Опыт использования пластометрического комплекса для оценки деформируемости металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт использования пластометрического комплекса для оценки деформируемости металлов и сплавов

Бородин Е.М., Двойников Д.А.,

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

В Институте машиноведения УрО РАН в течение ряда лет используется пластометр кулачкового типа оригинальной конструкции с жесткой станиной, допускающей усилия до 100т при осадке холодных или нагретых образцов для определения сопротивления деформации у_s металлов и сплавов.

Сопротивление деформации у_s является одной из важнейших характеристик металла, определяющей энергосиловые параметры процесса обработки давлением, и наряду с пластичностью, как способностью деформироваться без разрушения, характеризует свойства металлов и сплавов.

Из известных способов испытаний при одноосном растяжении или сжатии осадка образцов на пластометрах является наиболее информативной, так как позволяет получать данные по у_s с повышенной точностью в более широком диапазоне степеней и скоростей холодной, теплой и горячей деформации. Расширение диапазонов параметров испытаний наиболее актуально в последнее время в связи с разработкой новых материалов и освоением процессов интенсивной пластической деформации с целью получения субмелкокристал-лической и нанокристаллической структуры металлов [1,3].

В лаборатории деформирования и разрушения (ранее - лаборатории квалиметрии) ИМАШ УрО РАН на базе указанного пластометра создан автоматизированный пластометрический комплекс, в состав которого входят:

а) модернизированный пластометр кулачкового типа (с набором кулачков для различных условий осадки) с широкодиапазонным реверсивным тиристорным электроприводом и цифровой системой регулирования скоростью вращения вала с кулачками, воспринимающими главные усилия; мощность двигателя постоянного тока увеличена до 90 кВт;

б) высокотемпературная (до 1400 ^оС) электропечь с объёмом камеры 25 дм³ с цифровым терморегулятором, позволяющим поддерживать температуру с точностью 1^оС при нагреве испытуемых образцов перед осадкой; объём печи позволяет практиковать посадку на разогрев нескольких пакетов (контейнеров);

в) система сбора и обработки информации (СОИ) на базе современной ПЭВМ с быстродействующими АЦП с использованием стандартного и оригинального программных пакетов, позволившая обеспечить циклы сбора информации длительностью до 0,01 мс;

г) быстродействующие датчики и измерительные устройства: тахометр и датчик угла поворота привода кулачкового вала, тензометрические измерители усилия осадки (месдозы конструкции ИМАШ) с прецизионными усилителями сигналов, измерители величины осадки, датчик зоны деформации.

На рис.1 показан состав комплекса: 1 - жёсткая станина пластометра с технологическими узлами; 2 - муфта с механизмом сцепления; 3 - свободно вращающийся вал с маховиком; 4 - редуктор со сменной ремённой передачей; 5 - электродвигатель кулачка; 6 - цифровой комплект электропривода; 7 -двигатель узла сцепления муфты (электромагнит); 8 - тиристорный блок; 9 - датчики и измерители; 10 - пульт управления; 11 - устройства сопряжения с компьютером; 12 - система сбора и обработки информации с ПЭВМ; 13 - нагревательные печи с терморегуляторами; 14 - стеллаж для подготовки пакетов с образцами; 15 - вал с муфтой предельного момента и с обоймой, в которую установлены кулачки.

Связи обозначены линиями с указателями: двойные - информационные; сплошные - передача энергии; пунктирные - маршруты оператора при работе.

Рис. 1 Комплекс ИМАШ для пластометрических испытаний

К оригинальным в пластометре, кроме кулачкового узла, относится жёсткая муфта 2. Принцип действия муфты 2 пояснен её фрагментом в разрезе: при движениях поводка с роликами в ней (вправо или влево) происходит заклинивание роликов между 3 и 15, вал привода сцеплен с кулачковым валом. При нейтральном положении поводка муфта расцеплена, а вал 15 неподвижен. Угол поворота одной части муфты относительно другой, достаточный для сцепления, весьма мал (0,08 рад), чем обеспечена её большая жёсткость.

