счет более интенсивного течения металла в направлениях минимального сопротивления пластическим деформациям. У металлов с кубической решеткой образуются четыре фестона, а у металлов» с гексагональной решеткой шесть. Если свойства металла в плоскости листа одинаковы по всем направлениям, то фестоны при вытяжке цилиндрических стаканов не образуются.

Однако и в этом случае металл может обладать анизотропией (механические свойства по толщине отличны от механических свойств в плоскости листа). Такой металл называют трансверсально изотропным (или же нормально анизотропным).

Анизотропию свойств необходимо учитывать при проектировании технологических процессов, причем анизотропия может оказать как отрицательное, так и положительное влияние на эффективность технологических процессов. Отсюда следует, что сознательное управление анизотропией является одним из путей совершенствования процессов листовой штамповки.

4.2 Испытания металла

Ранее было отмечено, что создать единый критерий штампуемости, характеризующий поведение металла при всех операциях листовой штамповки и их разновидностях, не представляется возможным. В настоящее время приближенную оценку штампуемости можно получить на основании результатов испытания металлов как способами, регламентированными ГОСТами, так и дополнительно разработанными.

Кроме обязательных стандартных испытаний металла, таких, как определение химического состава, оценка микроструктуры, испытание на растяжение, разработано много так называемых технологических проб. Часть из них также вошла в стандарты, например, испытание на знакопеременный изгиб и проба по Эриксену.

Остановимся коротко на характеристике некоторых технологических проб и на тенденциях совершенствования методов испытания металлов.

По ГОСТу при испытании на растяжение обычно определяются две основные характеристики: у_b - временное сопротивление и е - относительное удлинение. А для деформируемых материалов в некоторых ГОСТах (например, ГОСТ 11701-84) даны рекомендации по определению величины равномерного относительного удлинения е„ и истинного предела прочности

где Р_max - максимальное усилие в момент возникновения шейки;

F_ист - площадь поперечного сечения образца в момент начала образования шейки), а также коэффициента анизотропии R_s [1].

Коэффициент

определяет соотношение между изменением ширины и толщины плоского образца в условиях линейного напряженного состояния. Здесь b₀ и b - начальная и конечная ширина образца в зоне равномерного удлинения, a s₀ и s - начальная и конечная толщина образца в той же зоне.

Кроме коэффициента анизотропии R_s, могут определяться коэффициенты анизотропии свойств в плоскости листа R_б. Для металлов с кубической решеткой целесообразно определение коэффициента анизотропии Ra при испытании на растяжение вдоль направления прокатки и под углом 45° к нему. Коэффициент R_б характеризует возможность появления и высоту фестонов, возникающих при вытяжке осесимметричных деталей. Заметим, что соотношение между деформациями по разным направлениям обратно пропорционально соотношению между значениями прочностных характеристик в тех же направлениях.

Кроме отмеченных ранее показателей, целесообразно также определение предела текучести физического у_т, если есть площадка текучести, и условного у₀₂, если площадка текучести отсутствует. Условный предел текучести соответствует возникновению остаточной относительной деформации удлинения, равной 0,2 %.

Эти дополнительные показатели позволяют более точно судить о штампуемости, чем у_в и е.

Считается, что способность к вытяжке тем больше, чем больше отношение у_в/у_т и чем больше значения е_р и R_s. Первые два показателя до некоторой степени характеризуют способность к упрочнению, а практика показывает, что более упрочняющиеся металлы допускают большее формоизменение при вытяжке. Показатель R_s характеризует способность сопротивляться локальному утонению при вытяжке, и с увеличением R_s утонение уменьшается, а, следовательно, опасное сечение способно передавать большее усилие, что приводит к увеличению допустимого формоизменения. Из практики штамповки установлено, что наиболее пригодны для вытяжки металлы, имеющие следующие показатели:

Приведенные показатели, определяемые при испытании на растяжение, до некоторой степени позволяют судить о способности металла к вытяжке. Однако при оценке способности к вытяжке металла по приведенным выше показателям обнаруживается их недостаточная точность. Это вынуждает изыскивать иные способы испытания металлов. В этом плане было предложено значительное количество так называемых технологических проб, наиболее интересные из которых частично будут рассмотрены ниже.

