Осередок деформації при прокатуванні та його параметри
Мета роботи.Визначити параметри осередку деформації при поздовжній прокатці.
Загальні відомості. Як відомо, під деформацією пластичного тіла розуміють взаємний зсув окремих його часток під дією напружень. Цьому визначенню відповідає мікродеформація. Макродеформацію звичайно представляють як зміну форми і розмірів пластичного тіла під дією сил. До макродеформації належать також зміни в структурі металу в результаті обробки тиском, які можна бачити неозброєним оком.
Для аналізу рівномірності розподілу деформацій важливим є той факт, що відоме з механіки положення, яке стосується до твердою тіла, за будь-якого напруженого стану буде недійсним в умовах деформації часток, зерен або шарів реальних металів. З точки зору механіки твердого тіла, зразок в умовах одновісного розтягання має лінійний напружений стан. У дійсності ж при будь-якій схемі напружень кожне окреме зерно металу є напруженим при взаємодії із сусідніми зернами по всій поверхні їх розділу, тобто об'ємно.
Ідеально рівномірною можна представити пружну деформацію тіла і, зокрема, ту її частину, що описується кульовим тензором напружень. Дійсно, при гідростатичному стисненні із зменшенням об'єму тіла відстані між його частками (і самі частки) змінюються лінійно і однаково по всіх напрямках. Частки, що виходять на поверхню тіла, знаходяться в трохи іншому положенні, але вони складають лише незначну частку тіла.
Пружна деформація може мати різний ступінь нерівномірності. Дуже нерівномірною є пружна деформація при вигині сталевої пластини. Пружна деформація зникає (переходить через нуль) на нейтральній вісі пластини і має різний знак на зовнішній і внутрішній поверхнях вигину. Значна нерівномірність пружної деформації виходить при зосередженому навантаженні тіла, наприклад, при пружному вдавленні твердої кульки у твердий метал.
Пластичну деформацію також можна представити як рівномірний фізичний процес лише умовно. Найпростіший аналіз показує, що фізична однорідність деформації і рівномірність її розподілу по об'єму мають значні обмеження при будь-якій залишковій деформації.
Отже, під нерівномірністю деформації будемо мати на увазі міру неоднакового розподілу деформації, що оцінюється кількісно відповідними показниками.
Якщо мати на увазі умову нестисливості тіла, прийняту при обробні металів тиском, то пластичні деформації можуть бути однакового знака тільки уздовж двох осей при об'ємній деформації. Однаковими за величиною вони можуть бути лише уздовж двох осей у випадках плоскої або симетричної відносно осі деформації. Внаслідок цього, під рівномірною пластичною макродеформацією зазвичай розуміють таку деформацію, за якою по кожному з головних напрямків відносні деформації однакові, але різні для різних напрямків. У фізичному відношенні подібна деформація може розглядатися рівномірною лише умовно.
Причини нерівномірності деформації. Нерівномірність плину металу є результатом більшої або меншої зосередженості пластичної деформації в різних місцях його об'єму.
Так звана технологічна нерівномірність деформації є результатом накладення всіх різновидів нерівномірності (мікроскопічного, макроскопічного та ін.).
Нижче наведені дві групи основних причин виникнення нерівномірності деформації стосовно до металів і сплавів, що є кристалічними тілами. До першої групи належать такі причини, обумовлені
природою металу:
1. Недосконалості кристалічних решіток (у тому числі і дислокаційні).
2. Анізотропія властивостей (пластичності і міцності) окремих кристалітів, різне просторове положення яких створює неоднакові можливості для їхнього деформування.
3. Особливі площини і напрямки зрушення у кристалітах, по яких відбувається ковзання. Якби ковзання відбувалося не по вибіркових, а по всіх теоретично можливих кристалографічних площинах зсуву, то пластична деформація була б неможливою через повне руйнування кристалічної структури.
4. Зеренна (кристалітна) будова металів із різною формою, їхня мозаїчна структура, а також наявність зв'язку між зернами через шар міжзеренної речовини іншої будови.
5. Гетерогенність структури сплавів, що створює сприятливі умови для деформації стосовно більш пластичних і податливих структурних складових.
6. Фізичне зміцнення, що є більшим у зерен, які сприйняли більший ступінь деформації.
7. Процеси знеміцнення і рекристалізації при гарячій деформації металу не можуть бути рівномірними в умовах деформації окремих кристалів.
8. Текстуроутворення і характерна анізотропія властивостей, максимум і мінімум яких виявляється під кутом, кратним 45°.
9. Нерівномірність литої структури металів і сплавів (наявність зон дендритної структури).
10. Наявність у деформованих тіл граничних поверхонь, частково вільних і частково підданих дії інструмента, де частки знаходяться в різних умовах.
До другої групи належать причини, що пов'язані із силовими умовами і режимом деформування:
1. Контактне тертя, що стримує або, навпаки, сприяє поверхневій деформації, призводить до нерівномірного розподілу нормальних напружень. Анізотропність контактного тертя також сприяє нерівномірності деформації.
2. Форма і співвідношення розмірів об'єкта деформації можуть сприяти переважній деформації в середній його частині (наприклад, при осадці заготовок з увігнутою бічною поверхнею) або в приконтактних зонах (наприклад, на початку обтиснення сферичної заготовки), а також різному розподілу поперечних деформацій (наприклад, при однаковій висотній деформації розширення і подовження заготовки можуть бути різними і залежати від співвідношення розмірів контактної поверхні).
