Деформации при растяжении при прокатке
З.1 Показатели деформации при прокатке
Существует несколько технологических схем прокатки. Вначале остановимся на простейшей из них — продольной прокатке в двух цилиндрических валках одинакового диаметра О (рис. 3.1). Прямоугольный образец высотой, шириной и длиной соответственно А0, Ь0, /0 после прокатки приобретает размеры /г,, Разность высот Д/г = /г0 — А, называется абсолютным обжатием, разность ширин ДА — А, — А0 — абсолютным уширением и разность длин А/ = /, — /0 — абсолютным удлинением. Зона воздействия валков на металл называется очагом деформации. Различают геометрический очаг деформации, находящийся между двумя дугами контакта АВ и двумя плоскостями — входа и выхода металла из валков (на рис. 3.1 заштрихован), и фактический очаг деформации, в котором металл находится в пластическом состоянии. Фактический очаг больше геометрического, так как напряжения в некоторых частях металла до плоскости входа и после плоскости выхода также превышают предел текучести металла. Точные границы фактического очага описать практически невозможно. За его пределами находятся зоны, в которых действуют только упругие деформации. Академик А.И. Целиков предлагает включить упругие зоны также в состав фактического очага деформации и называет пластическую и упругую зоны за пределами геометрического очага деформации внешними зонами очага деформации. По терминологии И.М. Павлова все, что находится за пределами фактического очага деформации, т. е. зоны с упругими деформациями, — это “жесткие концы”. Он впервые показал, что “жесткие концы” оказывают существенное влияние на характер деформации металла в самом очаге деформации.
Рис. 3.1. Очаг деформации при продольной прокатке
Дуга контакта АВ называется дугой захвата. Соответственно центральный угол, опирающийся на дугу захвата, называется углом захвата а.
Из рисунка следует, что СВ — Ah/2 — D/1 — — (D/2) cosa, откуда
Так как l-cosa = 2sin2(a/2) и при небольших углах захвата (до 15°) sin a = a, то
где Я = D/2 — радиус валка.
Длина дуги захвата / = АВ и ее горизонтальная проекция при реальных углах захвата мало отличаются по размерам. Поскольку / = Яа, то можно записать основную формулу для расчета длины дуги захвата в виде
Для характеристики деформации при прокатке используются три группы показателей:
относительные обжатие, уширение и удлинение:
коэффициенты высотной деформации, уширения и вытяжки:
логарифмические показатели: высотной деформации:
уширения:
вытяжки:
Для характеристики уширения применяется также показатель уширения:
Если логарифмы разложить в ряд и отбросить все члены, начиная с третьего, как малые, что справедливо при обжатиях АИ/И0
Из условия постоянства объема
получаем
Если каждый член последнего равенства умножим на объем Vпрокатываемого образца, то, как и при осадке, получим смещенные объемы металла:
Смещенный по высоте металл распределяется в поперечном и продольном направлениях, наращивая ширину и длину образца. На рис. 3.2, а приведен вид с торца прямоугольного образца до и после деформации, на котором показаны высотная Р1) и поперечная Рь смещенные площади. Если их умножить на длину /, получатся смещенные объемы Уи и Уь. При переменной высоте образца, например при прокатке прямоугольной полосы в овальном калибре (для получения овальной полосы — рис. 3.2, б), смещенные площади (и смещенные объемы) нагляднее и полнее, чем относительные или логарифмические показатели, характеризуют деформацию металла.
Доля от смещенного по высоте объема металла, идущая на уширение,
Рис. 3.2. Смещенные объемы по высоте и ширине при прокатке гладкой (а) и фасонной (б) полосы будет характеристикой уширения металла. Показатель уширения А изменяется в пределах 0 А 1. При А —0 уширение отсутствует, очаг деформации становится плоским, гак как металл деформируется только в направлении прокатки. При А — 1, наоборот, удлинение отсутствует, и весь металл устремляется в ширину, хотя такой случай при прокатке невозможен.