В ГОСТах на листовой металл из технологических проб обычно предусматривается испытание на перегиб и испытание на глубину выдавливания сферической лунки по Эриксену.

Лекция №4. Условие равновесия для объемного напряженного состояния. Деформированное состояние твердого тела в напряженном состоянии

Тело, подвергающееся действию сил, находится в напряженном достоянии. Внешние силы, действующие на тело, бывают двух основных видов: поверхностные и объемные.

К поверхностным силам относят силы, приложенные к поверхности тела. Они могут быть сосредоточенными и распределенными. К объемным силам относят силы, действующие на все материальные точки тела и пропорциональные их массам, например силы тяжести, силы инерции.

Под действием внешних сил в теле возникают внутренние усилия.

Предел отношения внутреннего усилия Ар, действующего на какую-либо элементарную площадку, выделенную в рассматриваемой точке тела, к ее площади AF при неограниченном уменьшении последней называется напряжением ст:

Каждая тонка в напряженном теле находится под действием всех ее окружающих точек, поэтому в любой плоскости, проведенной через данную точку, будут действовать напряжение, определенной величины и направления. Полное напряжение по правилу параллелепипеда всегда можно разложить на три: одно нормальное и два касательных.

В равной мере полное напряжение можно разложить на три составляющие по направлениям осей координат.

Выделим из деформируемого тела элементарный параллелепипед с бесконечно малыми ребрами. Его плоскости проведем параллельно осям координат х, у, z. Ребра соответственно обозначим: dx dy и dz.

Полное напряжение, действующее в точке представленной в виде параллепипеда можно разложить на три нормальных напряжений.

Нормальные обозначим соответственно по осям:

Для обозначения касательных напряжений примем индекс из двух букв. Первая буква будет указывать ту координатную ось, по направлению которой шестью касательными.

Однако, если рассмотреть статическое равновесие элементарного

параллелепипеда, то можно показать, что

На самом деле момент относительно, например, оси у должен быть равен нулю.

Приравнивая нулю получаем:

Аналогично составляя уравнения равновесия относительно осей х и z

можно получить:

Отсюда следует, что напряженное состояние в точке полностью описывается шестью независимыми компонентами напряжений: тремя

нормальными

и тремя касательными

Величины напряжений в теле, нагруженном силами и находящемся в равновесии, в общем случае непрерывно изменяются от точки к точке, т. е. напряжения являются непрерывными функциями координат. Тогда напряжения действующие на противоположных гранях элементарного параллелепипеда будут отличаться на некоторую величину, определяемую частным дифференциалом т.е. приращение какого-либо напряжения равно частному дифференциалу по той координате, по которой действуют эти напряжения Частный дифференциал, как известно из высшей математики, равен, для напряжений:

Для касательных напряжений:

Усилия, действующие по граням параллелепипеда, равны напряжениям, умноженным на площади соответствующих граней.

Составим уравнение равновесия, т.е. возьмем суммы проекций всех сил на оси координат и приравняем эту сумму нулю.

На ось х:



Аналогично получаем по оси у и z:

Таким образом, мы получили условия равновесия для общего случая -объёмного напряженного состояния в виде дифференциальных уравнений в частных производных.

Эти условия обязательны для всех точек деформируемого тела. Следует сказать, что три дифференциальных уравнения равновесия содержат шесть неизвестных, следовательно для их решения необходимо наличие дополнительных уравнений. Другими словами, объемная задача является статически неопределимой.

Теперь рассмотрим деформированное состояние тела в напряженном состоянии.

Если тело деформируется, то каждая точка смещается от своего первоначального положения.

