Силы и натяжения при деформации металлов

05.10.2019

Обработка металлов давлением происходит под действием поверхностных сил, передаваемых изделию при помощи того или иного инструмента.

Поверхностные силы делятся на приложенные активные, реактивные и силы трения.

Рассмотрим действие указанных сил при волочении и прессовании прутков (рис.15).

Приложенные активные силы создаются механизмом и передаются металлу при помощи инструмента или иного приспособления. В случае волочения прутка приложенной активной силой является тянущая сила P (рис. 15, а), созданная электродвигателем и переданная прутку при помощи цепи и тележки. Сила давления N, возникающая в результате противодействия волоки, является реактивной силой. При движении прутка через волоку на их контактных поверхностях возникают силы трения Т, препятствующие движению прутка в направлении действия силы P. На том же рисунке показано действие перечисленных сил при прессовании. В последнем случае приложенная активная сила P действует как сжимающая сила.

Силы трения в большинстве процессов являются вредными, так как на преодоление их бесполезно затрачивается энергия. Для уменьшения сил трения при волочении, штамповке и т. д. применяют смазки.

При прокатке же силы трения играют положительную роль, так как они способствуют лучшему захвату металла валками, и поэтому иногда для улучшения захвата принимают меры к увеличению сил трения. Силы трения способствуют возникновению неравномерной деформации, что в свою очередь создает в металле неоднородность структуры и механических свойств.

Под действием поверхностных сил в теле возникают внутренние силы. Величина этих сил, отнесенная к единице площади, на которую они действуют, называется напряжением. В зависимости от величины и направления напряжений изменяются размеры и форма изделия или же оно разрушается.

Напряжения в изделии могут распределяться равномерно, как например в образце при линейном растяжении, а также неравномерно, как это наблюдается при вдавливании стального шарика в металл при определении его твердости. В первом случае в поперечном сечении образца возникают равномерные растягивающие напряжения, а во втором — неравномерные сжимающие напряжения: максимальные в центре отпечатка и постепенно, по мере удаления от центра, убывающие до полного исчезновения.
Силы и натяжения при деформации металлов

В производственных условиях силы действуют на металл в разных направлениях, вследствие чего в металле возникает сложное напряженное состояние. Ho любое напряженное состояние можно характеризовать тремя главными напряжениями, расположенными в трех взаимно перпендикулярных направлениях, как это показано на рис. 16. Пусть, например, на тело А действуют в разных направлениях силы P1, P2...Pn. Под действием этих сил в теле возникают также различно направленные напряжения. Теперь, если в теле А мысленно выделить часть металла в виде кубика, а напряжения сгруппировать по трем взаимно перпендикулярным направлениям X, Y, Z, то напряженное состояние кубика и самого тела А будет характеризоваться следующими главными напряжениями: ox, oy, оz. По направлению действия главных напряжений и в соответствии с их величинами деформируется металл. Такие деформации, которые происходят в направлении действия главных напряжений, называют главными деформациями.

Большинство процессов обработки металлов давлением можно представить в виде так называемых деформационно-силовых схем (рис. 17), на которых указывается направление действующих главных напряжений и вызываемых ими главных деформаций. Например, при прессовании, когда металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию, вследствие чего поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается, напряжение С и деформация Д могут быть иллюстрированы схемой а. При волочении, когда на металл действуют растягивающие и сжимающие силы, вследствие чего длина изделия увеличивается, а поперечные размеры уменьшаются, направление напряжений С и деформаций Д может быть представлено схемой г.

Рассматривая действие напряжений и вызываемых ими деформаций, необходимо заметить, что пластическая деформация возможна только в том случае, когда главные напряжения не равны между собой. Объясняется это тем, что при равных сжимающих напряжениях деформация невозможна, так как металлы не сжимаются, а при равных всесторонних растягивающих напряжениях они хрупко разрушаются — происходит отрыв металла.

Напряжения в металле в процессе пластической деформации практически распределяются неравномерно. Это вызывается не только размерами изделия, способом приложения нагрузки и ее направлением, но и неодновременностью начала деформации по всему объему, различным влиянием трения на поверхности металла и инструмента, формой инструмента, неравномерностью нагрева металла и т. д. Поэтому в деформированном изделии наряду с основными напряжениями действуют также дополнительные напряжения, в результате чего в изделии остаются так называемые остаточные напряжения. При волочении, например, неравномерность напряжений сказывается в том, что силы трения на поверхности волоки и прутка, направленные в сторону, противоположную его движению, тормозят перемещение наружных слоев прутка. Ho так как наружные и внутренние слои между собой прочно связаны, между ними возникает определенное взаимодействие Внутренние слои, увлекая наружные, создают в последних дополнительные растягивающие напряжения, а наружные слои в свою очередь создают дополнительные сжимающие напряжения во внутренних слоях. В этом можно легко убедиться, если протянутый пруток а разрезать пополам вдоль оси: половинки прутка изогнутся своими концами в сторону, противоположную плоскости разреза б (рис. 18). Это свидетельствует о том, что наружные слои прутка до разрезки испытывали растягивающие напряжения, а внутренние — сжимающие напряжения.

Несмотря на то, что напряжения в изделиях распределяются неравномерно, для определения их величины принято делить поверхностно активную силу P на площадь F, на которую действует эта сила, т. е. a =P/F, где о — напряжение, кГ/мм2.

Для того чтобы металл начал деформироваться, необходимо создать в нем напряжения, которые были бы не меньше предела текучести. Практически же рабочие напряжения, наблюдаемые при волочении и особенно при прессовании, вследствие влияния сил трения значительно превышают предел текучести.

Способность деформироваться у разных материалов проявляется по-разному и зависит от их природы и условий обработки. Из последних наиболее существенное значение имеет характер напряженного состояния, создаваемого в металле приложенной нагрузкой, реактивными силами и силами трения. Поведение металла зависит от величины и направления действующих сил: металл в одном случае будет пластически деформироваться, а в другом — может разрушиться.

Рассматривая способы обработки металлов давлением, следует заметить что весьма благоприятный метод обработки — прессование, при котором всестороннее сжатие препятствует разрушению металла. Наихудшие условия обработки наблюдаются при волочении, когда растягивающие напряжения способствуют разрыву изделия. Прокатка, где действуют сжимающие и растягивающие силы, занимает промежуточное положение.

В качестве примера можно привести горячую обработку малопластичных сплавов (МА5; Бр.ОФ4-0,15; Бр.ОФ6,6-04; Бр.ОЦС4-4-2,5; Бр.ОЦ4-3), прокатка которых невозможна или же сопровождается образованием трещин, а прессование не вызывает особых затруднений.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна