Создание новых и совершенствование существующих технологий пластического деформирования требует исследования закономерностей формирования остаточных технологических напряжений в металлоизделиях [1]. При этом актуальной задачей является установление влияния технологии на уровень и характер распределения остаточных напряжений, особенно при производстве металлопродукции ответственного назначения методами холодной деформации.
Повышение надежности машин и конструкций также связано с решением комплекса различных проблем, среди которых большое значение имеет проблема остаточных напряжений. Практически все существующие технологические процессы изготовления, восстановления и упрочнения деталей и конструктивных элементов связаны с формированием в них самоуравновешенной системы остаточных напряжений, которые могут достигать значительных величин вплоть до предела текучести и прочности материала.
Прикладная важность проблемы определения и учета остаточных напряжений состоит в том, что они могут играть как положительную, так и отрицательную роль в изменении прочности, жесткости, устойчивости и износостойкости изделий, определяя тем самым их работоспособность в эксплуатации при различных видах и условиях нагружения.
Уровень остаточных напряжений является во многих случаях важным параметром, определяющим качество изделий, полученных в результате пластического деформирования. Причины образования остаточных напряжений многообразны (неоднородность пластической деформации, температурного поля, фазовые превращения и т. д.), которые по своей величине могут превосходить напряжения от внешних нагрузок [2].
Теоретическое определение остаточных напряжений требует решения достаточно сложной связанной задачи термоупругопластичности. Снижение уровня остаточных напряжений приводит к необходимости решения оптимизационной задачи механики твердого деформируемого тела. Число таких задач, решенных применительно к технологическим процессам обработки материалов, весьма невелико [3].
При благоприятном распределении остаточных напряжений возрастает прочность, работоспособность и долговечность изделий. Остаточные напряжения в изделиях влияют на развитие процессов замедленного разрушения, усталостную и хрупкую прочность, коррозионную стойкость. Релаксация остаточных напряжений может вызвать нежелательные изменения геометрических размеров. При циклическом нагружении деталей сопротивление усталости в значительной мере зависит от знака, величины и характера распределения остаточных напряжений. Если циклические напряжения от внешних нагрузок изменяются по симметричному циклу, а в поверхностном слое действуют сжимающие остаточные напряжения, то результирующее суммарное напряжение может быть асимметричным. При этом если среднее напряжение будет сжимающим, то предел выносливости увеличивается. Соответственно при среднем растягивающем напряжении предел выносливости понижается.
Положительная роль остаточных напряжений является резервом прочности в машиностроении. Но в большинстве случаев они играют отрицательную роль, так как далеко не всегда удается получить их благоприятное распределение по объему изделия. Поэтому проблема остаточных напряжений включает решение комплекса научных и инженерных задач теоретического и экспериментального исследования процессов формирования остаточного напряженного состояния и управления ими, создание методов теоретического определения и экспериментального исследования, изучение влияния остаточных напряжений на прочность и эксплуатационные характеристики деталей машин и элементов конструкций.
В ряде случаев повышенные требования к качеству металлоизделий определяются не условиями эксплуатации изделий, а возможностью внедрения более современной технологии на машиностроительных заводах. Например, создание поточных автоматизированных линий требует применения высокоточных заготовок с малой кривизной и однородными свойствами по длине. Прямолинейность (равновесность) изделий, полученных пластическим деформированием, также определяется характером распределения остаточных напряжений. Наличие несимметрии распределения остаточных напряжений по сечению изделия может привести к появлению результирующего изгибающего момента, изгибу изделия и его криволинейности после пластического деформирования.
Во всех случаях отмеченные показатели качества в значительной мере зависят от характера распределения и величины остаточных напряжений [4].
Под остаточными напряжениями понимают напряжения, сохраняющиеся в теле после удаления причин, вызвавших их появление. Иногда в литературе приводятся термины «внутренние», «собственные», «начальные», но эти термины также относятся к остаточным напряжениям.
Хотя с проявлением действия остаточных напряжений сталкивались, давно, считается, что изучение их начато В. И. Родманом в 1857 г. и И. А. Умовым в 1871 г. Н. В. Калакуцким в 1887 г. были начаты систематические исследования остаточных напряжений, появились первые методики их расчета.