Пусть координаты точки в начальный момент х, у, z, а в данный момент х', у', z' тогда:



Здесь U_x? U_y, U_z представляют собой проекции перемещения на координатные оси, т.е. являются компонентами перемещений.

Для разливных точек тела компоненты перемещений различны, и они, и их производные являются непрерывными функциями координат. Другими словами тело сплошное до деформации остается сплошным после деформации.

Элементарный прямоугольный параллепипед, мысленно выделенной в теле, при деформации изменяет не только свое положение, но и свою форму. В общем случае ребра параллелепипеда изменяют длину, а углы перестают быть прямыми. Как известно, изменение длины произвольного ребра характеризуется линейной деформацией, а изменение первоначального угла между двумя ребрами характеризуется угловыми деформациями.

Рассмотрим каким образом деформации выражаются через перемещения. Для этого выделим в какой-либо точке М деформируемого тела элементарный параллепипед с бесконечно малыми ребрами dx_s dy, dz, параллельными осями координат, так чтобы одна из вершин его совпадала с точкой М.

Пусть прямоугольник dbcd - проекция этого элементарного параллепипеда на плоскость ХУ до деформация, причем точка является проекцией точки М.

После деформации точки а, Ъ, с, d получают перемещения. Точка занимает положение а', в-в', c-c\d-d^f. Выразим перемещение точек вис через перемещение точки а, Точка а получила перемещение по направлению оси X - U_x, по Y - Uy, которые являются функциями координат точки М, т.е. Ux = f(x,y,z), Uy =f(x₅y_?z). Точка в расположена на бесконечно малом расстоянии dx от а в направлении оси X. Поэтому перемещение точки в по X равно сумме перемещения точки а и приращению перемещений.

Линейная деформация ребра ав будет равна:

Аналогично можно получить:

Рассмотрим как определение угловые деформации через перемещения:

т.к.

, таким образом

Лекция №5. Теоретические основы процесса нагрева металла для ковки и штамповки

В процессе ковки и штамповки металла приходится решать следующие основные задачи:

- преобразование литой структуры металла в волокнистую (в случае ковки литого металла);

- придание заготовке заданной формы и размеров поковки или детали;

- получение оптимальной зернистости металла при минимальных остаточных напряжениях.

Тепловое воздействие на металл приводит к следующим положительным явлениям:

- потере упругих свойств и значительному уменьшению сопротивления деформированию;

- снятию остаточных напряжений;

- происходит кристаллизация и растворение карбидов, способствует и ускоряются диффузионные и релаксационные процессы.

К числу наиболее вредных явлений, вызываемых нагревом, относятся окалинообразования, обезуглероживание, перегрев металла.

При неправильном ведении процесса нагрева происходит пережог металла, образование трещин вследствие растягивающих напряжений. Особенно опасен в этом отношении процесс охлаждения металла.

Оптимальный термический режим ковки и штамповки должен быть обеспечивающим необходимые условия для успешного проведения процесса, а также высокое качество поковок, при котором вредное влияние тепла по возможности ограничивается. Поэтому термический режим разрабатывается для каждой марки стали с учетом исходной структуры металла, его объема соотношения размеров заготовки и назначения поковки.

Температурный интервал ковки и штамповки

Термический режим ковки и штамповки состоит из трех этапов: нагрев перед ковкой и штамповкой, остывание в процессе ковки и штамповки, остывание после ковки и штамповки.

Одна из главных задач при разработке термического цикла ковки и штамповки состоит в определении температурного интервала, т.е. температуры начала и конца штамповки.

Различают оптимальный (или допустимый) и технологически необходимей интервалы температур ковки и штамповки. Оптимальный интервал температур определяют в результате раздельного установления температур начала и конца ковки и штамповки. Точно установить эти температуры можно лишь на основании конкретных данных, касающихся металла ( с металлургической, металловедческой и эксплутационной точек зрения). Поэтому обычно указывают ориентировочные температуры начала и конца ковки, которые затем уточняются исходя из конкретных обстоятельств.

