Экспериментальные исследования процесса осадки

Средний по высоте цилиндрический образец составим из двух половинок. На одной из них на внутренней поверхности нанесем координатную сетку (рис. 2.8, а). После деформации сетка примет вид, как показано на рис. 2.8, б (сверху). По ее искажению будем судить об интенсивности деформации в различных частях образца. В приконтактных слоях, а также в слоях, прилегающих к боковой поверхности, деформация минимальна, здесь сетка искажается мало. Наибольшей деформации подвергаются участки металла, расположенные в виде креста по диагоналям сечения. На рис. 2.8, б заштрихована зона больших пластических деформаций. Особенно велика интенсивность деформации в центральных слоях.

На высоком образце (рис. 2.8, в) искажение координатной сетки показывает, что пластическая деформация незначительна на самой контактной поверхности и в центральных слоях. Интенсивная деформация сосредоточивается в зоне, расположенной на некотором удалении от приконтактных участков.

Неравномерность деформации при осадке и явление бочкообразования нежелательны с многих позиций. Они ведут к неравномерной структуре металла и, следовательно, к неравномерному распределению свойств металла по объему. Возникают остаточные напряжения по объему. При осадке литого образца в зонах затрудненной деформации могут сохраниться участки с непроработанной литой структурой, имеющей пониженные механические свойства.

Неравномерность деформации при осадке приводит к разной пластичности металла по объему. Непосредственно под бойком расположены участки, находящиеся в условиях трехстороннего сжатия, поэтому появление трещин здесь маловероятно. Боковая поверхность среднего цилиндрического образца находится в состоянии растяжения в тангенциальном направлении (по касательной к окружностям, образующим боковую поверхность). Здесь пластичность металла понижена. Именно в этих местах появляются первые трещины при осадке металла (рис. 2.9). Таким образом, испытание металла на осадку не является испытанием в условиях сжимающих нагрузок, как было задумано. Разрушение осаживаемых образцов происходит в условиях значительных растягивающих напряжений.

Рис. 2.9. Трещины на поверхности образцов при осадке

Рис. 2.8. Характер деформации средних и высоких образцов: а — координатная сетка до деформации; б — изменение координатной сетки и зоны развитой деформации после осадки средних образцов; в — зоны развитой деформации после осадки высоких

образцов

Оценка пластичности металла по той степени деформации, при которой появляется первая трещина на боковой поверхности осаживаемого среднего образца, широко используется как технологическая проба. Она дает некоторую количественную оценку пластичности металла во многих реальных технологических процессах.

Если металл имеет высокую пластичность, то трещины не появляются даже при больших обжатиях. В этих случаях необходимо увеличивать долю растягивающих напряжений, применяя для осадки крешеры, т. е. цилиндрические образцы, имеющие на боковой поверхности продольные надрезы (рис. 2.10, вид сбоку и сверху). Надрезы являются концентраторами растягивающих напряжений, пластичность металла на боковой поверхности уменьшается. Крешеры разрушаются по надрезам при меньших обжатиях, чем гладкие образцы.

Рис. 2.10. Крешеры (цилиндрические образцы с боковыми надрезами)

В реальных технологических процессах трещины появляются раньше всего именно на боковой поверхности. Чтобы повысить пластичность металла в этой области, предлагается много различных приемов, прежде всего описанные выше способы снижения неравномерности деформации — буртики, выточки, соответствующая форма бойков. Для трудноде- формируемых сплавов широко распространено осаживание в обойме. Обойма — наружное кольцо вокруг образца — создает дополнительные сжимающие напряжения по боковой поверхности. При горячей деформации обойма также предотвращает основной металл от окисления при нагреве и деформации, способствует сохранению постоянной температуры металла.

При ковке крупных цилиндрических заготовок по схеме, представленной на рис. 2.4, наряду с центральными трещинами, очень опасны трещины, возникающие на боковой поверхности. Фасонные бойки, описанные выше (см. рис. 2.6), создают дополнительные сжимающие напряжения и снижают растягивающие напряжения не только в центральных слоях, но и на боковой поверхности, повышая пластичность металла.