В системе управления предусмотрена дополнительная коррекция угловой скорости кулачкового вала средствами электропривода (особенно - на малых скоростях). Повышено быстродействие отработки задания скорости введением нелинейных звеньев управления [1]. Обеспечено, в дополнение к механическому, демпфирование упругих колебаний в силовой части (вал, ременная, цепная передачи) средствами электрической системы. Параметры её регуляторов определены на основе положений, изложенных в работах Мандельштама Л.И. по теории колебаний для систем до 4-го порядка и - Воронова В.С. по полиномиальной методике для систем высокого порядка.

В пластометре рабочая часть собрана с повышенной точностью, особенно - профили кулачков, как в прецизионном испытательном механизме [2].

На рис. 2 представлено устройство этого механизма и основные технологические узлы: 1 - пакет с образцом; 2 - обойма с кулачками (показан один кулачок, имеются 4 установочных места); 3 - нажимной ролик; 4 - ползун; 5 - пружины для возврата ползуна в исходную позицию; 6 - опора; 7, 8, 9, 10 - клиновый регулировочный механизм; 11 - направление вращения.

Рис. 2 Станина пластометра с технологическими узлами

В пластометре (рис.2) станина содержит подшипниковые узлы, в которых вращается рабочий вал диаметром 160 мм с жёстко установленной обоймой 2 для кулачков. Кулачок со средним радиусом вращения 160 мм занимает до 1/12 окружности. Вал за цикл осадки поворачивается не более чем на один оборот.

Работа комплекса (рис.1) при участии оператора в цикле испытания образца состоит в следующем. Оператор готовит пакеты с образцами на стеллаже 14, задаёт скорость двигателя 5, рабочую температуру в печи 13, условия опыта: скорость деформации, расположение образца в рабочей зоне. Командами с пульта 10 он запускает электропривод 5-6-9 с управлением от 10,12 с разгоном через 4 вала с маховиком 3 до заданной скорости вращения. Муфта 2 разъединена. Кулачковый вал 15 с обоймой неподвижен, кулачок находится в исходной (верхней) позиции. Система 12-11-9 готова к работе.

Оператор до осадки фиксирует исходные размеры каждого образца, и другие параметры процесса испытания (тип смазки и теплоизоляции, наличие буртов и их размеры) и заносит в ПЭВМ системы 12.

После разогрева печи 13 оператор помещает в неё пакет с образцом (в варианте нагрева “в пакете”). Нагретый до рабочей температуры пакет он переносит из печи 13 на опору под ползуном в станине и немедленно подаёт команду на сцепление муфты 2 (с пульта 10 через 8 - 7).

Далее выполняется автоматический цикл. Включается привод 7, муфта 2 сцепляет узлы 3 и 15, кулачок начинает движение с заданной скоростью (от привода 5). До касания кулачка с нажимным роликом ползун в станине неподвижен. При этом происходит контроль угла поворота обоймы так, что фиксируется начало рабочей зоны с выдачей команды в ПЭВМ на начало регистрации данных в системе 9-11-12. Осадка образца начинается после контакта ползуна с верхним бойком в пакете и происходит в соответствии с закономерностью, которая задана формой рабочей части профиля кулачка, взаимным расположением ползуна и пакета с образцом и режимом работы привода 5. При осадке действие сил сопротивления на механическую систему преодолевается за счёт запаса энергии в маховике 3 и - приводом 5, автоматически формирующим вращающий момент через 10-6-9 в функции угла поворота обоймы. После осадки, за счёт контроля поворота кулачка, заканчивается регистрация данных в ПЭВМ, а затем подаётся команда от 12 (или 10) на привод 8 - 7 муфты 2 на расцепление (предусмотрено и механическое расцепление с помощью серьги с роликом). С разъединением 3 и 15 кулачок остановится в исходной точке.

Оператор после осадки переносит пакет на стеллаж 14, охлаждает его, фиксирует конечные размеры и форму образца. Зафиксированные размеры он использует для обработки данных, записанных в 12, включая описание и оценку результатов с получением соответствующих кривых упрочнения, примером которых являются графики, представленные на рис. 3.

а б

Рис. 3 а: 1 -перемещение ползуна, 2 - усилие осадки; б: у_s = f (е)

Как известно, большое значение имеет подготовка образца к осадке с целью обеспечения одноосной деформации, стабильности температуры в ходе осадки, исключения влияния деформации инструмента на результаты опыта.

