СЖАТИЕ ОБРАЗЦА

Общие положения

Сжатие цилиндрического образца исходной высотой И₀ и диаметром г/₍₎ (площадью поперечного сечения Р₀) между параллельными плитами (рис. 2.1, о) следует рассмотреть подробно по многим причинам. Во-первых, сжатие используется как самостоятельная операция при испытании металлов. Во-вторых, такие технологические процессы, как ковка, прокатка и др., в основе своей являются разновидностями процесса сжатия.

При испытании металлов сжатие цилиндрических образцов используется главным образом для оценки пластичности металла. Испытание на растяжение образца дает представление о пластичности в условиях одноосного растяжения, а осадка — при сжимающих нагрузках.

Так же как и на разрывной машине, диаграмма сжатия образца на испытательном прессе записывается в координатах Р—АН, где Д/г = /г₀ — /г — изменение высоты образца от исходного значения /г₀ до текущего И (рис 2.1,6). Машинную диаграмму перестраивают в условную диаграмму, представляющую собой зависимость условного напряжения от обжатия . Причем, как и при

растяжении, из общей деформации исключают упругую составляющую. Напряжение правильнее определять путем деления усилия на фактическую текущую площадь Р, а обжатие следует относить к текущей высоте образца /?, несмотря на то что они в процессе осадки изменяются и потому трудноопределимы. В расчетах используется истинная диаграмма сжатия, построенная

в координатах и (рис. 2.1, ?г).

Типовая (условная и истинная) диаграмма сжатия имеет три участка: до точки а протекает упругая деформация, далее при пластической деформации вначале сравнительно медленно, а в конце круто кривая идет вверх, показы-

Рис. 2.1. Осадка цилиндрического образца (а) и диаграммы осадки (б и в)

вая изменение наклепа металла в условиях сжатия. Перегиб в точке Ь объясняется особенностями распределения сил трения на контакте, о которых речь пойдет ниже. В точке с происходит разрушение металла, и по величине пластической деформации до разрушения судят о запасе пластичности металла. Если металл пластичен, то точка с может быть не достигнута.

Следует заметить, что истинную диаграмму необходимо строить при равномерных по высоте напряжениях сжатия. При равномерной осадке боковая поверхность образца увеличивается во всех точках по высоте одинаково, и образец остается цилиндрическим вплоть до разрушения. Такие условия обеспечиваются только при отсутствии трения на поверхности контакта металла с инструментом (бойком). При наличии трения поверхностные и центральные слои деформируются неодинаково, диаметр образца по высоте различен, деформация и напряжения распределяются по высоте неравномерно, образец приобретает форму бочки, поэтому оценивать пластичность в таких условиях, строго говоря, неправомерно, хотя приходится это делать.

Применяют несколько способов приближения условий осадки образца к равномерным. Например, на верхней и нижней поверхностях образца делают буртики и до краев заливают в них масло (рис. 2.2, а). Условия трения при осадке будут приближены к режиму гидродинамического трения, коэффициент трения будет резко снижен. Примерно та же идея лежит в основе применения цилиндрических образцов, имеющих на торцевых поверхностях много неглубоких торцевых выточек в виде концентрических канавок, заполняемых при осадке смазкой (рис. 2.2, б, вид сверху). В.П. Северденко осаживал образцы в условиях ультразвуковых колебаний, резко снижающих коэффициент трения. Во всех приведенных случаях поверхность бойка должна быть полированной. Есть приемы, позволяющие компенсировать силы трения на контакте некоторыми дополнительными внешними силами, например при осадке в наклонных бойках (рис. 2.2, в). Надо подобрать угол наклона бойка гак, чтобы тангенс этого угла был равен коэффициенту трения. Естественно, торцевые поверхности исходного образца должны быть расточены под тем же углом.