Доля металла, смещаемая в направлении длины, будет характеризоваться показателем (1 — А).
Чаще всего при прокатке прямоугольных образцов на гладкой бочке в качестве характеристики высотной деформации используют показатели е = Д/г//?0
и е = 1п(/г0//г1), а для уширения — показатель А и отношение
. Для оценки
деформации удлинения часто применяют показатель вытяжки X или 1пА,.
В число характеристик деформации входит скорость деформации. Скорость деформации может быть определена в любом направлении, но при прокатке под скоростью деформации и подразумевают ее значение по высоте образца. Скоростью деформации называется изменение степени высотной деформации в единицу времени:
Ее размерность — 1/с.
При растяжении образца на разрывной машине, а так как
—
скорость перемещения захватов машины (м/с), то
Здесь /— величина переменная, изменяющаяся от /0 до /,. Средняя скорость деформации получается при /= 0,5(/0 + /,). Скорость деформации при растяжении образца почти постоянна при постоянной скорости захватов С.
При прокатке степень высотной деформации
переменна по длине
Рис. 3.3. Изменение степени и скорости деформации при прокатке
очага деформации (рис. 3.3), поэтому по такому же закону будет изменяться скорость деформации и. Как видно, в геометрическом очаге скорость деформации уменьшается от максимального значения до 0. Конечно, до начала геометрического очага должен существовать узкий участок, на котором степень и скорость деформации должны быстро возрастать от 0 (в зоне упругих деформаций) до масимума в сечении входа в очаг деформации.
Поскольку скорости деформации изменяются по-разному, результаты испытания металла на разрывной машине с постоянной скоростью растяжения нельзя использовать для определения сопротивления деформации при прокатке. Необходимо иметь машину (пластометр), на которой скорость деформации С во времени изменяется по требуемому закону. Современные разрывные машины выпускаются с электронным блоком для регулировки скорости растяжения.
Средняя скорость деформации за период прохождения металлом всего очага деформации при прокатке
Переменную высоту можно усреднить:
Производная
представляет собой линейную скорость обжатия, т. е. скорость С/; перемещения валков по высоте. Она переменна по очагу деформации, но ее можно усреднить, приняв равной значению, соответствующему середине дуги захвата (при угле а/2). Тогда
Скорость СА выразим через окружную скорость валков С:
Так как длина дуги захвата / = Яа, то получим формулу
Подставив в нее
получим окончательно формулу Целико-
ва, широко применяемую для расчета средней скорости деформации при прокатке:
Можно усреднить скорость деформации иначе. Запишем исходное выражение для скорости деформации в следующем виде:
Суммарная деформация
и суммарное время прохождения металла через очаг деформации
. Подставив эти выражения в исходную формулу, получим среднюю скорость деформации в виде той же формулы Целикова, в которой по-иному вычисляется степень деформации г. В первом случае
, во втором
, Можно встретить формулу Целикова, в которой
. При малых деформациях (при а
одинаковый результат и считаются равнозначными. При больших обжатиях
Источник
В первом случае (схема DI) металл поступает в одном направлении, а уходит в двух направлениях. Во втором случае (схема DII) металл поступает в одном направлении, а уходит в другом. В третьем случае (схема DIII) металл поступает по двум направлениям, а уходит в одном направлении.
Все эти три схемы взаимосвязаны и при этом возможен переход от одной схемы к другой в процессе деформации.
Примером использования схемы DI может служить прокатка узкой полосы, прокатка же широкой полосы проходит по схеме DII. Примером использования схемы DIII является волочение — протягивание прутка через фильеру. Для анализа процессов обработки давлением введено понятие механических схем деформации. Механической схемой деформации данного процесса называют совокупность схемы главных напряжений и схемы главных деформаций (рис. 13).