Рис. 2.11. Зоны контактных напряжений при осадке

Е.П. Унксову (1955) впервые удалось экспериментально изучить характер распределения сил трения на поверхности образцов при осадке. Для этого он (совместно с В.М. Заварцевой) применил бойки из оптически активного материала, в котором по характеру высвечиваемых в поляризованном свете полос можно рассчитывать нормальные и касательные контактные напряжения. В зоне контакта авторы выделили три участка (рис. 2.11, вид сверху), определяющиеся степенью развития сил трения. На периферийном участке / имеет место скольжение металла относительно бойков. Здесь контактные касательные напряжения изменяются по закону Кулона, т. е. пропорционально нормальному напряжению: Т_к = |io_v. Нормальное напряжение возрастает от периферии к центру по экспоненциальному закону. Эту зону Е.П. Унксов назвал зоной скольжения. Центральная часть образца называется зоной прилипания. Диаметр ее примерно равен двойной высоте образца. Она состоит из двух участков. Вблизи центральной точки имеется участок III, диаметр которого примерно равен высоте образца, на котором перемещение металла относительно инструмента практически полностью отсутствует (но имеют место не только упругие, но и пластические деформации). Этот участок зоны прилипания выделяют в самостоятельную зону застоя. В зоне застоя касательные напряжения снижаются по линейному закону и в центре образца равны 0: ?, где г — радиус участка застоя. Нормальные напряжения в центре образца максимальны.

Остальная часть зоны прилипания называется участком торможения (зона II). Здесь перемещения металла относительно инструмента значительно заторможены. Металл находится в пластическом состоянии, контактные силы трения достигают своего предельного значения , а нормальные напряже

Рис. 2.12. Эпюра контактных напряжений при осадке (а) и векторная диаграмма контактных сил трения (б)

ния продолжают нарастать по направлению к центру.

В зоне прилипания металл практически не перемещается относительно бойков, и силы трения имеют другую природу, чем в зоне скольжения. В зонах скольжения имеет место трение движения, а в зоне прилипания — трение покоя.

На рис 2.12, а приведены эпюры распределения касательных и нормальных напряжений на поверхности контакта, полученные экспериментально. Расположение сил трения т выше и ниже нулевой оси вызвано тем, что на контактной площадке они направлены к центральной точке, меняя знак в центре (рис. 2.12, б). Силы трения создают сжимающие напряжения в ириконтактных слоях.

Было установлено, что при осадке образца, имеющего диаметр меньше половины высоты (Я/И < 0,25), зона скольжения отсутствует, и всю контактную площадку занимает зона прилипания (рис. 2.13, а). Такой образец называется высоким. Напомним, что на высоком очаге деформации неравномерность деформации обусловлена непроникновением пластической деформации от действия бойков на всю высоту образца.

Наоборот, при малых высотах образца, когда радиус значительно больше высоты (примерно при Я/И > 4), зона прилипания практически вырождается, и по всей контактной площадке господствуют зоны скольжения. Такие образцы относятся к разряду низких. На низких образцах напряжения на контактной

Рис. 2.13. Эпюры касательных и нормальных контактных напряжений на высоком (а) и низком (б) очагах деформации площадке и в других сечениях по высоте практически одинаковы (рис. 2.13, б). Можно принять гипотезу плоских сечений, согласно которой напряжения и деформации по высоте неизменны, и квадратная сетка до деформации остается прямоугольной и после деформации (рис. 2.14).

На средних образцах, располагающихся примерно в интервале 4 > Я/И > 1/4, деформация распространяется на всю высоту (см. рис. 2.12). В центральных слоях она протекает более интенсивно, чем в приконтактных. Неравномерность деформаций по высоте не позволяет использовать гипотезу плоских сечений. Неравномерность определяется полностью законом распределения контактных сил трения. При этом на контактной площадке развиты обе зоны — скольжения и прилипания.

