Procesy przeróbki plastycznej. Ćwiczenia laboratoryjne

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie

PROCESY PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ ĆWICZENIA LABORATORYJNE PODSTAWY TEORETYCZNE I WYKONAWSTWO ĆWICZEŃ

Praca zbiorowa pod redakcją DR HAB. INŻ. J A N A S I Ń C Z A K A , PROF. NADZW. A G H

Wydawnictwo Naukowe AKAPIT Kraków 2001

Wydano za zgodą Dziekana Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Akademii Górniczo - Hutniczej w Krakowie

Redaktor techniczny Dr inż. Marcin Środa Celem podręcznika jest podanie niezbędnych podstaw teoretycznych i technologicznych, wy­ maganych przy przygotowaniu się do ćwiczeń laboratoryjnych z przeróbki plastycznej metali przez studentów Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej AGH, studiujących na kierun­ kach kształcenia: Metalurgia i Inżynieria Materiałowa. Podręcznik został opracowany przez zespół pracowników Zakładu Plastycznej Przeróbki Meta­ li, zajmujących się poszczególnymi technologiami przeróbki plastycznej, którzy pod redakcją dr hab. inż. Jana Sińczaka, prof. AGH, usystematyzowali i opracowali merytorycznie konieczne treści nauczania: mgr inż. Adam Bator: rozdz. - 1.7; 2; 18.1 - dr inż. Jerzy Kajtoch: rozdz. - 1; 5+7; 14; 15.2; 16; 18.4+18.6 doc. dr hab. Roman Kuziak, IMŻ w Gliwicach, rozdz. - 17 dr inż. Zbigniew Kuźmiński: rozdz. - 4; 15.1; 18.3 - dr inż. Marek Packo: rozdz. - 12; 15.3+15.6; 18.11 dr inż. Maciej Rumiński: rozdz. - 11; 18.10 dr hab. inż. Jan Sińczak: rozdz. - 8+10; 18.7+18.9 dr inż. Andrzej Skołyszewski: rozdz. - 13; 18.12 dr inż. Tomasz Śleboda: rozdz. - 1.9; 3; 18.2 © Copyright by Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków Printed in Poland

v\/vrv7'i(\t_ M E T A L U R G " i SN^N'PRH MATERIAŁOWEJ ISBN 83-7108-083-2 BIBLIOTEKA

SKŁAD I DRUK: Wydawnictwo Naukowe „Akapit", Kraków tel./fax (012) 266-92-69; e-mail: [email protected]

2001

SPIS TREŚCI OD AUTORÓW


SMARY I WARSTWY PODSMAROWE 236 11.4.2. OCENA EFEKTYWNOŚCI SMAROWANIA 237 11.5. NIERÓWNOMIERNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA W PROCESACH CIĄGNIENIA 238 11.6. PROCESY CIĄGNIENIA RUR 243 (TT.7/ NAPRĘŻENIE CIĄGNIENIA 249 11.7.1. OPIS ANALITYCZNY NAPRĘŻENIA CIĄGNIENIA 250 (11.7.2/ WPŁYW PARAMETRÓW PROCESU CIĄGNIENIA NA NAPRĘŻENIE CIĄGNIENIA 252 (i 1 8. WŁASNOŚCI MECHANICZNE WYROBÓW CIĄGNIONYCH 255 11.8.1. WPŁYW PARAMETRÓW PROCESU CIĄGNIENIA 256 11.8.2. WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ 258 11.8.3. NIEJEDNORODNOŚĆ WŁASNOŚCI WYROBÓW CIĄGNIONYCH 259 12. PROCESY TŁOCZENIA 261 12.1. MATERIAŁY DO TŁOCZENIA 261 12.1.1. KRYTERIA DOBORU BLACH DO TŁOCZENIA 261 12.1.2. NOWOCZESNE MATERIAŁY DO TŁOCZENIA 264 12.1.3. NIERÓWNOMIERNOŚĆ (ANIZOTROPIA) WŁASNOŚCI BLACH 268 12.1.4. SMARY 269 12.2. NARZĘDZIA I URZĄDZENIA DO TŁOCZENIA 270 12.2.1. NARZĘDZIA DO TŁOCZENIA 270 12.2.2. PRASY DO TŁOCZENIA 274 12.2.3. ZASADY I KRYTERIA DOBORU PRAS DO TŁOCZENIA 279 12.2.4. CAD-CAM-CAE W PROCESACH PROJEKTOWANIA I WYTWARZANIA 281 12.3. ZMIANA PARAMETRÓW SIŁOWYCH W PROCESIE WYTŁACZANIA .. 285

8

P r o c e s y p r z e r ó b k i plastycznej - ć w i c z e n i a laboratoryjne

12.4. WPŁYW STOPNIA ODKSZTAŁCENIA NA PRZEBIEG PROCESU WYTŁACZANIA NACZYŃ CYLINDRYCZNYCH 288 12.5. STADIA PROCESU WYTŁACZANIA I PRZETŁACZANIA Z ZASTOSOWANIEM DOCISKACZA 289 12.6. ZMIANY SKŁADOWYCH ODKSZTAŁCEŃ LOGARYTMICZNYCH NA PRZEKROJU OSIOWYM MISECZKI CYLINDRYCZNEJ '. 296 12.7. ZJAWISKA OGRANICZAJĄCE PROCES WYTŁACZANIA 297 12.8. KRYTERIA STOSOWANIA DOCISKACZA W PROCESIE WYTŁACZANIA I PRZETŁACZANIA 299

