ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПРОДОЛЬНОЙ ПРОКАТКЕ
Средние очаги деформации
Средние очаги деформации реализуются примерно в интервале 1 < ///?ср < 4. Они характеризуются тем, что на поверхности контакта достаточно развиты зоны скольжения и зоны прилипания. Эпюры контактного трения и нормального давления имеют вид (рис. 4.1), аналогичный рассмотренным при осадке. Видно, что на участке АВ реализуется зона отставания, на участке С?> — зона опережения, а средняя часть дуги захвата занята зоной прилипания.
Многочисленные непосредственные измерения деформации металла на контактных поверхностях и в глубинных слоях очага деформации, проведенные разными исследователями, показали, что характер изменения деформаций и скоростей течения металла соответствуют кривым, приведенным на рис. 4.2. На контактной поверхности наблюдается постоянный участок, доказывающий существование зоны прилипания, в которой протекает затрудненная пластическая деформация металла. Такие исследования показали также, что пластическая деформация металла начинается задолго до плоскости входа и заканчивается дальше плоскости выхода.
Рис. 4.1. Эпюры касательных и нормальных контактных напряжений на среднем очаге деформации
По мере удаления от поверхностей контакта в середину сечения протяженность зоны прилипания ВСЕ быстро убывает (см. рис. 4.1). Эта зона может смещаться по дуге захвата под действием различных технологических факторов. Например, с увеличением толщины полосы и скорости прокатки, а также при использовании смазки зона прилипания смещаются к сечению выхода.
Если решить плоскую задачу в напряжениях по аналогии с приведенной выше задачей об осадке, то получим, что на участках скольжения давление р изменяется по экспоненте, в зоне торможения — прямолинейно и в зоне застоя — по параболе.
Рис. 4.2. Кривые нарастающих логарифмических коэффициентов относительного обжатия (медные и алюминиевые полосы сечением 20x80 мм, обжатие 21,5 %): в середине ширины контактного слоя (/), у боковой кромки этого слоя (2), в середине ширины среднего слоя по высоте полосы (5), у боковой поверхности этого слоя (4)
В зоне прилипания, объединяющей зоны торможения и застоя, как и при осадке, не происходит физическое схватывание частиц металла и валков, прилипание определяется кинематическими условиями течения металла относительно валков. Течение в форме скольжения здесь отсутствует, но деформация не упругая, а затрудненная пластическая. Экспериментально замечено, что в зоне прилипания происходит некоторое смещение металла относительно валков, однако фрикционные связи в значительной мере обнаруживают упругие свойства. В литературе такое смещение подробно описано и получило название “предварительное смещение”. Специальные исследования показали, что предварительные смещения находятся в пределах от тысячных долей до нескольких микрометров. С увеличением нормального давления это смещение увеличивается. Значение предварительного смещения определяют силы трения в зоне прилипания.
Для объяснения природы сил трения в зоне прилипания обратимся к известному в механике понятию о статических силах трения. Пусть тело А, прижатое к неподвижному телу нормальной силой N, испытывает действие сдвигающей силы <2 (рис. 4.3). Пока сила <2 мала, точнее, пока соблюдается неравенство 0 < ц А', скольжение тела А отсутствует. В этом случае тело А испытывает только стремление к сдвигу. Со стороны неподвижного тела на тело А действует статическая сила трения Т, которая уравновешивает силу (): Т = (?. Это трение покоя. Скольжение начнется тогда, когда сила (7 достигает значения ^N. Далее выполняется равенство <2 =цN. Начинается трение скольжения.
Все изложенное справедливо и для очага деформации при прокатке. В зонах скольжения (опережения и отставания) касательные контактные напряжения т = рс^., а в зоне прилипания т < рог, здесь выполняется условие т = К/2. В этом смысле напряжения трения в зоне прилипания не могут быть больше тех, которые реализовались бы, если бы было скольжение.