По форме образцы изготовляются в виде цилиндров с отношением исходной высоты h_o к диаметру d_o в пределах 1,15-1,35. Наиболее часто применяется d_o = 14-16 мм, что во многом определяется ожидаемым усилием.

Для планируемой осадки образца после нагрева собирается пакет перед посадкой в печь. Схема пакета представлена на рис.4. Образцы 3, как правило, имеют торцевые буртики высотой 0,2-0,4 мм, необходимые для удержания смазки 2, и обертываются листовым асбестом 4, после чего устанавливаются в контейнер 5, накрываемый сверху и снизу полированными бойками 1 и 6. Используются специальные твёрдые и жаропрочные сплавы.

Рис. 4 Контейнер (пакет) с образцом для нагрева

Смазка 2 подбирается для уменьшения кривизны (бочкообразования) боковой поверхности образцов при осадке. Благодаря применению и подбору эффективных смазок, состав которых варьируется в зависимости от температуры испытания, бочкообразование при осадке отсутствует или весьма незначительно, что позволяет считать, что напряженное состояние в объеме образца приближено к состоянию при одноосном сжатии.

Скорость деформации о образца в процессе осадки, как правило, должна обеспечиваться постоянной для повышения точности экспериментов. Она зависит от профиля установленного в данном опыте кулачка hос(ц), скорости вращения кулачкового вала щ, выбора высоты испытуемого образца h_о и его расположения относительно оси вращения кулачка перед началом осадки ц_о, а также - от кинематических и энергосиловых параметров механизма (траекторий движения деталей, упругих изменений размеров зоны деформации и т.п.).

При предположении, что силовой механизм имеет бесконечную жёсткость, а движение от кулачка передаётся к ползуну строго по оси образца, можно записать условие постоянной скорости деформации при одноосной осадке образца высотой в пределах угла поворота кулачка:

поэтому =.

Поворот кулачка приводит к осадке образца на величину , причём: , поэтому:

; .

Аналитическая зависимость определяет профиль кулачка от ц_о=0.

Таким образом при фиксированной скорости вращения вала с кулачком для постоянной скорости деформации, требуется экспоненциальный профиль кулачка и фиксированное положение опоры образца. Высота кулачка определяется максимальной величиной осадки при ц=ц_к (причём ), что и определяет наибольшую начальную высоту образца (). При необходимости уменьшить величину осадки требуется уменьшить , не меняя положение опоры образца. Конечная высота образца должна быть постоянной.

Для условий работы с образцами при постоянной начальной высоте уменьшение величины осадки h_{0ck1 ?} h_0ck относительно максимальной возможно смещением опоры образца на соответствующую величину, увеличивая и уменьшая (ц_k - ц₀₁) (ц₀₁? ц₀), но для поддержания постоянной скорости деформации требуется изменение скорости вращения кулачка :

Таким образом, при экспоненциальной форме кулачка (в цилиндрических координатах) можно выполнить многократную осадку образцов с одним кулачком, оперативно перестраивая пластометр и скорость его привода, а также разную осадку образцов с одинаковой при постоянной скорости деформации.

Практика работы на пластометре с учётом реальных условий свиде-тельствует о допустимости вариации требований для многих видов испытаний.

Анализ показал, что для каждого кулачка имеют место оптимальные размеры образцов при постоянной скорости привода щ, в процессе осадки которых скорость деформации практически не изменяется по крайней мере до степени деформации 50 - 70%. Итоги расчётов осадки образцов с применением одного кулачка (№1) приведены на рис. 5. Скорости деформации рассчитаны для случая вращения кулачкового вала со скоростью 1 град/с.

Рис. 5 Изменение скорости деформации по ходу осадки образцов с различной (мм, цифры у кривых) и степенью осадки (в рамках)

Как видно из рис.5, скорость деформации практически неизменна при осадке образцов высотой 14 - 20 мм. Образцы такой высоты применялись многократно при установке кулачка №1 на пластометре.

Совместно со стандартными пакетами программ для обработки данных введена разработанная дополнительная программа для автоматического построения кривых упрочнения. Значения сопротивления деформации рассчитаны по формуле:

где - измеренная сила, - расчётная площадь поперечного сечения.

Известно, что профиль кулачка таков, чтобы скорость деформации образца была постоянной. Считаем, что уменьшение длины осаживаемого образца происходит пропорционально сечению.