Напряженное состояние характеризуется одной из девяти схем, а деформированное — одной из трех. Каждая линейная схема напряженного состояния может иметь только одну схему деформации. Так, линейная схема с напряжением растяжения имеет одну деформацию растяжения и две деформации сжатия, а линейная схема с напряжением сжатия имеет схему деформации с одной деформацией сжатия и с двумя деформациями растяжения. Каждая из четырех объемных и трех схем напряженного состояния может сочетаться со всеми тремя схемами деформации. Таким образом, число возможных механических схем деформации 2+(4 + 3)3 = 23.
Рассмотрим механические схемы некоторых процессов обработки металлов давлением.
При прессовании (выдавливании) металл находится в состоянии всестороннего сжатия (главные напряжения— сжимающие), схема напряженного состояния одноименная. В направлении оси контейнера происходит
растяжение, а в направлении двух других осей, перпендикулярных первой, деформации сжатия.
В случае волочения схема напряженного состояния разноименная. Здесь по оси прутка действует напряжение растяжения, по двум другим осям — напряжение сжатия. В данном случае схема деформации аналогична схеме деформации при прессовании. Если известны схема напряженного состояния и величина главных нормальных напряжений, то можно определить схему деформаций и, следовательно, механическую схему деформации. При обработке металлов давлением необходимо знать величину минимального усилия, которое необходимо для начала пластической деформации.
Рассмотрим пример, отвечающий линейной схеме напряженного состояния (Л2), т. е. растяжение цилиндрического образца под действием внешних сил. Напряжение в точке С, соответствующее от, как известно, отвечает началу проявления пластических свойств металла. В условиях линейной схемы напряженного состоянияпластическая деформация начинается, как только нормальное напряжение достигает предела текучести, т. е. при O1 = Oт.
В случае сложной схемы напряженного состояния, когда помимо O1 в деформируемом металле действуют и другие главные нормальные напряжения (O2, O3), переход металла в пластическое состояние определяется более сложно. Вопрос о величине напряжений, возникающих при пластической деформации, может быть разрешен только лишь при помощи теорий предельного состояния.
Существует четыре теории предельного состояния, которые называются условиями пластичности: теория наибольших нормальных напряжении, теория наибольших деформаций, теория максимальных касательных напряжений и энергетическая теория. Последние две теории получили экспериментальное подтверждение, и в настоящее время ими пользуются для описания условия начала пластической деформации. Согласно третьей теории пластическая деформация тела, находящегося в трехосном напряженном состоянии, начинается тогда, когда наибольшее из максимальных касательных напряжений достигает предельной величины, характерной для данного материала.
В условиях линейной схемы напряженного состояния в площадках, расположенных под углом 45° к направ
лению напряжения O1, обнаруживается максимальное значение касательного напряжения.
Условие пластичности по теории максимальных касательных напряжений можно сформулировать следующим образом. Пластическая деформация поликристаллического тела в случае трехосного напряженного состояния начинается тогда, когда наибольшее из максимальных касательных напряжений достигает определенного, характерного для данного материала в данном состоянии значения, численно равного половине от при простом растяжении.
В энергетической теории высказывается гипотеза о том, что пластическая деформация тела начинается тогда, когда удельная потенциальная энергия изменения формы идеально пластического тела (т. е. не обладающего упрочнением) достигает определенной в данных условиях величины, не зависящей от характера напряженного состояния.
При обработке металлов давлением могут быть различные условия напряженного и деформированного состояния. Если среднее главное напряжение равно одному из крайних, то пластическое состояние наступает, когда разность крайних главных нормальных напряжений будет равна от деформируемого металла
в данных условиях обработки. В данном случае энергетическое условие пластичности совпадает с условием постоянства максимальных касательных напряжений.
Среднее главное напряжение оказывает незначительное влияние на предельное состояние (не более чем на 15%).
Во всех случаях коэффициент т
Для различных технологических процессов обработки металлов, в том числе и для холодной прокатки, широко используются соответственные показатели пластичности, которые получают при различных методах определения пластичности металлов.