WŁASNOŚCI MECHANICZNE I UŻYTKOWE ORAZ JAKOŚĆ WYROBÓW PO PRZERÓBCE PLASTYCZNEJ 13. TECHNOLOGICZNE METODY BADAWCZE 13.1. WŁASNOŚCI UŻYTKOWE I JAKOŚĆ WYROBU PO PRZERÓBCE PLASTYCZNEJ 13.2. NORMY ODBIORU I KONTROLI JAKOŚCI WYROBÓW 13.3. PRÓBA TŁOCZNOŚCI BLACH METODĄ ERICHSENA 13.4. PRÓBA TŁOCZNOŚCI BLACH METODĄ FUKUI 13.4.1. Ocena tłoczności blach 13.4.2. Pomiar anizotropii własności blach 13.5. WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA ANIZOTROPII NORMALNEJ METODĄ LANKFORDA 13.6. PRÓBA WIELOKROTNEGO PRZEGINANIA BLACH I TAŚM 13.7. TECHNOLOGICZNA PRÓBA ZGINANIA 13.8. PRÓBA SPŁASZCZANIA RUR 13.9. PRÓBA JEDNOKIERUNKOWEGO SKRĘCANIA DRUTU 13.10. PRÓBA DWUKIERUNKOWEGO PRZEGINANIA DRUTU 13.11. KONTROLA JAKOŚCI ZAWLECZKI

303 303 305 306 308 310 310 311 312 314 317 318 319 321

BAZA LABORATORYJNA WRAZ Z OPRZYRZĄDOWANIEM POMIAROWO-OBLICZENIOWYM 14. LABORATORIA BADAŃ TECHNOLOGICZNYCH W ZAKRESIE TEORETYCZNYCH PODSTAW PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ 14.1. LABORATORIA POMIARÓW WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH 14.2. LABORATORIA POMIARÓW NA WYROBACH GOTOWYCH

327 327 330

15. BAZA LABORATORYJNA W ZAKRESIE TECHNOLOGICZNYCH PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ 15.1. LABORATORYJNA WALCARKA DWUKLATKOWA

332 332

Spis treści

9

15.2. LABORATORYJNA WALCARKA KWARTO 15.3. LABORATORIUM KUŹNICTWA 15.4. LABORATORIUM NIEKONWENCJONALNYCH TECHNOLOGII KSZTAŁTOWANIA METALI 15.5. LABORATORIUM CIĄGARSTWA 15.6. LABORATORIUM TŁOCZNICTWA

336 337

16. BAZA TECHNIK POMIAROWYCH I OBLICZENIOWYCH. 16.1. APARATURA POMIAROWA 16.1.1. Podstawy pomiarów tensometrycznych 16.1.2. Pomiar siły nacisku na narzędzie odkształcające 16.1.3. Pomiar momentu skręcającego na łączniku 16.1.4. Obróbka oscylogramu 16.2. BAZA DO OBLICZEŃ KOMPUTEROWYCH W ZAKRESIE MODELOWANIA TECHNOLOGICZNYCH PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ 16.2.1. Laboratoria komputerowe 16.2.2. Programy do symulacji termo-mechanicznej procesów przeróbki plastycznej 16.2.3. Pakiet programów do komputerowego wspomagania projektowania narzędzi do przeróbki plastycznej

344 344 344 345 347 347

338 339 341

350 350 352 353

17. NOWOCZESNA BAZA DO SYMULACJI FIZYCZNEJ PROCESÓW WYTWARZANIA I PRZETWARZANIA METALI I STOPÓW 355 17.1. WPROWADZENIE W METODĘ SYMULACJI FIZYCZNEJ 355 17.2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA BADAŃ SYMULACYJNYCH PROWADZONYCH Z ZASTOSOWANIEM SYSTEMU GLEEBLE 3800.... 356 17.3. SYMULACJA CIĄGŁEGO ODLEWANIA STALI 358 17.3.1. Charakterystyka plastyczności stali 358 17.3.2. Określenie podatności stali na pękanie 358 17.3.3. Symulacja fizyczna procesu COS 360 17.4. BADANIA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH STOPÓW W ODNIESIENIU DO PROCESÓW OBRÓBKI CIEPLNO-PLASTYCZNEJ 365 17.4.1. Próba osiowosymetrycznego ściskania 365 17.4.2. Próba zgniatania w warunkach zbliżonych do płaskiego stanu odkształcenia 371 17.4.3. Badania plastyczności stali w operacjach obróbki cieplnoplastycznej 372 17.5. MODEL ZMIAN MIKROSTRUKTURALNYCH W PROCESACH OBRÓBKI CIEPLNO-PLASTYCZNEJ 376 17.6. SYMULACJA FIZYCZNA PROCESÓW OBRÓBKI CIEPLNO-PLASTYCZNEJ 379

10

P r o c e s y p r z e r ó b k i plastycznej - ć w i c z e n i a l a b o r a t o r y j n e

WYKONAWSTWO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH 18. PRZEBIEG PRÓB LABORATORYJNYCH 385 18.1. STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA 385 18.2. PLASTYCZNOŚĆ ORAZ POWSTANIE PRZEŁOMU W PRÓBIE ŚCISKANIA ,.389 18.3. WYZNACZENIE NAPRĘŻENIA UPLASTYCZNIAJĄCEGO W PRÓBIE SKRĘCANIA NA GORĄCO W PLASTOMETRZE SKRĘTNYM 391 18.4. WPŁYW WARUNKÓW TARCIA NA NIERÓWNOMIERNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA 392 18.5. PARAMETRY GEOMETRYCZNO-KINEMATYCZNE I SIŁOWE PROCESU WALCOWANIA WZDŁUŻNEGO 395 18.6. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE PROCESU WALCOWANIA SKOŚNEGO 403 18.7. ANALIZA OPERACJI KUCIA SWOBODNEGO 406 18.8. PARAMETRY KUCIA W MATYRYCACH OTWARTYCH I ZAMKNIĘTYCH 410 18.9. PARAMETRY SIŁOWE PROCESU WYCISKANIA PRZECIWBIEŻNEGO 414 18.10. ANALIZA PROCESU CIĄGNIENIA 417 18.11. ODKSZTAŁCENIA W PROCESACH TŁOCZENIA 420 18.12. TECHNOLOGICZNE METODY BADAŃ WŁASNOŚCI I JAKOŚCI WYROBÓW 423 LITERATURA

