Напряжения, деформации, разрушение

Колмогоров В. Л.

Металлургия, 1970 г.

Теория разрушения и пластичность металлов

В главе описана гипотетическая теория деформируемости металла при его обработке давлением. Под деформируемостью понимается способность металла претерпевать пластическое формоизменение без разрушения (возникновения макротрещин). Математический аппарат этой теории позволяет определить допустимые пластические деформации, не приводящие к растрескиванию. Он основан на экспериментальных данных о зависимости пластичности от показателя напряженного состояния или на так называемых диаграммах пластичности. Описаны диаграммы пластичности некоторых сталей и цветных металлов.

1. Гипотеза

о разрушении металлов при пластической деформации

Общепризнано, что пластическая деформация металлов сопровождается непрерывным образованием и развитием субмикро- и микротрещин. Процесс образования трещин-очагов разрушения связывает с движением дислокаций вследствие пластической деформации и взаимодействием полей напряжений, окружающих дислокации.

По И. А. Одингу, зародыш трещины возникает в некотором микро-или субмикроскопическом объеме скопления дислокаций, в котором упругая энергия деформации достигла некоторой предельной величины, равной скрытой теплоте плавления. Он считает, что такая насыщенность энергией вызывает разрушение металла [114]. Сам по себе зародыш трещины устойчив. Однако на его остром конце опять образуется линейная дислокация, которая взаимодействует с проходящими около нее дислокациями. Это приводит к постепенному разрастанию зародыша.

Дж. Дж. Гилман отмечает, что «одним из наиболее важных механизмов, при помощи которых образуются трещины в твердых телах, является локализованное пластическое течение». Он указывает на три различных механизма трещинообразования [31 ]. Дискообразный сдвиг — тонкая область пластического течения. Концентрация касательных напряжений в этой области приводит к образованию трещин на границах диска. Поверхность раздела пластической деформации — также тонкая область, где пластическая деформация в теле внезапно меняется до некоторой меньшей величины. Следующий третий способ возникновения трещин — пересечение линий скольжения. 6. Прокатка на обжимных и сортовых станах (напряженно-деформированное состояние на поверхности раската)

Готовая продукция в современных цехах горячей прокатки производится в большинстве случаев в два передела. Сначала слитки превращают в полупродукт, который затем прокатывают в готовый профиль. Зачастую Поверхность полупродукта (блюмов, слябов) поражена дефектами. Часть дефектов можно отнести к категории дефектов, возникших в результате разрушения металла при прокатке на обжимных станах. Поверхностные дефекты в отличие от внутренних разрывов при последующей прокатке не залечиваются, а постепенно развиваются и накапливаются, приводя к повышению брака или снижению сорта готового профиля.

Выбор режима обжатий должен основываться не только на энергосиловых параметрах процесса, но и на проверке режима из условий прокатки металла без разрушения.

Это требование особенно важно при разработке режима обжатий слитков, имеющих пониженную пластичность из-за литой структуры металла и несовершенства средств нагрева. Такой подход к решению проблемы качества требует детального изучения напряженно-деформированного состояния при прокатке, а также накопления данных о пластичности сталей в зависимости от схемы напряженного состояния, температуры, скорости деформации и макроструктуры.

В настоящее время теория прокатки не располагает данными о значении показателя напряженного состояния а/Т и степени деформации (точнее совокупности величин, определяющих полностью деформированное состояние) внутри и на поверхности полосы при ее прокатке в условиях трехмерного течения. Автор с сотрудниками располагает экспериментальными данными о напряженно-деформированном состоянии на боковой поверхности полосы при ее прокатке в гладких валках. Эти данные, которые приведены ниже, могут быть использованы в качестве оценки для разработки технологии прокатки без разрушения.

Деформированное состояние поверхностных слоев металла исследовали с помощью метода накатанных сеток [183], наносимых на Поверхность тела типографским способом. Накатанные сетки деформируются вместе с образцами, сохраняя непрерывность и четкость линий.

Расчеты Уралгипромеза показали, что внедрение маршрутов холодной прокатки с лучшим использованием пластичности металла позволит увеличить годовой объем производства холоднодеформированных труб общего назначения из углеродистых и легированных сталей действующими трубоволочильными цехами на 10—15% без их существенной реконструкции (с минимальными капитальными затратами).

Трубный сектор Уралгипромеза пришел к следующим выводам:

1. Произведенными исследованиями пластичности и разрушения вскрываются значительные резервы производительности действующих трубоволочильных цехов.