Всестороннее исследования остаточных напряжений начаты в 30-е годы Н. Н. Давиденковым и Г. Заксом. Классификация остаточных напряжений была предложена Н. Н. Давиденковым [5]. Согласно этой классификации остаточные напряжения могут быть трех родов.
Остаточные напряжения первого рода.
Уравновешиваются в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами детали. Их существование выявляется после разрезки деталей по деформации отдельных элементов и по изменению параметра решетки (смещению линий на рентгенограммах).
Остаточные напряжения второго рода.
Уравновешиваются в объемах одного порядка с размерами зерен и рентгенографически выявляются размытыми (уширенными) линиями на рентгенограммах. Поскольку кристаллики не являются совершенными, Б. М. Ровинский предложил разделить остаточные напряжения второго рода на агрегатные, присущие только поликристаллическим телам, и мозаичные, являющиеся собственно кристаллитными [6].
Остаточные напряжения третьего рода.
Уравновешиваются в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой и рентгенографически выявляются по ослаблению интенсивности линий высших порядков на рентгенограммах и усилению диффузного фона. Введенная Н. Н. Давиденковым классификация широко используется и в настоящее время.
Классификации, предложенные Е. Орованом [7] и К.В.Мак-Грегором [8], являются менее полными, так как согласно им остаточные напряжения подразделяются на две группы: макро и микро напряжения, которые, в свою очередь, подразделяются на зависимые и остаточные напряжения. Зависимыми напряжениями называются те напряжения, которые зависят от существования причины их возникновения. Сюда относятся так же упругие напряжения, вызванные действием внешних нагрузок в то время, когда эти нагрузки приложены к телу. За исключением последних напряжений, эти напряжения можно назвать завР1симыми остаточными напряжениями [8]. В таблице 1 приводится классификация Мак-Грегора.
В соответствии с данными классификациями технологические остаточные напряжения, возникающие в процессе пластического деформирования и исследуемые в диссертационнои работе, относятся к остаточным напряжениям первого рода или к макронапряжениям по второй классификации. Влияние этих напряжений на качество, технологические pi эксплуатационные свойства изделий наиболее значительно.
Считается, что основной причиной возникновения остаточных напряжений является неоднородность пластической деформации материала, которая возникает вследствие неоднородной по сечению степени деформации, неравномерного распределения температур при нагреве или охлаждении, неравномерности фазовых превращений в изделии. Фазовые превращения, как правило, сопровождаются большим или меньшим необратимым.
— 1 2.
Таблица 1 Классификация остаточных напряжений по К.В. Мак-Грегору.
Причина возникновения: механическая, термическая, химическая.
Основные напряжения Макромасшт аб Однородные и неоднородные тела Текстурные напряжения Микронапряжения Неоднородные тела.
Зависимые Остаточные напряжения напряжения Остаточные Зависимые напряжения напряжения.
Возникают Возникают Возникают Возникают под после после под действием неоднороднеоднороддействием химич е с ких и ного ного химических и структурных пластичеспластичесструктурных факторов, кого течения кого течения факторов, азотизации, под под легирования, гальваноплас действием действием выпадения из тики, внешних сил внешних сил раствора, структурных или или фазовых нарушений, термических термических пр евр ащений, различных градиентов градиентов, термических расширений как в скольжения, явлений при составных упрочняющемдвойникованаличии тел и т. п. ся, так и в ния, различного неупрочняюобразования расширения щемся сбросов, разных материале. эффектов на составляющих.
Возникают границе и т. п. также под зерен, действием эффектов фазовых ориентации, превращений дислокаций и и т. п. т. п. 1 я — изменением удельного объема кристаллической решетки, тепловыделением и явлением сверхпластичности [9].
Практически все технологические процессы пластического деформирования (ковка, штамповка, прокатка, волочение, прессование) сопровождаются неравномерной пластической деформацией по сечению. Одни слои металла растягиваются в большей степени чем другие, и после разгрузки в них возникают остаточные напряжения сжатия, в других — менее деформируемых слоях возникают растягивающие остаточные напряжения. На неоднородное поле деформаций накладывается неравномерное температурное поле, вследствие как деформационного, так и контактного разогрева за счет действия сил трения в зоне деформации. Неравномерное температурное поле может приводить к протеканию фазовых превращений в металле, что также приведет к возникновению остаточных напряжений.