429

OD AUTORÓW Celem skryptu jest podanie niezbędnych podstaw teoretycznych i technologicznych, wy­ maganych przy wykonywaniu ćwiczeń laboratoryjnych z przeróbki plastycznej metali przez studentów Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej AGH na kierunkach kształcenia: Metalurgia i Inżynieria Materiałowa. Istniejące skrypty i książki wymagają uzupełnień, ale przede wszystkim brak jest jednoli­ tej monografii - opracowania ogólnie dostępnego, które zapewniłoby odpowiedni zakres wie­ dzy, dotyczącej własności fizycznych i mechanicznych materiałów oraz praw mechaniki pły­ nięcia podczas ich plastycznego odkształcania. Duże bogactwo procesów przeróbki plastycznej, dotyczy działalności stosowanej do wy­ konywania wszelkiego rodzaju wyrobów powszechnego użytku. Ta dziedzina wiedzy jest czę­ sto utożsamiana z tzw. głębokim przetwórstwem wyrobów metalowych, które jest stosowane do wytworzenia wyrobów rynkowych codziennego użytku o ściśle określonych własnościach użytkowych (blachy, odkuwki, profile gięte, profile tłoczone na karoserie samochodów lub elementy sprzętu gospodarstwa domowego, rury itp.), na które istnieje zapotrzebowanie przez przemysł przetwórczy. W tej działalności konieczna jest znajomość szeregu praw plastycznego odkształcenia. Dotyczy to również technologów i inżynierów, bezpośrednio nie posługujących się na co dzień technologiami głębokiego przetwórstwa metali i ich stopów. Z tego względu całość opracowania jest adresowana do Studentów wszystkich specjalności na obu kierunkach kształcenia na naszym Wydziale. Skrypt jest opracowany przez zespół pracowników naukowych zajmujących się poszcze­ gólnymi technologiami przeróbki plastycznej. Podstawowa część skryptu zawiera wybrane elementy z zakresu zagadnień teoretycznych i technologicznych różnych procesów przeróbki plastycznej, niezbędnych przy wykonywaniu ćwiczeń, dających szerokie podstawy do głębsze­ go studiowania teorii procesów, wchodzących w zakres zainteresowań Studenta. Podano rów­ nież zasady działania nowoczesnego systemu Gleeble 3800, umożliwiającego symulację fi­ zyczną zagadnień wytwarzania i obróbki cieplno-plastycznej metali i ich stopów. W drugiej części skryptu omówiono zakres i sposób wykonywania poszczególnych ćwiczeń laboratoryj­ nych oraz podano szereg pytań kontrolnych, stanowiących pomoc przy usystematyzowaniu koniecznej wiedzy. Autorzy żywią nadzieję, że przekazany Studentom skrypt będzie stanowił wydatną pomoc przy przygotowaniu się do ćwiczeń laboratoryjnych, co usprawni tok nauczania w zakresie podstaw przeróbki plastycznej metali i ich stopów.

dr hab. inż. Jan Sińczak profesor AGH

WYKAZ

a a A, A A A A b A50, A

F

r

c

E

0

śr

80

-

B c c,c Cd, c , c C cos cpa cos (p pF. M

wskaźnik naprężeń, tj. współczynnik uwzględniający wpływ średniego naprężenia głównego na warunek plastyczności, ramię działania siły nacisku wydłużenie względne lub równomierne skrócenie względne aksjator tensora stanu odkształcenia aksjator tensora stanu naprężenia średnia szerokość powierzchni styku wydłużenie względne w próbie rozciągania, odpowiednio dla bazy próbki 50 i 80 mm siła bezwładności

stała podatności sprężystej materiału walców stałe związane z poziomem siły i energii dla prasy stałe charakteryzujące kształt wytłaczanego wyrobu stała kalibrowania układu ciągłego wskaźnik stanu odkształcenia wskaźnik stanu naprężenia stała pomiaru siły nacisku lub momentu obrotowego, określana teoretycznie d, d - średnica wyrobu lub kęsa D - średnica narzędzia odkształcającego D - dewiator stanu odkształcenia D - dewiator stanu naprężenia E, E - współczynnik sprężystości wzdłużnej materiału (stała materiałowa, tzw. moduł Younga) przy rozciąganiu lub ściskaniu E' - moduł plastyczności F, F - całkowita siła nacisku narzędzia zewnętrznego lub na jednostkę szero­ kości walcowanego pasma F , F - siła naciągu i przeciwciągu g, g, - grubość pasma lub ścianki tulei G - współczynnik sprężystości poprzecznej materiału (stała materiałowa, tzw. moduł ścinania Kirchoffa) G' - moduł plastycznego odkształcenia h - wysokość pasma HB; HR(A,B,C,F); HV - twardość metali - określona odpowiednio metodami statyczny­ mi, według: Brinella, Rockwella i Vickersa IE27 - wskaźnik tłoczności Erichsena J - moment bezwładności przekroju F