Главным фактором, определяющим эти температуры является состав сплава и определяемого им свойства.

Ковочные температуры находятся между:

температурами плавления и конца рекристаллизации сплава. Более низкая температура относится к полугорячей, полухолодной и, наконец, к холодной деформации. Штамповочные температуры на 150... 200°С ниже (Т_пл). Интервал ковочных температур, как правило, назначается в каждом конкретном случае исходя из химического состава материала, диаграммы состояния. При этом имеется в виду, что в интервале ковочных темеператур материал обладает достаточной пластичностью.

Вблизи температуры плавления сплава находится темепература, при которой наблюдается потеря пластичности. Здесь же находится область пережога стали, связанный с оплавлением и окислением границ зерен, поэтому ковать в этой области нельзя. Немного ниже находится температура перегрева и сплава, который характеризуется значительным ростом зерна. Следует помнить, что для некоторых сталей крупнозернистая структура хорошо поддается ковке, при этом зерна измельчаются. Поэтому верхняя температура ковки может лежать в области температур перегрева.

В некоторых случаях верхнюю температуру снижают из-за необходимости уменьшения окалинообразования и обезуглероживания. Чем больше заготовка или слиток, тем в большей мере снижают температуру.

Это связано с тем, что для крупных заготовок при их нагреве требуется больше времени выдерживания в печи.

Нижняя граница температур ковки зависит не только от типа стали, но и от объема заготовки, качества требуемого металла, наличия или отсутствия термообработки, способом охлаждения. Важным фактором при установлении ковочных темеператур являются требования, предъявляемые к механическим свойствам металла с учетом характера, эксплуатации детали.

Если для данной детали предусмотрена термообработка, например, закалка с отпуском, то правильно выбранная температура ковки позволяет использовать ковочное тепло для последующей термической обработки. Если термообработка не предусмотрена, то нижний предел интервала ковочных температур ограничивается условиями получения мелкого зерна.

Для небольших поковок (массой до 1000 кг) температура конца поковки может быть высокой, на 200-*300°С выше А_r3 или низкой вблизи точки А_r3. Несмотря на то, что при высокой температуре конца ковки зерно будет крупным, можно в результате быстрого охлаждения получить тонкое строение структуры сплава.

При этом высокая температура конца ковки способствует повышена технико-экономических показателей производства (повышение производительности, уменьшение расхода энергии). Для поковок с большой массой и не подлежащих термообработке получение высоких механических свойств за счет увеличения скорости охлаждения поковок маловероятно из-за невозможности в этих условиях ускорить их остывание. Поэтому чтобы решить эту задачу, следует подобрать такую комбинацию температуры и величины обжатий, которая бы обеспечила бы оптимальную структуру. Здесь необходимо иметь в виду, что сталь, подвергнутая деформации в интервале критических обжатий (4-12%), после рекристаллизации имеет нежелательную крупнозернистую структуру.

Для углеродистых сталей интервал ковочных температур показан на рис.

Для низкоуглеродистых сталей - до 0,3%С, допускается более низкая (ниже А_сз до А_с1) температура конца ковки особенно для крупных заготовок. При этом окончательный размер зерен, меньше, чем при завершении ковки при температуре выше точки А_r3. Для среднеуглероцистой стали тешературный интервал точки заканчивается выше А_r3, что обеспечивает более мелкое зерно.

Для за эвтектоидной стали, у которой структурносвободной фазой является хрупкий цементит, температура конца ковки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение поковок более быстрым во избежание образования цементитной сетки. Для разрушения цементитной сетки следует оканчивать ковку в интервале температур критических точек А_г3 - A_r1.