3. Форма і розміри інструмента, варіюючи які можна забезпечити задану нерівномірність деформації, а також переважний плин металу в будь-якому потрібному напрямку.
4. Волокнистість металу утворюється в напрямку найбільшої позитивної деформації (при куванні, прокатці і т. п.) і характеризується
найбільшою зміною механічних властивостей під кутом, кратним 90°.
5. Збільшення швидкості деформації призводить до зосередження обтиснення у приконтактній області і сприяє нерівномірності деформації.
6. Температура металу, нерівномірність якої створює неоднакові умови деформації для різних шарів заготовок (переважні умови для зовнішніх шарів у випадку кування непрогрітої заготовки і для внутрішніх шарів у випадку кування підстиглої заготовки).
7. Переміщення (подачі) і кантування в процесі кування (на 90°, 180° та ін.) призводять до зміни граничних умов різних ділянок поверхні заготовки і змінюють характер нерівномірності.
8. Умови прояву нерівномірності деформації не залишаються сталими (однаковими) у процесі деформації з ряду причин. Деформації (зокрема, при куванні) супроводжуються зміною співвідношення розмірів заготовок, відповідно до цього змінюється відношення між висотними і поперечними абсолютними деформаціями.
Через те, що при технологічних деформаціях співвідношення розмірів заготовок можуть змінюватися в дуже великих межах, варто відрізняти нерівномірність у кожний момент обтиснення і результуючу (інтегральну) нерівномірність деформації, що спостерігається в готовому виробі.
Процес пластичної деформації металу поміж двома валками, що обертаються у взаємопротилежних напрямках, називається поздовжньою прокаткою (в подальшому - просто прокаткою). Частку металу поміж валками АВСD (рис. 5.1, а) в дану мить прокатки називають геометричним осередком деформації, границями якого є площі входу металу у валки АС, та виходу із нього – ВD. Під час прокатки зменшується товщина штаби від Н0 до h1, збільшуються довжина від L0 до l1 і ширина від – В0 до b1. Зменшення товщини називають абсолютним обтиском h:
(5.1)
а збільшення ширини – розширенням b (рис. 5.1, б):
(5.2)
індексами «0» позначають розміри зразка (штаби) до прокатки, а «1» – після прокатки.
До головних параметрів осередку деформації відносять його довжину l, ширину bcp і кут захоплення (контакту) металу з валками .
Рис. 5.1. Схема осередку деформації
Кут контакту металу з валками – центральний кут, утворений двома радіусами валка, проведеними із його центру до точок входу А та виходу В металу із валків. Величина кута визначається із трикутника АОС:
(5.3)
Звідки:
(5.4)
де D – діаметр валків.
Розклавши cos в ряд, отримують:
(5.5)
Взявши до уваги тільки два перших члена правої частини (5.5), запишемо:
(5.6)
Прирівнявши праві частини (5.3) і (5.6), запишемо:
або 
. (5.7)
Звідки отримаємо просту і зручну формулу для визначення :
, рад або 
, град (5.8)
Рівняння (5.3) часто використовується для визначення максимального обтиску із умов захоплення металу валками:
(5.9)
Довжину осередку деформації можна визначити із прямокутного трикутника АОС, звідки:
(5.10)
Зневаживши за малістю другим членом під коренем, в кінцевому вигляді отримують:
(5.11)
Переписавши (5.10) у вигляді
(5.12)
і підставивши сюди значення h із (5.9), одержимо:
(5.13)
Урахувавши 
і при порівняно невеликих кутах прийнявши, що 
, запишемо (5.13) у вигляді:
(5.14)
У кінцевому вигляді (5.14) матимемо зручну формулу для визначення довжини осередку деформації:
(3.15)
Площа контакту металу з валками визначається рис. 5.1. б, звідки
або 
(5.16)
Інтенсивність деформації при прокатці листів і штаб визначають відносним обтиском :
(5.17)
а при прокатці в калібрах коефіцієнтом витяжки по формулі:
(5.18)
Матеріали, інструмент, устаткування.Свинцеві зразки прямокутної форми, розмірами 10х10х120 мм; ацетон; наждаковий дрібнозернистий папір; клей; двовалковому стані з діаметром валків 100 мм; нагрівальна піч; сушильна шафа; пристосування для нанесення координатної сітки; циркуль; лінійка; креслилка.
Порядок виконання роботи.Зразок із свинцю поперечного перерізу прокатується за 3 - 5 проходів з обтиском h = 1-3 мм. До і після кожного проходу вимірюються розміри поперечного перерізу зразка. Для виявлення нерівномірності деформації при прокатці на поверхні зразків завдати координатну сітку. Результати замірів заносяться в табл. 5.1.
Таблиця 5.1. – Параметри осередку деформації при прокатці.
| № | H0 мм | B0 мм | h1 мм | b1 мм | F0 мм2 | F1 мм2 | h мм | b мм | % | рад | град | ld мм | bcp мм | Fk мм2 | |
Зміст звіту. Замалювати поверхню зразків із координатною сіткою до і після деформації. Заповнити таблицю 5.1. за результати розрахунків по визначенню параметрів осередку деформації по вищенаведеним формулам. Визначити інтенсивність деформації в різноманітних зонах зразку. Користуючись даними табл. 5.1, будувати графіки 
і 
. Робота закінчується складанням висновків.
Контрольні запитання.
1. Що називається осередком деформації?
2. Графічно показати осередок деформації і його параметри.
3. Залежність 
.
4. Коефіцієнти деформації при прокатці.
5. Пояснити залежність: та .
Література. [1], |2], [5].
Лабораторна робота № 6