Рис. 4.3. К механизму развития сил трения
Силы трения в зоне прилипания — это статические силы трения. Они характеризуют стремление металла к сдвигу, но не являются следствием сдвигов. Кроме того, необходимо учитывать векторный характер сил трения. Рассмотрим направления действия сил трения при прокатке (см. рис. 3.7, б). Они направлены против движения частиц металла относительно валков. Это относится также к зоне прилипания, где скольжения нет, но имеются малые смещения. В любой точке контактной площадки вектор сил трения г имеет две составляющие и /г. связанные зависимостью 12 = /у +Гу. В нейтральном сечении продольная составляющая равна 0 (см. рис. 3.7, а), стремление к сдвигу в этом направлении отсутствует. По мере удаления от нейтрального сечения стремление к продольному сдвигу увеличивается, растут удельные силы трения. В пределе они достигают предельного значения т = К/2 и дальше увеличиваться не могут, зона застоя заканчивается, и начинается зона торможения.
В зонах застоя и торможения, которые вместе образуют зону прилипания, реализуются статические силы трения, а в зонах скольжения — зонах опережения и отставания — динамические силы трения, или силы трения скольжения. И только в зонах скольжения физической характеристикой трущихся поверхностей служит коэффициент трения ц.
В литературе встречаются неточные суждения о силах трения при прокатке. Приведенная эпюра контактных напряжений (см. рис. 4.1) дала основания некоторым авторам утверждать, что силы трения в зоне прилипания максимальны и больше, чем в зоне скольжения. Некоторые считают также, что в зоне прилипания металл действительно прилипает к валкам, происходит некоторое схватывание трущихся поверхностей. Однако мы уже отметили, что в зоне прилипания происходит не схватывание или приваривание поверхностей, а заторможенное скольжение. Указывалось также, что силы трения немаксимальны в зоне прилипания в том смысле, что были бы больше, если бы продолжалось скольжение. Прилипание отсутствовало бы, если бы металлу было энергетически выгодно скользить по поверхности валков. Правильнее считать, что в зонах прилипания напряжения трения предельные, а не максимальные. Металлу невыгодно реализовать максимальные силы трения в зоне прилипания, так как для этого потребовались бы силы трения ро > К/2. На деформацию в целом затрачивается меньше энергии, если реализуются предельные, но меньшие, чем при скольжении, напряжения трения, и деформация металла осуществляется не за счет скольжения по поверхности, а за счет иного механизма деформации — деформации внутренних слоев металла. Деформация металла может осуществляться либо путем скольжения по поверхности контакта, либо, когда контактное скольжение затруднено, в подконтактных слоях. Действительная картина течения определяется законом минимума расхода энергии, и если работа сил трения скольжения оказывается больше работы дополнительных внутренних сдвигов, то реализуется течение за счет дополнительных сдвигов внутри металла, а на поверхности контакта появляется зона прилипания.
При горячей деформации на средних очагах в средней части дуги захвата на контакте металлу энергетически выгодно образовать зону прилипания, зоны скольжения остаются в начале и в конце очага деформации. Внутренние слои металла, интенсивно деформируясь, увлекают за собой приконтактные слои и вынуждают образовывать на контакте некоторые площадки скольжения. Кстати, за счет такого воздействия со стороны внутренних слоев в приконгактных слоях образуются дополнительные продольные растягивающие напряжения, которые могут привести к возникновению трещин. Практически всегда мелкие поверхностные трещины, образовавшиеся на металле при разливке, в дальнейшем при горячей прокатке не залечиваются, а, наоборот, за счет растягивающих напряжений только увеличиваются и раскрываются в виде более крупных трещин. Необходимо уже на слитках или, в крайнем случае, на ранних стадиях горячей прокатки удалять поверхностные дефекты.
На средних очагах все факторы, затрудняющие поверхностное скольжение, облегчают внутренние сдвиги и способствуют увеличению зоны прилипания и сокращению зон скольжения.