7. Условие постоянства объема. Смещенный объем. Закон наименьшего сопротивления
В результате пластической деформации объем деформируемого металла несколько изменяется: при горячей прокатке уменьшается, при холодной несколько увеличивается. Однако, как показывает опыт, объем тела в результате пластической деформации изменяется незначительно, и этим изменением объема можно пренебречь. Это облегчает расчеты, относящиеся к измене-
Автор: Администрация Общая оценка статьи: 
Опубликовано: 2011.08.03 Обновлено: 2020.03.04
Источник
скольжения зерно, которое до деформации имело округлую форму, постепенно вытягивается в направлении растягивающих сил.
Напряжение при линейном растяжении или сжатии, которое соответствует включению в пластическую деформацию преобладающего большинства зерен металла, является пределом текучести. Увеличение деформации выше значения, соответствующего пределу текучести, приводит к тому, что в поликристаллическом металле зерна получают вытянутую форму в направлении наиболее интенсивного течения металла. Определенная ориентировка вытянутых в результате пластической деформации зерен называется волокнистостью.
Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации оси зерен получают определенную преимущественную ориентировку вдоль деформации, т. е. некоторое однотипное расположение зерен в металле. Эта преимущественная ориентировка называется текстурой деформации. Появление текстуры наблюдается при деформациях около 50% (относительное изменение сечения к первоначальному) и достигает наибольшего совершенства с ростом деформации.
Текстура металлов, у которых зерна имеют одинаковую ориентировку, приводит к тому, что поликристаллический металл приобретает свойства, близкие к свойствам монокристалла. В этом случае поликристаллический металл становится анизотропным, т. е. имеет неодинаковые свойства в различных направлениях.
Описанные выше процессы внутрикристаллитной деформации являются основными. В определенных условиях появляется смещение зерен относительно друг друга, т. е. будет наблюдаться межзеренная деформация. Так как приграничные участки зерен имеют значительную неоднородность по составу и искажение кристаллической решетки, пластический сдвиг на этих участках требует повышенной величины сдвигающего напряжения по сравнению с напряжением при сдвиге атомов в самом зерне. Таким образом, вблизи границ зерен расположены зоны затрудненной деформации. Наряду с этим на границе зерен могут быть микропустоты, скопления примесей в форме легкоплавких примесей, которые ослабляют связь между зернами. Таким образом, металл вблизи границ может быть более прочным или менее прочным по сравнению с самим зерном.
Прочность границ зерен является необходимым ус-
ловием прочности поликристалла. В случае слабой связи между зернами прочность металла и его пластичность будут пониженными. Межкристаллитная деформация является нежелательной, так как даже небольшое развитие ее может привести к разрушению металла.
При пластической деформации поликристаллического металла изменяются его форма и размеры. Это изменение в той или иной мере связано с изменением формы отдельно взятого зерна. Поэтому при пластической деформации металл претерпевает структурные изменения, что ведет к изменению механических и других свойств металла. В деформируемом металле с увеличением степени деформации увеличиваются его прочностные характеристики. Явление изменения структуры и механических свойств металла в процессе пластической деформации называется наклепом или упрочнением. Явление упрочнения в настоящее время объясняет теория дислокаций. Упрочнение — это увеличение сопротивляемости сдвигу, которое вызывается накоплением (повышением плотности) дислокаций при пластической деформации. Продвижение дислокаций по кристаллу затрудняется в связи со скоплением их у препятствий. Такими препятствиями могут быть другие дислокации, точечные дефекты кристаллов, границы зерен и т. д. В результате плотность дислокаций значительно возрастает. Так, предельная плотность дислокаций в упрочненном металле составляет 1011—1012 на 1 см2 площади. Упрочнение вызывается также торможением дислокаций в связи с измельчением зерен, искажением решетки металла, возникновением напряжений. Особенно эффективными «барьерами» для дислокаций являются границы зерен.