В цеховых условиях интервал ковочных температур иногда уточняют, исходя из субъективных причин. Конец штамповки корректируют исходя из стойкости инструмента. Разогретые штампы быстро садятся при штамповке остывающей заготовки вследствие увеличения сопротивления деформированию. Иногда повышение температуры штамповки вызывается недостаточной мощностью оборудования. Руководствоваться подобными соображениями допустимо лишь в тех случаях, когда отклонен от оптимального режима не снижает качества поковок.

Нагрев слитков и заготовок

Основой термического режима ковки являются: общая продолжительность и скорость нагрева металла.

Различают максимально-возможную и допустимую скорости нагрев металла. Первая определяется:

1) конструкционной и тепловой мощностью печи;

2) условий передачи тепла металлу;

3) физических свойств металла и условий теплопередачи внутри слитка.

Допустимая скорость нагрева зависит от комплекса химико-физических свойств. Установлено, что наиболее опасным является перепад, нагрева слитков до 500-760°С. При нагреве слитка наружный слой приобретает более высокую температуру, чем средняя часть. Этот слой стремиться расширяться, чему препятствует средняя часть слитка. В результате наружные слои оказываются в сжатом, внутренние - в растянутом состоянии, неметаллические включения, пузыри, нерастворенные карбиды, играющие роль концетраторов, при действии растягивающих напряжений могут стать очагами возникновения трещи.

Кроме этого при достижении критических температур в поверхностном слое заготовки происходят уменьшение объема (б > г) напряжение сжатия может уменьшаться и даже сменять знак на обратный.

Когда весь металл достигнет критической температуры наружные слои вновь окажутся в сжатом, внутренние в растянутом состоянии. Однако к этому времени сопротивление деформации снижется настолько, что под влиянием тепловых напряжений может произойти местная пластическая деформация, что приведет к уменьшению напряжений. Однако, если металл недостаточно пластичен, возможно при нагреве образовании трещин.

Нагрев нежелательно осуществлять с наибольшей скоростью, т.е. за возможно короткое время. При этом меньше растет зерно, снижается отход металла на угар, т.е. в окалину, образующуюся на поверхности под воздействием кислорода из окружающего воздуха.

В пламенных печах прогрев заготовок начинается с поверхности заготовок, непосредственно воспринимающей тепло, излучаемое твердыми частицами в пламени, горячими газами и внутренней поверхностью нагревательной камеры. Прогреву поверхности заготовок способствует также передача тепла конвекцией от печных газов. Проникновение тепла внутрь заготовок происходит путем теплопроводности. Чистые металлы более теплопроводны, чем их сплавы. Высокоуглеродистая сталь почти в 1,5 раза менее, теплопроводна, чем малоуглеродистая. Теплопроводность легированных сталей еще меньше. Быстрота подъема температуры при прочих равных условиях для разных сплавов зависит, однако, не столько от теплопроводности, а от температуропроводности

, см²/сек

где б - температуропроводность;

л - коэф. Теплопроводности;

С - теплоемкость (кал/гєС);

г - плотность (г/см ).

С повышением температуры коэф. теплопроводности понижается, причем у легированных сталей это понижение менее интенсивно, чем у углеродистой стали и при t=700 - 800°С коэф. температуропроводности почти выравниваются. Но из-за большой разницы между значениями этих коэффициентов в начальный период нагрева требуется для быстрого подъема температуры высокоуглеродистой, и тем более легированной стали значительно более интенсивная подача тепла к их поверхности, чем при нагреве малоуглеродистой стали.

Нагрев заготовки характеризуется температурным напором, который представляет собой разность между температурами печи и нагреваемого металла.

Чем больше температурный напор, тем быстрее осуществляется нагрев. Однако при этом увеличивается разность температур между поверхностью и серединной частью заготовки. Температурный градиент также зависит от размеров заготовки. Поэтому черезмерно быстрый нагрев может привести к образованию трещин,

В связи с этим, для слитков и заготовок больших размеров и низко пластичных материалов применяют, так называемый ступенчатый нагрев в несколько этапов. Первый этап - нагрев до температуры фазовых превращений при допустимой скорости нагрева; второй - выдержка при температуре фазовых превращений; третий - нагрев до окончательной температуры при наибольшей скорости нагрева; четвертый - выдержка при этой температуре в целях выравнивания температуры по всему сечению. Первый и второй этапы вместе занимают 70-80% общего времени нагрева.