L

g

h

0

r

k

E

D

c

b

n

p

~ -

OZNACZEŃ

14

Procesy przeróbki plastycznej - ćwiczenia laboratoryjne

k k (KPI) k, ku, k -

współczynnik wzrostu oporu plastycznego przy kuciu opór plastyczny współczynnik wpływu temperatury, prędkości i stopnia odkształcenia na granicę plastyczności K - moduł odkształcenia objętościowego (moduł ściśliwości) K = (D /d) - stopień odkształcenia przy tłoczeniu KC - udarność 1 - cosinus kierunkowy l , l - rzut długości łuku styku walca spłaszczonego i nie spłaszczonego lo - baza pomiarowa próbki do rozciągania 1 , W - posuw bezwzględny i względny przy kuciu ł - wielkość podania metalu w walce przy walcowaniu skośnym L , L , L - długość stref: dziurowania, całkowita i rozwalcowania przy walcowaniu skośnym L, L - praca odkształcenia sprężystego i plastycznego m - cosinus kierunkowy; czynnik tarcia; masa części spadających przy ku­ ciu; wysunięcie główki; współczynnik tłoczenia; współczynnik umoc­ nienia m = (d/D) - współczynnik ciągnienia (wytłaczania) M - moment siły zewnętrznej M , M - moment obrotowy i walcowania MI, M , M - niezmienniki tensora stanu odkształcenia n - cosinus kierunkowy; liczba ruchów roboczych maszyny kuźniczej n , n - współczynnik wpływu szerokości pasma i stanu naprężenia na średni nacisk jednostkowy n , n - prędkość skręcania lub obrotowa walców n - wykładnik umocnienia dla blachy w kierunku prostopadłym do kierun­ ku walcowania n - normalna do powierzchni nacisku; średnia wartość wykładnika umoc­ nienia N - liczba przegięć lub skręceń do zniszczenia próbki; normalna siła nacisku NI,N , N - niezmienniki tensora stanu naprężenia p (p ) - średni nacisk jednostkowy q - współczynnik wzrostu oporu plastycznego przy kuciu r - promień pasma R - współczynnik anizotropii normalnej Lankforda R, R - promień narzędzia odkształcającego, lub bębna RC - granica wytrzymałości na ściskanie RCO.OI, RCO,2 - umowna granica sprężystości i plastyczności przy ściskaniu REH, REL - górna i dolna granica plastyczności Ro - wytrzymałość rozdzielcza materiału RO> RK - promień powierzchni sferycznej T i T f

t

E

0

c

d

P

sx

d

00

r

p

0

W

2

3

b

c

s

w

90

2

3

n

b

{

2

W y k a z oznaczeń

R R R02 R m

u

90

-

R S S , S op

w

t t T T, T T T u, v, w U v, v v, v , vi s

x

E

CT

c

Q

-

v ,v V w m

w

W W ;W gk

zd

-

x, y, z X, Y, Z z Zj, z \ Z Z, Z a, a a a (a ) P r

opt

ch

-

y -

15

granica wytrzymałości na rozciąganie, granica wytrzymałości na zerwanie, umowna granica plastyczności, współczynnik anizotropii normalnej Lankforda, dla blachy w kierunku prostopadłym do kierunku walcowania średnia wartość współczynnika Lankforda powierzchnia przekroju poprzecznego; szczelina między beczkami walców wielkość opóźnienia i wyprzedzenia przy walcowaniu czas wielkość liniowego skręcenia intensywność naprężeń stycznych; siła tarcia; temperatura odkształcenia temperatura topnienia siła hamowania tensor stanu odkształcenia tensor stanu naprężenia składowe przemieszczeń energia odkształcenia prędkość poślizgu i ciągnienia liniowa prędkość ruchu, lub na wejściu i na wyjściu ze strefy odkształ­ cenia liniowa prędkość metalu i walców roboczych objętość współczynnik wpływu prędkości odkształcenia na opór plastyczny przy kuciu wskaźnik przekroju przy zginaniu, wykładnik potęgowy przy określaniu poszerzania; wypadkowa sił zewnętrznych względna grubość krążka lub warunek zastosowania dociskacza przy wytłaczaniu osie kartezjańskiego układu współrzędnych składowe sił masowych odniesione do jednostki masy gniot względny; współczynnik wpływu kształtu narzędzia na opór pla­ styczny przy kuciu zgniot idealny; zgniot początkowy siła zewnętrzna, działająca na pasmo przewężenie względne i równomierne kąt ciągnienia: stosowany i optymalny współczynnik anizotropii kąt chwytu kąt sprężynowania; kąt zukosowania walca w walcarce skośnej; współ­ czynnik poszerzenia kąt płaszczyzny neutralnej; kąt rozwalcowania walca skośnego; masa

16

Procesy przeróbki plastycznej - ćwiczenia laboratoryjne

y YXY, YYZ, YZX ~ 7,2, 723,731 RI,R S §CH, §CHK okt

2

c

_

G

8J 5 8I, 8„ i|/ 8, § 8], 8 , 8 Ab, Ah, Al Ab/Ah At AT Au Ax AF AS Ei = e s KR

r

P

s

2

3

s

H

m

8

o k t

£1, e , s r

£

t

~ -

£

P, PZ ~~ s , s ,8 e , e , ei wb

w l

wh

b

h

£1, s , £ E 8 e £ r\ 2

3

n

R o

t

-

r|P r) ,ri, X 0

właściwa; współczynnik gniotu kąt odkształcenia postaciowego w płaszczyźnie oktaedrycznej kąty odkształcenia postaciowego w układzie odniesienia x, y, z kąty odkształcenia postaciowego w układzie głównym sferyczna powierzchnia nieciągłości prędkości gniot procentowy na średnicy kęsa przy walcowaniu skośnym gniot na średnicy zewnętrznej kęsa - tulei w strefie odkształcenia, za­ pewniający spełnienie warunków chwytu: wtórnego na główce dziurującej i pierwotnego pełnego kęsa intensywność odkształceń skończonych gniot krytyczny przy walcowaniu skośnym kąty odkształcenia liniowego, stycznego i promieniowego wskaźniki kształtu powierzchni pasma i styku przy walcowaniu główne odkształcenia rzeczywiste poszerzenie, gniot i wydłużenie bezwzględne wskaźnik poszerzenia zmiana skręcenia liniowego wypadkowa sił naciągów przy walcowaniu elementarny przyrost przemieszczenia elementarny przyrost przemieszczenia w kierunku osi x elementarny przyrost siły zewnętrznej elementarny przyrost powierzchni nacisku intensywność odkształcenia; odkształcenie uogólnione odkształcenie średnie odkształcenie oktaedryczne odkształcenie logarytmiczne w kierunku wzdłużnym, promieniowym i stycznym odkształcenie postaciowe rzeczywiste i w przy złomie poszerzenie, gniot i wydłużenie względne odkształcenie rzeczywiste logarytmiczne w kierunku poprzecznym, pionowym i wzdłużnym główne odkształcenia logarytmiczne odkształcenie w kierunku normalnej do powierzchni krytyczna odkształcenie w momencie złomu całkowite niejednorodne odkształcenie zastępcze prędkość odkształcenia współczynnik lepkości dynamicznej; współczynnik sprawności procesu kucia wskaźnik tłoczności wg Fukui współczynniki prędkości osiowej i stycznej stała materiałowa Lamego; współczynnik wydłużenia