Рис. 2.14. Координатная сетка после деформации на низких образцах (а) и эгноры напряжений (б)

Следует подчеркнуть, что в основе разделения образцов на высокие, средние и низкие лежит не их геометрические размеры, не отношение Я/И, а характер деформации и влияния сил трения на деформацию. Геометрически точной границы разделения высоких, средних и низких образцов не существует, и приведенные выше значения Я/И являются условными. Некоторые исследования показывают, что в интервале 1/4 < Я/И < 1 еще велика роль неравномерности деформации от действия бойков, а при Я/И > 2 не всегда можно пренебрегать зонами прилипания. Резко меняются эти соотношения с повышением температуры. Необходимо учесть также, что в процессе осадки происходит смена очагов деформации. Так, в начальный момент осадки возможен высокий образец, а по мере уменьшения высоты он переходит в разряд средних, а затем и низких.

Рис. 2.15. Характер затухания зон прилипания по высоте

Рассмотренная выше картина распределения сил трения на среднем образце наблюдается в тонком приконтактном слое металла. По мере заглубления внутрь металла протяженность зоны прилипания, точнее, зоны затрудненной деформации уменьшается (рис. 2.15). Эта зона имеет вид конуса с вершиной на оси образца и основанием на контактной площадке. В центральных слоях зона прилипания вырождается.

Чтобы понять характер пластической деформации в зоне прилипания, лучше всего рассмотреть элементарный кубик на вертикальной оси образца. Понятно, что он не может перемещаться относительно инструмента, но его высотная и радиальная деформации могут быть весьма значительными. Здесь протекает не только упругая, но и пластическая деформация разной интенсивности, хотя перемещение металла относительно инструмента незначительно.

Имеются исследования, несколько иначе представляющие картину течения металла при осадке. Их авторы считают, что при начальной осадке зона прилипания всегда простирается на всю контактную площадь. В этой зоне имеет место максимальное значение трения покоя. Вглубь сечения зона прилипания простирается в виде конуса, деформации в котором могут быть только упругими. Этот конус является своеобразным продолжением инструмента, внедряемого в деформируемые объемы металла. По мере уменьшения высоты образца увеличивается диаметр контактной площадки, и примерно при их равенстве зона прилипания перестает увеличиваться. Дальнейшее увеличение площади контакта происходит за счет выхода боковой поверхности образца в зону контакта. Эти объемы металла скользят относительно поверхности инструмента, создавая зоны скольжения. В зоне скольжения действует трение движения, имеющее меньшее значение, чем трение покоя.

В целом такая точка зрения имеет право на существование, с ее помощью удается объяснить многие вопросы деформации образца при осадке. Однако более глубокие исследования, вскрывающие механизм пластической деформации в зонах скольжения и прилипания, опровергают основные положения приведенных представлений.

Современная точка зрения, которая закрепилась в последних работах по теории ОМД, прежде всего в трудах А.П. Грудева [4], основана на фундаментальном законе природы, в соответствии с которым деформация при осадке должна подчиняться условию минимума суммарной энергии, расходуемой на поверхности контакта и в объеме образца. Когда металлу скользить по контактной поверхности энергетически выгоднее, чем деформироваться в центральных объемах, на контактной площадке реализуется закон трения Кулона. С увеличением нормального давления о напряжение трения т_к возрастает, и скольжение по поверхности требует больших затрат энергии. При предельном значении напряжений трения т_к= К/2 энергетически выгоднее приостановить скольжение на контактной поверхности, образовав зону прилипания, и переместить деформацию в более глубокие слои образца. При этом меняется механизм деформации металла. Нормальное напряжение в зоне прилипания также растет, но при наличии скольжения оно росло бы быстрее. На поддержание скольжения по контакту потребовалось бы больше энергии, чем на деформацию глубинных слоев при наличии зоны прилипания на контакте. Отсюда следует, что переход от зоны скольжения к зоне прилипания, а также соотношение между этими зонами определяются не геометрическим параметром /?//?, а затратами энергии на контактную и объемную деформацию.