Общее время нагрева стали от 20-1200°С находится по формуле:

,

где Т- время нагрева в часах;

б - коэф., учитывающий способ укладки заготовок на поду печи;

К - коэф., учитывающий содержание углерода и легирующих элементов в стали (для малоуглеродистой стали К=10, для высоколегированной К=20);

D - диаметр или сторона заготовки.

Охлаждение заготовки

В процессе охлаждения после ковки-штамповки в металле повторяются в обратном порядке те же явления, что и при нагреве. В начальный период охлаждения поверхностные слои испытывают напряжение растяжения (+), а внутренние сжатия (-). При дальнейшем охлаждении получается обратная картина, так как средняя часть поковки, уменьшаясь в объеме, будет сдергиваться более остывшими наружными слоями, которые при этом подвергаются сжимающим напряжениям. Сказанное справедливо для пластичных материалов. Для мало пластичных материалов вероятно, что растягивающие напряжения вследствие понижение релаксационной способности стали уменьшаться, но могут сохранить знак. При наличии поверхностных трещин возможно их развитие.

Процесс охлаждения можно разделить на два этапа:

1 - охлаждение в процессе ковки или штамповки

2 - после ковки или штамповки

Остывание металла в процессе ковки интересует технолога с двух точек зрения. В период ковки, остывание металла вредно, поскольку сокращает время, отводимое для деформации, и увеличивает расход энергии вследствие повышения сопротивления деформации, полезность остывания в процессе ковки состоит в понижении интенсивности собирательной рекристаллизации, следовательно, уменьшении величины зерна.

При нагреве металла с исходным зерном до температур нижних критических точек (А_с1) никаких структурных изменений не происходит. Дальнейший нагрев в области перехода перлита в аустенит приводит к изменению зерна. После перехода точки А_с3 зерно увеличивается ввиду собирательной рекристаллизации.

В период остывания (во время транспортировки заготовки из печи) до температуры накала ковки величина зерна достигает максимума. Первое обжатие заготовки приводит в измельчению зерна и некоторому повышению температуры, вследствие перехода части энергии деформации в тепловую.

Затем в период между вторым обжатием сталь частично рекристаллизуется при одновременном снижении

металл ковка конструкция штамповка ковка

Лекция 6. Деформация при повышенных температурах

Для определения всех параметров при проектировании технологической оснастки и технологического процесса штамповки, крупногабаритных, толстолистовых изделий чрезвычайно важно учитывать влияние температуры и скорости деформации.

В процессе деформации металла при повышенных температурах происходят одновременно два противоположных явления - процесс упрочнения и процесс разупрочнения. Последний происходит вследствие возврата и рекристаллизации.

Для более четкого представления о действии того или иного разупрочняющего явления необходимо весь температурный интервал разделить на три зоны соответственных температур (отношение рассматриваемой температуры к температуре плавления в °К данного металла или сплава): полного упрочнения от 0 до 0,25; частичного разупрочнения от 0,25 до 0,7; полного разупрочнения от 0,7 до 1,0.

При холодной деформации зерна металла получают разную по величине пластическую деформацию вследствие различного направления плоскостей скольжения в зернах, различия в их форме и свойствах, поэтому после снятия внешних сил при этой деформации возникают остаточные напряжения.

При нагревании металла возникающие при деформировании упругие деформации зерен выравниваются, в результате чего обеспечивается сн-ижение остаточных напряжений после снятия внешних сил. Такое разупрочнение называется возвратом или отдыхом, который наблюдается для чистых металлов при температурах, равных 0,25 - 0,30 Т_пл °К, а для сплавов во второй зоне при 0,30 - 0,35 Т_пл °К.