W y k a z oznaczeń

X jo, ME, (^o v T

CT

^

~ -

p a o -

Gk a a c j ; <j\ o (ARJP) RJ, RJY a,; a ; a x x t

17

współczynnik nierównomierności tarcia powierzchniowego stała materiałowa Lamego; współczynnik tarcia wskaźnik odkształceń i naprężeń Lodego współczynnik przewężenia poprzecznego (stała materiałowa, tzw. liczba Poissona) gęstość ciała; kąt tarcia naprężenie bazowa wartość granicy plastyczności

~ intensywność naprężeń (naprężenie uogólnione) - naprężenie średnie - naprężenia normalne na powierzchni styku - naprężenia przeciwciągu i naciągu - naprężenie uplastyczniające - opory płynięcia w strefie odkształcenia - naprężenie w chwili pękania (złomu) - naprężenia główne - naprężenie styczne - naprężenie styczne na płaszczyźnie oktaedrycznej - naprężenie styczne na powierzchni styku metalu i narzędzia; granica plastyczności przy ścinaniu x , x , t i - główne naprężenia styczne (p - kąt skrętu gwiazdy Pełczyńskiego (|> - współczynnik odkształceń zbędnych ^o,^i - współczynnik przeciwciągu i naciągu =

m

n

0

p

2

3

okt

s

12

23

3

Q

TEORETYCZNE PODSTAWY KSZTAŁTOWANIA PLASTYCZNEGO

1. Wybrane elementy z teorii odkształceń plastycznych

21

1. WYBRANE ELEMENTY Z TEORII ODKSZTAŁCEŃ PLASTYCZNYCH 1.1. Stan naprężenia 1.1.1. Stan naprężenia w punkcie Rozważmy, na początku dla uproszczenia, prosty stan obciążenia, jakim jest rozciąganie pręta o polu powierzchni przekroju poprzecznego S, siłą F. Aby określić, w jaki sposób siła ta oddziałuje na wybrany punkt pręta, dokonujemy umownego przecięcia przez ten punkt, odrzu­ cając jedną część pręta, którą zastępujemy reakcją i wówczas możemy naprężenie zdefiniować jako siłę przypadającą na jednostkę powierzchni. Tak zdefiniowane naprężenie ma kierunek normalny do powierzchni i równoległy do siły zewnętrznej. W ogólnym przypadku naprężeniem a w punkcie x nazywamy (rys. 1. la) AF ;

°= lim — AS-^0

Rys. 1.1.

A

O- ) 1

*

Stan naprężenia w punkcie: interpretacja geometryczna określania wektora naprężenia (a), jego rozkład na składowe: normalną i styczną (b) oraz układ naprężeń na ściankach elemen­ tarnego prostopadłościanu (c) [36]

22

Teoretyczne podstawy ksztaitowania plastycznego

Naprężenie, występujące w danym punkcie i danej płaszczyźnie przekroju jest wekto­ rem. Naprężenie a - występujące na danej powierzchni, można rozłożyć na dwie składowe (rys. l.lb): 1) składową normalną do powierzchni a , zwaną naprężeniem normalnym, 2) składową styczną do powierzchni x , zwaną naprężeniem stycznym. Z bryły można wyciąć elementarny sześcian, zamykający otoczenie punktu Xj (rys. l.lc) tak zorientowany, by jego krawędzie były zgodne z kierunkami układu odniesienia, pozwalają­ cy na określenie stanu naprężenia, panującego w otoczeniu tego punktu. Stan ten będzie opisa­ ny trzema wektorami (przestrzeń jest trójwymiarowa), z których każdy może być rozłożony na trzy składowe. Zgodnie z oznaczeniem - przyjętym na rysunku l.lc, otrzymuje się macierz n

s

CT

|

C T

ij|

= C T

li 12 13 CT

CT

21

CT

CT

a

31

3

a

2

3

22

CT

23

O- ) 2

3

która jest tensorem naprężenia w punkcie x , w którym stosowany jest system oznaczeń: i normalna do powierzchni, j - kierunek działania. Tensor ten jest tensorem symetrycznym, więc ma sześć niezależnych składowych [15, 17,36, 70, 100, 130]. s

1.1.2. Naprężenia główne W każdym punkcie przestrzeni trójwymiarowej można znaleźć takie kierunki układu współrzędnych i wyznaczyć trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny, na których nie występują naprężenia styczne, a występujące na nich naprężenia normalne mają wartości, spełniające ogólnie zależność aj > a > a , tzn. maksymalną, średnią i minimalną, aby tensor naprężeń był tensorem diagonalnym, tzn. o postaci aj 0 0 2

N

=

0 0

a 0

2

0 a

3

(1.3)

3

Takie kierunki nazywamy kierunkami głównymi, a odpowiadające im wartości naprę­ żeń - naprężeniami głównymi. Dla uproszczenia rozważań teoretycznych w dalszej części pracy będą omawiane jedynie tego typu naprężenia, a później - odkształcenia. Niezmiennikami tensora naprężeń, tzn. pierwiastkami równania a - N ! a + N C T - N =0 3

