Сверхнизкие очаги деформации

Рис. 4.22. Задача Герца об упругом сжатии двух цилиндров

Рис. 4.21. Типы станов, применяемых для прокатки тонких полос: а — 4-валковый (кварто); б — 6-валковый; в — 12-валковый

Сверхнизкий очаг деформации — это самостоятельный вид очага деформации наряду с высоким, средним и низким. Он также имеет свои, только ему присущие особенности. Характер напряженно-деформированного состояния полосы в нем полностью определяется упругим сплющиванием валков. Такой очаг деформации реализуется при прокатке тонких полос в валках, поджатых друг к другу с усилием, превышающим ожидаемое усилие прокатки. Он образуется также при холодной прокатке фольг, поэтому его называют еще и фольговым.

Чтобы понять особенности сверхнизкого очага деформации, вспомним задачу Герца об упругом сжатии двух цилиндров, которая рассматривалась в курсе “Теория упругости и пластичности” (рис. 4.22). В результате сжатия двух цилиндров образуется контактная площадка смятия шириной Ь. Во вращающихся цилиндрах эта площадка не будет симметричной относительно вертикали, проходящей через центры валков: на выходе из валков протяженность площадки смятия меньше, чем на входе, точка приложения равнодействующей силы сжатия сдвинута в сторону сечения входа. Но результаты, полученные в задаче Герца, принципиально применимы и к вращающимся валкам.

Рис. 4.23. Напряжения на контактной площадке

Воспользуемся ее решением в части распределения нормальных о_г и тангенциальных напряжений о_у на площадке смятия (рис. 4.23) (напряжения о_у для удобства также отложены в направлении оси у). Нормальные и тангенциальные напряжения являются напряжениями сжатия, которые по параболическому закону возрастают к средней точке площадки. Разность этих напряжений (а_г — а_х.) не достигаег предела текучести материала валков VК_и, поэтому по условию Треска валки находятся в упругом состоянии, хотя сами напряжения а_у и о_х достигают огромных значений.

Будем рассматривать задачу Герца на поджатых вращающихся валках как предельный случай прокатки полосы, толщина которой близка к 0. В силу применимости гипотезы плоских сечений напряжения а_у и ст_у действуют по всей толщине полосы. И если на контактной площадке нигде разность напряжений (о₍, - о_х.) не достигает предела текучести металла полосы уА"_п, то ничего не изменится: полоса будет находиться в упругом состоянии, при прокатке не получит пластической деформации и выйдет из валков с первоначальными размерами, эпюры напряжений сохранят прежний вид (см. рис. 4.23). Но если в каких-то точках эпюры напряжений выполняется равенство (о,, - о_ч.) = К_1Г то появится пластическая зона.

Рис. 4.24. Сверхнизкий очаг деформации (а) и эпюра давления (б)

Очаг деформации в общем случае состоит из грех участков (рис. 4.24, а). Два крайних по-прежнему будут находиться под действием упругих деформаций (заштрихованы), но на среднем участке осуществляется пластическая деформация. (Для металла валков условие текучести по-прежнему не выполняется.) При очень малых толщинах полосы и небольшом поджагии валков весь очаг деформации занят упругими зонами, полоса при прокатке не изменяет свои размеры. С увеличением толщины полосы или уменьшением поджатая появляется пластическая зона. Обжатия полосы при прокатке в таком очаге малы, иногда для ощутимого изменения толщины требуется 100 и более пропусков. При дальнейшем увеличении толщины полосы пластическая зона увеличивается, а протяженность упругих участков снижается. И когда упругие зоны исчезнут или будут пренебрежимо малыми по сравнению с пластической зоной, очаг деформации перестанет быть сверхнизким и перейдет в разряд низких. Видимо, варьируя толщиной полосы и усилием поджатая валков, можно изменять границу перехода сверхнизких очагов в низкие. Сверхнизкий очаг может образоваться также при отсутствии предварительного поджатая валков при прокатке очень тонких полос.

Участок пластической деформации в сверхнизком очаге находится в середине очага в состоянии трехстороннего сжатия за счет напряжений а,, и а_х„ развивающихся в упругих зонах (третье напряжение а.также сжимающее). Это очень большие по значениям напряжения, что способствует повышению пластичности металла. В состоянии трехстороннего сжатия даже традиционно хрупкие материалы становятся пластичными. Например, только на сверхнизком очаге деформации удается прокатывать в холодном состоянии бериллиевую фольгу. При прокатке в неподжатых валках (в условиях низких очагов) бериллий разрушается сразу же, почти при нулевой степени деформации. На сверхнизком очаге за большое число пропусков можно получить значительную суммарную деформацию без разрушения.