В силу разной природы сил трения в зонах прилипания и скольжения силы трения в этих зонах по-разному зависят от технологических факторов прокатки. Так, в зоне прилипания силы трения не зависят от шероховатости поверхности, от условий смазки, от скорости металла и т. д., а в зонах скольжения эти факторы существенным образом влияют на силы трения. Увеличение коэффициента трения и повышение высоты полосы увеличивают работу сил трения скольжения, следовательно, облегчают внутреннюю деформацию и увеличивают зону прилипания. На протяженность зоны прилипания оказывают влияние внешние зоны полосы — “жесткие концы”. Внешние зоны выравнивают распределение вытяжек по высоте полосы, затрудняют внутренние перемещения, поэтому они способствуют уменьшению зоны прилипания. При осадке не было “жестких концов”, поэтому при осадке и при одинаковых границах геометрического очага деформации зона прилипания больше, чем при прокатке. Можно утверждать также, что натяжение полосы при прокатке — переднее и заднее — уменьшает протяженность зоны прилипания.
По высоте полосы зона затрудненной деформации резко сокращается (см. рис. 4.1). На контактной площадке протяженность ее равна ВС, а на некоторой глубине (в точке Е) она полностью исчезает, и очаг деформации занимают только зоны опережения и отставания. Поэтому иногда даже при развитой зоне прилипания на средних очагах в качестве некоторого упрощения, которое оправдано при решении многих задач о напряжениях и силах (но не о деформациях!), полагают, что очаг деформации состоит из зоны опережения и отставания с водоразделом по нейтральному сечению NN. При этом нейтральное сечение необязательно является плоским. Экспериментальные исследования показывают, что оно практически всегда искривлено по высоте образца куполом в сторону плоскости входа. Опережение внутренних слоев металла выше, чем поверхностных.
Кратко проанализируем методы расчета протяженности зоны прилипания на площадке контакта средних очагов деформации. В литературе содержится ряд рекомендаций по расчету зоны прилипания. Наиболее простые прикидоч- ные формулы предложил А.И. Целиков: для горячей прокатки /м = (0,5-2,0) А ; для холодной прокатки /п= (0,3—1,0) Аср.
Эти формулы дают широкие пределы изменения зоны прилипания и не учитывают факторов, влияющих на ее протяженность. Более полную формулу получил А.А. Королев, учтя коэффициент трения и геометрические параметры прокатки:
где
Приведем еще формулу Динника, полученную из условия, что на границе зон скольжения и прилипания работа сил скольжения равна работе дополнительных внутренних сдвигов:
где К — предел текучести при прокатке; Ау — высота нейтрального сечения,
если нейтральный угол у вычислить по формуле Павлова.
Экспериментальному исследованию протяженности зоны прилипания посвящено много работ. Разработано несколько оригинальных методик, в основу которых положены непосредственные измерения нормальных и касательных напряжений в очаге деформации. Среди них следует отметить метод точечных месдоз, когда в тело валка под разными углами к поверхности ввинчиваются месдозы — тонкие стержни с наклеенными на них датчиками, воспринимающими нормальную и касательную нагрузки с поправкой на угол размещения месдозы. Расшифровав запись усилий на эти месдозы, можно проследить характер изменения отдельно нормальных и касательных напряжений по длине очага.
Касательные напряжения можно измерить также с помощью разрезного валка, содержащего подвижный сектор, опирающийся на вделанную внутрь валка месдозу. Касательные силы воздействуют на выделенный сектор валка, а следовательно, на месдозу, и по записи этого усилия расшифровываются сами напряжения. Если в такой сектор поместить еще месдозу, установленную по радиусу валка, то можно измерять также нормальное усилие. Такой разрезной валок с указанной месдозой становится прибором для измерения нормальных и касательных напряжений и называется торсиометром (разработка МИСиС).
Значительный вклад в описание трения на контакте внес поляризационно-оптический метод. Валки, изготовленные из оптически активных материалов, в поляризационном свете дают визуальную картину распределения напряжений но всему сечению валков, в том числе в зоне контакта. Сфотографировав эту картину и расшифровав гго соответствующей методике, получают нормальные и касательные напряжения на контакте.
Все приведенные методы экспериментального исследования имеют определенные недостатки, поэтому они всегда дополняются теоретическим анализом и расчетами, основанными на методах теории упругости и пластичности.