Обычно отрицательную роль играют растягивающие, а положительную — сжимающие напряжения на поверхности тела. Наличие растягивающих остаточных напряжений повышает склонность металла к коррозии в присутствии агрессивной окружающей среды.
Согласно современным представлениям теории разрушения тело после пластической деформации оказывается пораженным микротрещинами. Остаточные растягивающие напряжения в результате длительного воздействия на микротрещины могут вызвать их увеличение до критических размеров и привести к макроразрушению металла. Кроме того, растягивающие остаточные напряжения способствуют раскрытию микротрещин и проникновению в них агрессивной среды, что приводит к снижению коррозионной стойкости поверхностных слоев металла. В свою очередь, сжимающие напряжения препятствуют коррозионному воздействию агрессивной среды на поверхности микротрещин.
При высоком уровне напряжений и развитых микротрещинах иногда достаточно легких ударных нагрузок для наступления хрупкого излома. Понижение предела усталоститакже результат воздействия растягивающих остаточных напряжений в сочетании с напряжениями от внешних нагрузок, особенно растягивающих.
Таким образом, остаточные напряжения в значительной степени определяют качество и эксплуатационные свойства металлоизделий, поэтому исследование закономерностей формирования остаточных напряжений является актуальной научно-технической задачей. Знание закономерностей формирования остаточных напряжений позволяет управлять характером распределения и величиной остаточных напряжений в изделиях, обеспечивая их высокие эксплуатационные характеристики.
Диссертационная работа посвящена исследованию закономерностей формирования остаточных напряжений при холодном пластическом деформировании применительно к новым дисперсно упрочненным композиционным материалам на основе порошковой меди, используемым при изготовлении деталей сварочной техники. Данные материалы обладают низкой пластичностью и склонностью к поеледеформационному разрушению расслаиванием от действия остаточных напряжений.
При этом рассмотрены вопросы формирования остаточных напряжений в процессах холодного деформирования волочением (калибровкой) прутков, труб и прокаткой полос. При исследовании остаточных напряжений предложен энергетический подход, когда потенциальная энергия упругих остаточных напряжений определяется как доля энергии, пошедшей на пластическую деформацию изделий. На основании полученных решений определены предельные режимы деформирования из условий сохранения X о ~ последеформационной прочности изделий из дисперсно упрочненных композиционных материалов на основе порошковой меди.
Работа выполнялась по тематике единого заказа-наряда N 7 Пермского государственного технического университета 1996 — 1998 гг., в рамках грантов по исследованию в области фундаментальных проблем металлургии в 1996 г. «Теория последеформационного разрушения малопластичных материалов при обработке металлов давлением» и в 1998 г. «Теория разрушения и предельная деформируемость при производстве прутков и труб из дисперсно упрочненных композиционных материалов» .
Целью работы является создание методик экспериментально-теоретического исследования остаточных напряжений в процессах пластического деформирования и оценка технологической прочности дисперсно упрочненных композиционных материалов на основе порошковой меди для аппаратуры сварочной техники, определение предельных технологических режимов из условий сохранения прочности.
Практическая значимость работы: На основании проведенных исследований разработаны технологические режимы пластического деформирования осесимметричных изделий для аппаратуры сварочной техники, обеспечивающие их технологическую прочность от остаточных напряжений. Результаты работы внедрены в Уральском научно — исследовательском институте композиционных материалов (г. Пермь).
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры Динамики и прочности машин при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Научная новизна работы заключается в следующем;
— на основании энергетического подхода предложена методика расчета остаточных напряжений в изделиях после пластического деформированияразработан расчетно-экспериментальный способ определения остаточных напряжений в осесимметричных изделиях (на способ получено положительное решение на выдачу патента РФ от 27.02.97 № 97 103 015);
— из условий предельной деформируемости определены технологические режимы производства осесимметричных изделий из дисперсно упрочненных материалов на основе порошковой меди (получены положительные решения на выдачу патентов на изобретения: решение от 18.12.96 № 95 117 672/02(30 682), решения от 28.10.97 по заявке №.