Чтобы увеличить обжатие за один проход на сверхнизком очаге деформации, необходимо увеличивать протяженность как пластической, так и упругих зон. Можно увеличить диаметр валков. Этому также способствуют невысокие значения твердости валков. Эти рекомендации используют на дрессировочных и фольгопрокатных станах. На низких очагах, наоборот, мы стремились уменьшать диаметр рабочих валков и увеличивать их твердость, чтобы снизить упругое сплющивание валков. Это еще раз свидетельствует о том, что сверхнизкий очаг деформации — эго самостоятельный вид очагов деформации, а не разновидность низкого очага.

Металл, находящийся в пластической зоне, деформируется на сверхнизком очаге по-иному, чем на низком. На низком очаге при прокатке широких полос металл испытывает сильное сопротивление поперечному течению за счет развитых сил трения в этом направлении. Сопротивление течению в длину гораздо меньше, гак как длина дуги контакта мала и силы трения в направлении длины не столь велики. Весь смешенный по высоте металл устремляется в длину, уширение практически равно 0. Только узкие участки по кромкам широкой полосы имеют тенденцию к уширению, но за счет связи с остальной частью полосы и эта часть металла полностью увлекается в направлении длины. Кстати, появляющиеся при этом растягивающие напряжения служат причиной разрушения на кромках листов и лент из некоторых марок стали.

На сверхнизких полосах сопротивление течению в поперечном направлении, создаваемое напряжением о_г, соизмеримо с сопротивлением, создаваемым напряжениями подлине о_х„ В таких условиях значительная доля высотного смещенного объема устремится в ширину, уширение металла не равно 0, а показатель уширения А может достигать больших значений. Наблюдались случаи, когда о_т < о_х, и доля смешенного высотного объема металла, устремляющаяся в ширину, становилась больше доли, идущей на приращение длины: А > 1 — А. При прокатке в поджатых валках иногда полоса наращивает ширину быстрее, чем длину. Ни на одном из рассмотренных ранее очагов деформации такое явление невозможно.

Рассмотрим эпюру нормальных напряжений, т. е. давления на валки, в сверхнизком очаге (рис. 4.24, б). На упругих участках нормальные напряжения будут возрастать по параболе, как в решении задачи Герца. Но в пластической зоне напряжения должны быть меньше, чем по Герцу. Для реализации упругих напряжений металлу пришлось бы затратить больше энергии, чем в случае пластической деформации. Сам факт появления пластической зоны внутри очага деформации с энергетических позиций свидетельствует о выгодности этого процесса. За счет снижения напряжений в пластической зоне (по сравнению с упругими напряжениями по Герцу) происходит общее снижение энергоемкости всего очага деформации.

Некоторые авторы считают, что в пластической зоне должно происходить резкое возрастание напряжений по степенному закону, который наблюдается в зонах скольжения металла относительно поверхности валков на низком очаге деформации (решение Целикова, показанное на рис. 4.24, б). Однако это, видимо, не соответствует действительности, поскольку в пластической зоне сверхнизкого очага скольжение полностью отсутствует. На гаком очаге в пластической области резкого возрастания давления, как при скольжении, ожидать не следует. Это очередное отличие его от низкого очага. Но даже если бы эпюра напряжений имела вид купола, как на низком очаге, то добавленный купол в середине очага мало изменил бы площадь эпюры напряжений в целом: она осталась бы примерно такой же, как в решении Герца. Сила Р, равная площади эпюры напряжений, и давление р_ср на поджатых валках остаются неизменными как при прокатке полосы, так и при отсутствии полосы в валках. Если под нажимные винты стана установить месдозы, то показания их не будут изменяться при прокатке полосы и в паузах между пропусками. Этот факт широко известен на фольгопрокатных станах. Сила прокатки всегда постоянна и равна усилию предварительного поджатая валков. Это еще одна характерная особенность сверхнизкого очага деформации.

Такой эффект используют при прокатке тонких и очень широких алюминиевых листов и фолы для борьбы с продольной и поперечной разнотолщиннос- тью полосы. Его используют также при холодной прокатке стальных листов на заключительной операции, которая называется дрессировкой. При дрессировке, т. е. при прокатке с малыми обжатиями на предварительно поджатых валках, удается выровнять толщину полосы подлине за счет того, что продольные колебания толщины исходной полосы никак не отражаются на усилии дрессировки. Выходящая из валков полоса по всей длине будет иметь постоянную толщину.