В результате пластической деформации при низкой температуре металл не только упрочняется, изменяются также многие его свойства. Более интенсивно изменение свойств происходит в области малых деформаций. При больших деформациях свойства изменяются в меньшей степени.
На рис. 10 показан характер изменения свойств металла с увеличением степени пластической деформации. Кривая 1 характеризует изменение твердости НВ, временного сопротивления ов предела текучести от, растворимости в кислоте, электросопротивления и др. Кривая 2 характеризует удлинение б и уменьшение поперечного сечения при растяжении, ударную вязкость ак,
теплопроводность л, плотность d. В отношении механических свойств металлов следует отметить, что с увеличением степени пластической деформации характеристики прочности возрастают (1), а характеристики прочности убывают (2).
Появление наклепа при деформации позволяет в широких пределах регулировать конечные свойства металла изделий. Холодной пластической обработкой (прокаткой, волочением и др.) можно в 2—3 раза повысить ов и увеличить от. Например, для стали, содержащей 0,3% С, при степени деформации е = 70 % прочность а в увеличивается с 500 до 950 МПа.
Так как упрочнение заметно увеличивает сопротивление металла пластической деформации, то это ведет к повышению усилий, необходимых для деформирования. Одновременно с этим наклеп вызывает понижение пластических свойств металла, что приводит к возможности образования трещин, расслоений и других дефектов при дальнейшей деформации. Так, у той же стали с содержанием 0,3% С относительное удлинение 6, которое является одним из показателей пластических свойств, при степени деформации е = 70% снижается с 30 до 2%, т. е. в 15 раз.
4. Снятие наклепа и восстановление свойств металлов. Возврат и рекристаллизация
В наклепанном металле в результате пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки. Атомы в такой решетке стремятся к перестройке, приводящей к уменьшению ее искажений, т. е. стремятся к более устойчивому состоянию. При низких температурах подвижность атомов мала. С повышением температуры она увеличивается, начинают развиваться процессы, которые приводят металл к равновесному состоянию.
Различают следующие стадии процесса устранения наклепа при нагреве: отдых (возврат), первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки, соби-
рательная рекристаллизация или рост зерен, вторичная рекристаллизация.
Под отдыхом (возвратом) понимают частичное снятие напряжений и восстановление упруго искаженной кристаллической решетки путем перемещения атомов на небольшие расстояния при нагреве металла на относительно невысокие температуры (ниже температуры рекристаллизации; например, для железа до 100— 400 °С). При отдыхе заметных изменений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. В результате отдыха твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает. При нагреве до более высоких температур подвижность атомов заметно возрастает и проходят процессы рекристаллизации.
Рекристаллизацией называется процесс образования и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла выше определенной температуры (температуры начала рекристаллизации). Этот процесс протекает в две стадии. Различают рекристаллизацию первичную (обработки) и собирательную.
Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Зародыши новых зерен возникают у границ и, особенно, в местах пересечения границ зерен, у пачек скольжения и двойников. В местах, связанных с наибольшими искажениями решетки при наклепе, происходит перемещение атомов, восстановление решетки и возникновение зародышей новых равноосных зерен. Вначале процесс протекает медленно, происходит зарождение мелких зерен, которые растут и затем входят в непосредственное, соприкосновение друг с другом. Стадия первичной рекристаллизации длится до тех пор, пока новые неискаженные зерна не заполнят весь объем металла.
Собирательная рекристаллизация заключается в дальнейшем росте образовавшихся зерен. При этом одни зерна растут за счет других.
Процессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации. Результатом этого процесса может быть резкая неоднородность структуры по величине зерна.
Скорость рекристаллизации и характер конечной структуры зависят от многих факторов: степени предварительной деформации, температуры нагрева, скорос
Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.08.03 Обновлено: 2020.03.04
Источник