2. Освоение вскрытых резервов производительности потребует минимальных капитальных затрат, связанных с установкой дополнительного отделочного оборудования и с расширением складских площадей для хранения готовой продукции.

3. Внедрение маршрутов волочения и холодной прокатки с более полным использованием пластичности металла позволит увеличить годовой объем производства холоднодеформированных труб общего назначения из углеродистых и легированных марок стали действующими трубоволочильными цехами на 15—20% без их коренной реконструкции и с минимальными капитальными затратами.

Описанные выше данные позволили определить степень использования ресурса пластичности металла при холодной прокатке и волочении труб и выявить резервы увеличения производительности цехов. Без проведения реконструкции в течение 1965—1967 гг. удалось использовать скрытые резервы и повысить производительность цехов на ряде заводов за счет увеличения суммарных деформаций от отжига до отжига, увеличения в отдельных случаях разовых деформаций, более рационального построения маршрутов за счет перераспределения деформаций между прокаткой на ХПТ и волочением.

На первом этапе работы пересмотрели старые и внедрили новые маршруты при производстве углеродистых и легированных труб на Первоуральском Новотрубном заводе.

Существующие маршруты волочения и прокатки основаны на значительных разовых деформациях, которые часто близки к предельным из условия прочности головки при волочении или прочности и мощности волочильных и прокатных станов. Однако ресурс пластичности при этом, как правило, значительно недоиспользуется. Лучшее использование пластических свойств металла позволило увеличить суммарные деформации между отжигами и уменьшить число промежуточных термообработок. Увеличение разовых деформаций на небольшую величину оказалось возможным только в отдельных случаях. Основным направлением при внедрении новых маршрутов было сокращение промежуточных термообработок после волочения перед прокаткой, после прокатки перед волочением, между двумя прокатками или двумя протяжками.

3. Гидроэкструзия и возможность ее применения для деформации хрупких материалов

От хорошо известных и распространенных способов обработки металлов давлением гидроэкструзия, или прессование жидкостью, находящейся под высоким давлением, отличается особо благоприятной схемой напряженного состояния и вместе с тем резким уменьшением вредной роли сил трения. Принципиальная схема прессования металлов жидкостью высокого давления (рис. 90) состоит в том, что в замкнутый объем, образованный контейнером, матрицей и заготовкой, подается жидкость. При достижении определенного давления, необходимого для преодоления сопротивления деформации материала заготовки и сил трения в очаге деформации, происходит выдавливание изделия через матрицу. Процесс может осуществляться также с противодавлением, что позволяет прессовать особо хрупкие материалы (рис. 90, б). прессование с противодавлением осуществить несколько сложней, чем без противодавления, поэтому важно получить ответ на вопрос о рациональном применении того или иного варианта гидроэкструзии. Ниже покажем, как можно однозначно ответить на этот вопрос.

Гидроэкструзия еще не получила достаточно широкого применения в промышленности. Но то, что она позволяет осуществить пластическую деформацию хрупких в обычных условиях металлов, получить при этом точные изделия со сложной конфигурацией поперечного сечения, делает прессование жидкостью весьма перспективным и в некоторых случаях незаменимым процессом обработки металлов давлением.

Способ деформирования металлов жидкостью высокого давления предложен в 40-х годах П. Бриджменом [25]. Изучая эффект повышения пластичности металлов при деформации под гидростатическим давлением, он пытался использовать его в известных технологических процессах—волочении и прессовании. При волочении под давлением

предполагалось, что деформацию можно осуществить на большую величину без отжига и металл получит более высокую степень деформационного упрочнения, чем при обычном волочении. Опыты по волочению под давлением проводились с обычной рояльной проволокой диаметром 1,93 мм. Эта проволока была подвергнута волочению под давлением 120 Гн/мг (12 000 атм) и за шесть проходов без отжига был достигнут конечный диаметр 0,66 мм.

При выдавливании металла жидкостью высокого давления Бриджмен ожидал получения больших степеней деформации за проход и считал, что будущее этого способа состоит только в получении проволоки непосредственно из заготовки. Опыты по выдавливанию жидкостью высокого давления были проведены на образцах из меди. Вытяжка при этом составляла 16. Однако в этих опытах Бриджмен не смог получить удовлетворительных результатов при дальнейшем увеличении степени деформации. В своей монографии он пишет «Металл вместо того, чтобы выходить плавно, начинает выбрасываться отдельными кусками. Если же не выбрасывается таким образом, он может разрываться у устья фильеры по диагональным плоскостям сдвига». Ниже ответим на вопрос: какие деформации можно осуществить гидроэкструзией без разрушения обрабатываемого изделия?