С учетом закона постоянства объема, расчётная площадь поперечного сечения образца при одноосной осадке определяется:

,

где - начальный диаметр образца, - начальная высота образца, - перемещение ползуна (величина осадки).

Рассчитанное значение F можно сравнить с фактическим значением сечения образца после осадки, оценивая степень бочкообразования. Как показал опыт испытаний на пластометре, это дает приемлемые результаты.

Используемые программные комплексы сбора данных GeniDAQ и WinDAQ осуществляют вывод результатов измерений в формате Microsoft Excel. Поэтому вышеуказанная программа пересчета результатов измерений в координаты "сопротивление деформации - степень деформации" написана на языке Object Pascal (использовался транслятор Delphi 7) и взаимодействует с MS Excel с помощью набора библиотечных функций OLE Automation. Примером расчета являются графики на рис.3.

С применением представленной выше методики проведено большое число испытаний сталей и сплавов различных составов в интервале температур холодной и теплой деформации (от 20 до 600^оС) [2,4].

В качестве примера на рис.6 представлены кривые упрочнения углеродистой стали 45 при комнатной температуре и различных скоростях деформации.

Рис. 6 Кривые упрочнения стали 45 при комнатной температуре и : 1- 0,1 с^-1; 2 - 1,0 с^-1; 3 - 30 с^-1; е -деформация при осадке (е = ln h/h_o)

Как следует из рисунка, с повышением скорости деформации сталь упрочняется интенсивнее на первом этапе осадки, однако максимальное значение у_s от скорости деформации практически не зависит.

Представляют интерес данные по сопротивлению деформации стали 20 (рис. 7) в интервале температур 20 - 600^оС при различных скоростях деформации

Рис. 7 Максимальные значения у_s стали 20 в зависимости от температуры (T) и скорости деформации (цифры у кривых) при осадке на 50%

Все кривые имеют максимум, который смещается в сторону более высоких температур с повышением скорости деформации. Сопротивление деформации практически мало меняется в интервале 20 - 400^оС и заметно снижается только с повышением температуры до 500 - 600^оС.

Накопление базы данных по сопротивлению деформации различных металлов и сплавов в указанном интервале температур является актуальным особенно в последнее время в связи с разработкой и освоением новых процессов интенсивной пластической деформации с целью получения субмелкокристаллической и нанокристаллической структуры деформируемых материалов. Согласно [3] для получения таких структур необходима значительная деформация при температурах близких или не превышающих температуру рекристаллизации металлов и сплавов. Как уже отмечалось, данные о сопротивлении деформации и уровне пластичности характеризуют в целом деформируемость металлов и сплавов, позволяют определить термомеханические режимы и энергосиловые параметры процессов обработки давлением, а в ряде случаев оценить возможность практической реализации таких процессов.

Выводы

растяжение сжатие пластомер испытание

1. Модернизация кулачкового пластометра, создание на его основе автоматизированного пластометрического комплекса, а также использование усовершенствованной методики испытаний позволяют получать более достоверные данные по сопротивлению деформации различных сталей, сплавов и новых материалов в широком интервале степени (до 80%), скорости (от 0,01 с^-1 до 100 с^-1) и температуры (от 20 ^оС до 1250^оС) деформации.

2. Применение компьютерной техники для записи и обработки параметров деформирования также повышает надежность и достоверность экспериментальных данных, обеспечивает возможность хранения их в электронном виде и накопления базы данных по реологическим свойствам испытываемых металлов и сплавов.

3. Проведенный обширный объем экспериментальных исследований по определению сопротивления деформации различных сталей и сплавов в интервале температур холодной, теплой и горячей деформации показал возможности универсального использования пластометрического комплекса.

Литература

1. Мазунин В.П., Двойников Д.А. Особенности анализа переходных процессов в оптимизированных по быстродействию нелинейных системах управления электроприводами// Электротехника, 2006. №7. С. 2-7.

2. Мазунин В.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, 2003г. С. 312-323.

3. 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.

4. Потапов А.И., Двойников Д.А., Мазунин В.П., Коковихин Е.А. Пластометр кулачкового типа. Методика и некоторые результаты исследований сопротивления деформации. Ресурс и диагностика материалов и конструкций. Доклад на IV Российской научно-технической конференции. (электронная версия).

Размещено на Allbest.ru