2

2

3

(1.4)

niezależnymi od kierunków przyjętego układu odniesienia, są: niezmiennik pierwszy, albo liniowy, przedstawiający sumę składowych ustawionych na głównej przekątnej tensora naprężenia N] = a + a + a =const (1.5) t

-

2

3

niezmiennik drugi, zwany kwadratowym, stanowiący sumę minorów wyjętych z wy­ znacznika według elementów przekątnej głównej

1. Wybrane elementy z teorii odkształceń plastycznych

23

N = + CT2 3 3 l (1.6) niezmiennik trzeci, zwany sześciennym, jest rozwinięciem wyznacznika utworzonego z głównych składowych tensora naprężeń CT

+0

CT

2

-

N

-

3

= rjjC^c^

(1.7)

wielkość uważana także za niezmiennik, a nazywana średnią wartością naprężeń głów­ nych, bądź naprężeniem średnim lub izotropową częścią tensora naprężenia (1.8)

Rys. 1.2.

Schematy stanu naprężenia: a - liniowy, b - płaski, c - trójwymiarowy [36, 70, 100]

Schematy stanu naprężenia - po wydzieleniu w ciele obciążonym elementarnego pro­ stopadłościanu o krawędziach równoległych do kierunków głównych, można przyjąć, że schemat głównych naprężeń jest jednakowy dla wszystkich punktów ciała i określa stan naprę­ żenia danego ciała. Istnieje więc dziewięć schematów stanu naprężenia (rys. 1.2): dwa liniowe, trzy płaskie i cztery trójwymiarowe. 1.1.3. Aksjator i dewiator stanu naprężenia Stan naprężenia - określony w dowolnym punkcie ośrodka, można rozłożyć na stany składowe (rys. 1.3): 1) Równomierny stan hydrostatyczny, odznaczający się równością naprężeń aj = a2 = CT3 = c j , tj. wszechstronne równomierne ściskanie lub rozciąganie o wielkości średniej, dążące do zmiany objętości elementu w zakresie sprężystym. m

24

2)

Teoretyczne podstawy kształtowania plastycznego

Dewiacyjny stan naprężenia, dążący do zmiany postaci bez zmiany objętości, charakte­ ryzujący czyste ścinanie pod wpływem naprężeń + a + a = 0, stosunkowo łatwo po­ wodujących osiągnięcie stanu plastycznego metalu. Wobec tego tensor naprężenia T„ można rozłożyć na: 2

-

3

tensor, w którym elementy położone na przekątnej głównej są sobie równe a , noszący nazwę aksjatora naprężenia A zwanego także tensorem kulistym; tensor, w którym suma elementów, położonych na przekątnej głównej równa jest zeru, noszący nazwę dewiatora naprężenia D . m

c

-

c

Można to zapisać w postaci T = A CT

T

^yx

X

T

xy

^zy T

^xz

0

zx

= 0

x

CT

Ł

xy

lub po rozwinięciu

a

m

CT

0 +

0

z

CT

0

+D

a

T

u

yx

y

T

m

zx L

zy

0

którą w układzie naprężeń głównych można przekształcić do postaci 0 0 0 0 0 0 1 m q c> q) ^ ą zahamowania poślizgu, zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i A3, mechani­ zmem odkształcenia plastycznego na zimno o dużym znaczeniu może być bliźniakowanie, polegające na jedno­ rodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania (rys. 1.25). Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nier»Rys. 1i . 2< 5^. Schemat ol * zblizniaczonego ur- • ikryształu . i o sieci• odkształconej w taki sposób, że ich regularnej ściennie centrowanej Al [12] struktury krystaliczne są symetryczne t

J

r

53

1. Wybrane elementy z teorii odkształceń plastycznych

osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane). Pełzanie dyslokacyjne. Mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu dla plastycznej przeróbki metali w podwyższonych temperaturach jest pełzanie dyslokacyjne. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie, usuwające częściowo lub niemal całkowicie skutki umocnienia zgniotowego, tj.: zdrowienie dynamiczne i rekrystalizacja dynamiczna. Odkształcenie plastyczne metali na gorąco jest zapoczątkowane, podobnie jak na zimno, przez poślizg dyslokacji w licznych systemach poślizgu. W ślad za poślizgiem przebiegają intensywnie zjawiska aktywowane cieplnie tj. wspinanie dyslokacji i poślizg poprzeczny. Po­ ślizg poprzeczny polega na zmianie płaszczyzny poślizgu przez dyslokacje śrubowe, pod dzia­ łaniem dostatecznie dużych naprężeń. Poślizgu poprzecznego mogą doznawać tylko dyslokacje śrubowe wtedy, gdy płaszczyzny poślizgu pierwotnego i porzecznego mają wspólny kierunek poślizgu. Pełzanie dyfuzyjne. Pełzanie dyfuzyjne i poślizg po granicach ziaren jako mechanizmy odkształcenia plastycznego metali nie są zwykle wykorzystywany podczas przeróbki plastycz­ nej. Występują one natomiast jako niekontrolowane i nie pożądane procesy niszczenia metali, decydujące np. o pełzaniu metali. Wyjątek stanowi tzw. odkształcenie nadplastyczne - wyko­ rzystywane w niektórych przypadkach nawet na skale przemysłową. Przebiega ono w wyso­ kich temperaturach, z bardzo małymi szybkościami odkształcenia, a stopień odkształcenia sięga kilkuset procent. Pełzanie dyfuzyjne zachodzi w temperaturze homologicznej wyższej od 0,6T w warun­ kach niehydrostatycznego stanu naprężenia Wówczas wskutek oddziaływania składowej nor­ malnej naprężeń występują lokalne różnice potencjału chemicznego wakansów wyrównujące się podczas pełzania dyfuzyjnego. Przepływ wakansów odpowiada dyfuzyjnemu przepływowi masy w odwrotnym kierunku i w rezultacie prowadzi do odkształcenia ziaren przez wydłużenie ich w kierunku rozciągania. Poślizg po granicach ziarn. Poślizgu po granicach ziaren nie ujęto na mapie mechani­ zmów odkształcenia plastycznego ze względu na jego ograniczone znaczenie. Poślizg po gra­ nicach ziaren polega na przesuwaniu się i obrotach ziaren wzdłuż ich granic szerokokątowych. Poślizg po granicach ziaren w pol i kryształach odkształcanych plastycznie na gorąco jest wy­ łącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziaren dyslokacji granic ziaren lub dyslokacji siecio­ wych. t