При наличии трения на контакте различают высокие, средние и низкие образцы. Высокие образцы характеризуются тем, что пластическая деформация сосредоточивается вблизи бойков, не проникая в центральные слои. Непосредственно на поверхности контакта металл “прилипает” к бойку и испытывает незначительные пластические или упругие деформации. Непосредственно под этим тонким слоем располагаются приповерхностные слои, в которых металл интенсивно растекается по периферии, увеличивая диаметр образца. Далее по

Рис. 2.2. Методы повышения равномерности деформации при осадке образцов высоте образца деформация быстро затухает, и на какой-то глубине непосредственное воздействие со стороны бойков прекращается. Центральные слои металла либо находятся в упругом состоянии, либо пластически деформируются, но не непосредственно бойками, а за счет взаимодействия с активно деформируемыми приповерхностными объемами. Боковая поверхность образца приобретает вид двойной бочки (рис. 2.3). Такой характер деформации имеет место на образцах, высота которых более чем в два раза превышает диаметр.

Следует подчеркнуть, что деформация высокого образца полностью характеризуется неравномерностью распределения ее по высоте. Силы трения оказывают влияние на характер деформации только вблизи поверхности контакта, и деформация основной массы металла не будет зависеть от численного значения этих сил. В реальном технологическом процессе высокий очаг деформации встречается, например, при ковке крупных заготовок, валов турбин, прокатных валков и т. п.

На рис. 2.4 приведена схема поперечной ковки крупного вала. Поскольку деформация мала, то зона пластических деформаций сосредоточивается вблизи контактных поверхностей. Назовем ее зоной активной деформации, поскольку она осуществляется непосредственно бойками. Глубже активных расположены пассивные зоны, которые под действием нагрузки должны находиться в упругом состоянии, но за счет взаимодействия с активными зонами деформируются пластически. Активные зоны, деформируясь в продольном и поперечном направлении, принудительно тянут за собой металл пассивных зон. В пассивных зонах возникают дополнительные напряжения со схемой трехстороннего растяжения (по мнению некоторых авторов, двухстороннего растяжения, поскольку вертикальное напряжение остается сжимающим). Элементарный кубик, выделенный на оси вала, будет находиться под действием значительных растягивающих напряжений по трем (или по двум) осям (рис. 2.5). Пластичность металла при растягивающих напряжениях резко падает, и в центре вала образуется трещина или полость. Если ковать вал с малыми обжатиями, поворачивая на небольшой угол после каждого обжатия, то внутри вала могут появиться трещины.

Чтобы увеличить глубину проникновения деформаций, необходимы большие обжатия. Полезно использовать фасонные бойки (рис. 2.6), которые создают дополнительные сжимающие напряжения и способствуют проникновению активных деформаций в глубину сечения. Широко применяют также так называемую ковку с подстуживанием. После нагрева слиток выдерживают длительное

Рис. 2.3. Высокий образец после осадки

Рис. 2.4. Ковка крупных слитков

Рис. 2.5. Схема напряжений в центре вала при ковке время на воздухе и начинают ковать тогда, когда поверхность его значительно остынет. При ковке такого “холодного” слитка поверхностные слои имеют более высокое сопротивление деформации и пластическая деформация перемещается в горячие внутренние слои.

Рис. 2.6. Ковка вала в фасонных бойках

Рис. 2.7. Форма среднего образца

Следует заметить, что при неравномерной деформации всегда присутствуют дополнительные напряжения по объему металла. Интенсивно деформируемые объемы воздействуют на менее деформируемые, создавая в последних растягивающие напряжения, что вызывает снижение пластичности и образование трещин. Дополнительные напряжения нежелательны, поэтому в процессах ОМД стремятся создавать условия, приближающие деформацию к равномерной.

Вернемся к осадке цилиндрического образца в торцевом направлении (см. рис. 2.1). При дальнейшей осадке высокого образца высота его уменьшается, и он переходит в разряд средних, которые характеризуются тем, что активная деформация от воздействия бойков проникает на всю толщину образца. Образцы, диаметр которых больше их толщины, оказываются в условиях полного проникновения деформации на всю глубину. На средних образцах неравномерность деформации по высоте полностью определяется силами трения на контакте. На поверхности контакта деформация сдерживается силами трения, а в цен тральных слоях влияние сил трения ослабевает, и деформация более развита. После осадки образец примет вид одинарной бочки (рис. 2.7). На низких образцах, у которых толщина меньше 1/8 диаметра, поверхностные силы трения воздействуют практически одинаково на всю глубину образца, деформация на поверхности и в центральных слоях выравнивается, бочкообразование почти не наблюдается.