96 104 983 / 02 (8 433) и решение от 27.01.98 по заявке № 96 120 621/02 (26 937), и решение от 27=04=98 № 98 107 878/02 (91 184)) — предложена методика оценки уровня остаточных напряжений. и потенциальной энергии остаточных напряжений при снятии поверхностного слоя (обточка, скаль пир о в, а ни е) ;
— выполнено решение задачи об остаточных напряжениях, формируемых в процессе пластического деформирования полосовых заготовок, определены предельные режимы деформирования прокаткой полосовых заготовок из труднодеформируемых сплавов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на;
Пятой Международной конференции по остаточным напряжениям, г. Линчепинг (Швеция), 1997 г.- 11~ой Международной Зимней школе по механике сплошных сред, г. Пермь, 1997 г.;
Всероссийской конференции молодых ученых по «Математическому моделированию физикомеханических процессов'» '', г. Пермь, 1997 г. ;
— 1912;ой Международной Зимней школе по механике сплошных сред, г. Пермь, 1999 г, Публикации. По результатам диссертации опубликовано 15 работ, включая 5 положительных решений на выдачу патентов.
Структура и объем работы, Диссертационная работа состоит из введения," 4 глав, заключения по работе, списка, использованных источников, изложенных на 1 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков и список, использованной литературы из 92 н аиме нов аний.
Выводы по главе.
1.Предложенная в диссертации методика эксперимент ально-аналитического определения о ст ат очных напряжений использована для оценки поеледеформационной технологической прочности изделий при пластическом деформировании конструкционных материалов,.
2. Из условия обеспечения технологической прочности определены предельные режимы осесимметричного деформирования (прутки, трубы) конструкционных материалов.
3.Рассчитаны предельные режимы деформирования полосовых заготовок при прокатке. Предельные режимы конкретезированы для современных диспер сноупрочненных композиционных материалов на основе порошковой меди.
4.Показано изменение потенциальной энергии остаточных напряжений при обточке прутковой заготовки. Снятие поверхностных слоев заготовки, остаточные напряжения в которых максимальны, приводит к значительному снижению уровня как остаточных напряжений, так и потенциальнойэнергии остаточных напряжений,.
5.Оценена точность металлоизделий за счет упругой деформации от действия последеформационных остаточных напряжений. б. Новизна технических решений подтверждена пятью положительными решениями на выдачу патентов Российской Федерации.
Заключение
по работе.
1.Пр едложеыа методика эксперименталь но-аналитического определения остаточных напряжений при пластическом деформировании, в соответствии с которой потенциальная энергия остаточных напряжений определяется как некоторая часть энергии пластического деформирования.
2.На основании предложенной методики определены остаточные напряжения в изделиях при осесимметричном пластическом деформировании (проволока, пруток, труба), а также полосовой заготовки при прокатке.
3.Показано влияние основных технологических параметров на уровень остаточных напряжений при пластическом деформировании. Выявленные закономерности согласуются с известными закономерностями формирования остаточных напряжений в процессах пластического деформиров, а ни я.
4.Предложенная методика экспериментально-аналитического определения остаточных напряжений использована для оценки технологической прочности конструкционных материалов из условия предотвращения поеледеформационного разрушения металлоизделий.
5 .Из условия обеспечения технологической прочности определены предельные режимы деформирования осесимметричных изделий (проволока, прутки, трубы), а также полосовых изделий прокаткой.
6.Предложенная методика использована для оценки снижения уровня остаточных напряжений и их потенциальной энергии при снятии поверхностных слоев обточкой заготовки, а также точности изделий за счет упругой деформации от остаточных напряжений.
7.Выполненные расчеты конкретизированы применительно к дисперсноупрочненным композиционным материалам на основе порошковой меди, созданным в Ураль ском научно-исследовательском институте композиционных материалов (г. Пермь).
8.Новизна технических решений диссертационной работы подтверждена пятью полученными положительными решениями Федерального института промышленной собственности (ФИПС) на выдачу патентов Российской Федерации.