1.8. Warunki utraty stateczności materiału Z chwilą osiągnięcia warunków plastyczności materiał wyżarzony zaczyna odkształcać się plastycznie, a zasięg odkształceń plastycznych, z punktu widzenia możliwości wykorzysta­ nia go w procesach przeróbki plastycznej, jest ograniczony. Po okresie jednorodnego odkształ­ cania plastycznego, pojawiają się obszary, w których odkształcenia uzyskują większe wartości od wartości średnich. W miarę postępującego odkształcenia taka lokalizacja odkształceń coraz bardziej pogłębia się i wreszcie - po utracie stateczności materiału, dochodzi do utraty spójno­ ści, czyli powstania złomu.

54

Teoretyczne podstawy kształtowania plastycznego

Rodzaj materiału i warunki odkształcenia decydują o kolejności występowania tych zja­ wisk podczas procesu odkształcania plastycznego, zwykle najpierw pojawiają się warunki utraty stateczności, można jednak tak dobrać własności materiału i warunki odkształcania, że powstania złomu nie poprzedza utrata stateczności. Aby dokładniej zanalizować warunki wywołujące lokalizację odkształceń, rozpatrzmy przebieg odkształcania plastycznego próbek walcowych, poddanych jednoosiowemu rozciąga­ niu, ściskaniu oraz skręcaniu. Geometryczną konsekwencją takiego miejscowego wzrostu odkształceń poszczególnych próbek jest (rys. 1.26): miejscowe przewężenie próbki rozciąganej, miejscowe spęczenie próbki ściskanej, miejscowe zwiększenie kąta nachylenia linii śrubowej próbki c) skręcanej. Takie miejscowe zmiany od­ kształcenia mogą być wywołane poprzez jednoczesne zmiany pola przekroju poprzecznego i naprężenia uplastyczniającego w przekroju naj­ bardziej podatnym na zajście takich zmian. Pole przekroju poprzecznego próbki zmniejsza się podczas rozcią­ gania, zwiększa podczas ściskania, bądź pozostaje niezmienione pod­ czas skręcania. Naprężenie uplastyczniające Rys. 1.26. Miejscowy wzrost odkształceń próbek cylin­ drycznych poddanych: jednoosiowemu: rozcią­ może zwiększyć się wskutek np. ganiu (a) lub ściskaniu (b) oraz dwuosiowemu umocnienia odkształceniowego oraz skręcaniu (c) [17] czułości na prędkość odkształcenia, lub zmniejszyć - w wyniku lokalnego wzrostu temperatury (spowodowanego wydzieleniem się ciepła wskutek odkształcenia), likwidacji skutków uprzedniego umocnienia oraz powstania, wzrostu i łączenia szczelin lub porów. Panujące w procesie plastycznego odkształcenia warunki naprężenia mogą prowadzić do samoczynnego wyrównywania odkształceń w całym obszarze materiału (obszar A) lub do koncentracji odkształceń w dowolnym przekroju (obszar B), w którym metal podatny jest do utraty stateczności, wskutek czego powstająca niejednorodność odkształceń będzie się pogłę­ biała, co doprowadzi najpierw do utraty stateczności w tym przekroju, a później do utraty spój­ ności. Podczas ściskania utrata stateczności na ogół nie występuje, a ponadto są dogodniejsze warunki do ujednorodnienia odkształceń. Przy rozciąganiu utrata stateczności objawia się tzw. przewężeniem próbki, co sprzyja niejednorodności odkształceń. Natomiast w próbie skręcania, wobec stałości pola przekroju poprzecznego, o lokalizacji odkształceń decyduje jedynie stosu­ nek naprężenia uplastyczniającego w obszarach A i B.

1. Wybrane elementy z teorii odkształceń plastycznych

55

1.9. Zniszczenie materiału - złom i przełom W poszczególnych punktach obciążonego materiału, w których panuje stan naprężenia, wynikający ze schematu obciążenia, pojawiają się submikroskopowej wielkości tzw. zarodki lub zalążki naruszenia spójności. Zalążek powstaje na ogół z kilku węzłów atomowych, które nie są obsadzone atomami. Zalążki te pojawiają się w sposób nieprzerwany, w różnych miej­ scach obciążonego elementu. Część z nich zanika, część trwale zachowuje się. W wyniku wzrostu submikroskopowe zalążki przekształcają się w mikroszczelinki o wielkości wyrażonej w tysiącach angstremów. W sąsiedztwie zalążków i mikroszczelinek pojawia się największa koncentracja naprężeń. Przy sprzyjających warunkach, a mianowicie przy odpowiednim sche­ macie naprężeń i dużej ich koncentracji, mikroszczelinki przeobrażają się w makroszczeliny, a te - przy dalszym wzroście naprężeń przekraczających siły spójności, doprowadzają do złomu. Elementarnym aktem plastycznego odkształcenia jest przemieszczanie się atomów z jednych miejsc stałej równowagi w inne, co łączy się z naruszeniem więzi między atomowych. Gdy w wyniku naruszenia więzi pojawiają się wakansy, wówczas wokół nich występuje określona koncentracja naprężeń i prawdopodobieństwo przekształcenia się wakansów w zalążki mi­ kroszczelinek. Odkształcanie plastyczne związane jest z nieprzerwanym tworzeniem się i zaleczaniem zalążków naruszenia spójności. Końcowy wynik obu tych przeciwstawnych procesów zależny jest od wzajemnych prędkości ich przebiegu. Jeśli prędkość zaleczania jest większa od prędko­ ści tworzenia się zarodków, to metal nie ulega zniszczeniu nawet przy dowolnych odkształce­ niach. Z tym zjawiskiem spotykamy się przy odkształceniu ciała, które wykazuje idealną pla­ styczność. Jeśli jednak prędkość tworzenia się i rozwijania zarodków jest dużo większa od prędkości zaleczania, to zarodki rozwijaj Są się bardzo szybko i plastyczne odkształcenie nie zdąży się rozwinąć, w wyniku czego nastąpi złom bez oznak plastycznego odkształcenia. Gdy złom powstanie przy małych odkształceniach sprężystych, wówczas mamy do czynienia z materiałem kruchym, gdy przy dużych - z ciałem sprężystym. Proces tworzenia zalążków oraz zniszczenia metalu zależy od schematu stanu naprężenia wytworzonego w obszarze naruszenia spójności oraz od wielkości naprężeń i stopnia ich kon­ centracji w pobliżu tego obszaru. Zależy ponadto od charakteru naruszenia więzi między ato­ mowej i warunków jej odbudowy. Schemat naprężenia w obszarze naruszenia spójności powi­ nien być taki sam jak i schemat układu sił, które obciążają dany element. Jednakże, jeśli w pobliżu obszaru, w którym pojawia się zalążek naruszenia sił spójności, a w konsekwencji złom, struktura metalu wykazywać będzie niejednorodność, to pojawią się naprężenia, które w sposób istotny mogą zmienić pierwotny jego schemat, wynikający z działania sił zewnętrz­ nych, obciążających dany element. Podobny wpływ na stan naprężeń wywiera anizotropia własności mechanicznych metalu, jak również kształt submikroskopowej szczelinki. Wymienione przyczyny mogą również spo­ wodować to, że przy schemacie odpowiadającym trójosiowemu ściskaniu w okolicy zalążka wystąpi stan naprężenia odpowiadający trójosiowemu rozciąganiu. Powyższy wpływ niejedno­ rodnej struktury, anizotropii i kształtu zalążka na zmianę stanu naprężenia w pobliżu zalążka

56

Teoretyczne podstawy kształtowania plastycznego

złomu pozwala zrozumieć, dlaczego powstają szczeliny z wyraźnymi oznakami złomu kruche­ go, a nie plastycznego (poślizgowego) w metalach poddanych trój osiowemu ściskaniu. Przy bardzo dużej prędkości tworzenia zalążków i bardzo małej prędkości zaleczania prędkość naru­ szenia spójności będzie bardzo duża. W tym przypadku powstanie podczas obciążenia przełom bez śladów odkształcenia plastycznego. Może zaistnieć przypadek odwrotny, tzn. przy dużej prędkości zaleczania i małej prędkości tworzenia zalążków prędkość naruszenia spójności będzie dążyć do zera - w przypadku tym plastyczność wzrasta nieograniczenie [70, 94, 95]. Wpływ stanu naprężenia na odkształcalność można ocenić, wyrażając graniczne od­ kształcenie w funkcji charakterystycznego dla danego procesu tzw. wskaźnika stanu odkształ­ cenia. Według hipotezy Kołmogorowa [45], w której wskaźnik stanu naprężenia k zdefinio­ wano jako stosunek naprężenia średniego a do intensywności naprężeń stycznych x wzorem m

x

(1.57) a wielkość odkształcenia postaciowego A dla procesów monotonicznych wyznacza się za­ leżnością, ujmującą intensywność odkształcenia £j iz

A - V3si

(1.58)

iz

Tak zbudowany wykres (rys. 1.27) pozwala na określenie (w danym stanie naprężenia pojawiającym się w metalu podczas jego przeróbki plastycznej) stopnia odkształcenia, dla którego nie nastąpi jeszcze złom metalu. G

2

=

2

a

1

> a

2

> a

3

IZ

PRÓBA ROZCIĄGANIA HYDROSTATYCZNEGO

| ROZCIĄGANIE PRÓBEK . Z KARBEM

PRÓBA SKRĘCANIA

-033

Rys. 1.27.

+ 0.33

0

k

Zależność granicznego odkształcenia postaciowego A od wskaźnika stanu naprężenia k i jego wpływ na odkształcalność materiałów w różnych procesach przeróbki plastycznej [45] 1Z

1. Wybrane elementy z teorii odkształceń plastycznych

57

W celu wyznaczenia krzywych odkształcalności granicznej przeprowadza się takie próby, aby poszczególne eksperymenty różniły się wartościami wskaźnika stanu naprężenia i obej­ mowały możliwie szeroki zakres, odpowiadający wartościom tego wskaźnika w technologicz­ nych procesach przeróbki plastycznej. Rozdzielenia materiału można dokonać dwoma, zasadniczo różnymi sposobami: 1) przez zerwanie wiązań atomowych, czyli pękanie, a więc przez naruszenie jego spójności, oraz 2) na drodze odkształceń plastycznych bez naruszenia jego spójności. Tak więc drugą granicą pozostawania metalu w stanie plastycznym jest warunek zacho­ wania jego spójności do osiągnięcia tzw. granicy wytrzymałości rozdzielczej metalu, po prze­ kroczeniu której nastąpi zniszczenie metalu (rys. 1.28), czyli: - złom kruchy - zachodzi po grania) b) c) cach ziarn w płaszczyźnie prosto