CC BY
68
Литература
1. Дьяконов, В. MathCAD 2001: учеб. курс / В. Дьяконов. - СПб., 2001.
2. Лукин, С.В. Контроль мениска жидкого металла при управлении охлаждением слитка в машине непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, А.В. Ларичев, А.В. Полянский // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 9. -С. 69-70.
3. Лукин, С.В. Теоретическое изменение интенсивности
охлаждения и затвердевание сляба в машине непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, В.В. Мухин, Е.Б. Осипов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 3. -С. 46-51.
4. Полянский, А.В. Синтез статистически сглаженной аппроксимирующей функции в микроконтроллере / А.В. Полянский, А.В. Ларичев // Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы второй Междунар. науч.-техн. конф. - Вологда, 2006. - Т. 2. - С. 167-171.
УДК 621.778, 620.17
С.В. Овчинников, Д.С. Осипов, И.Г. Гунн
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ МАРКИ 40ХН2МА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАВНОПРОЧНЫХ БОЛТОВ
В статье приведены результаты исследований и анализа реологических свойств стали марки 40ХН2МА в исходном и термообработанном состояниях, применительно к проектированию процессов холодной объемной штамповки (ХОШ) стальных заготовок и накатки резьбы, при производстве равнопрочных болтов. Получены зависимости скорости и сопротивления деформации от степени деформации, а также аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования для различных состояний стали.
Пластометрические исследования, пластичность, сопротивление и скорость деформации, статистические зависимости, состояние стали, упрочнение.
The article presents the results of research and analysis of rheological properties of steel 40ХН2МА in initial and heat-treated conditions applied to the design of cold forging process of steel blanks manufacturing and threading of equal in strength bolts. The dependences of resistance and rate of deformation on the degree of deformation as well as approximating equations of deformation diagrams for the different steel types were researched.
Plastometric research; plasticity, resistance and rate of deformation; statistical dependences; steel condition; hardening.
Развитие современных технологий производства автомобильного крепежа с повышенным уровнем эксплуатационных свойств, наряду с определением требований к качеству исходного подката, требует учета специфики технологических процессов производства того или иного вида изделия. Подавляющее большинство этих процессов базируются на взаимодействии различных методов структурного и деформационного воздействий на металл.
Одним из основных способов придания оптимальных прочностных и пластических свойств материалу заготовки является введение в сквозную технологию производства изделий холодной объемной штамповкой операций предварительной и окончательной термической обработки перерабатываемого металла. Однако процессы термической обработки, применяемые на любом из этапов метизного передела, требуют существенных затрат энергоресурсов, использования дополнительного оборудования, производственных площадей, а также высоких эксплуатационных расходов. Все это повышает себестоимость выпускаемых изделий и снижает их конкурентоспособность.
Разработка технологических процессов производства практически любого вида метизной продукции, в частности равнопрочных болтов крепления головки блока цилиндров автомобильных двигателей, невозможна без детального изучения ресурса пластичности получаемых заготовок и исследования его изме-
нения в перерабатываемой стали на отдельных этапах передела.
В связи с вышеизложенным целью данной работы явилось:
- экспериментальное исследование сопротивления деформации при испытаниях на сжатие образцов, изготовленных из стали марки 40ХН2МА, используемой в крепежном производстве, в исходном состоянии и после упрочняющей термической обработки в зависимости от степени и скорости деформационного испытания;
- выявление возможности и условий повышения резервов пластичности исходного металла при использовании на операциях холодной объемной штамповки для обеспечения бездефектного формообразования и накатки резьбы, а также разработка путей рационального проектирования технологических процессов изготовления равнопрочных болтов для автомобильных двигателей.
Оценка реологических свойств проводилась на специально подготовленных цилиндрических образцах с исходными диаметрами йо = 6 мм и высотами Но = 9 мм, изготовленных из стали марки 40ХН2МА производства ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», в состоянии поставки и после термической обработки в виде закалки и отпуска. Твердость термообработанных образцов составляла 37ЫЯС. Испытания на сжатие проводились на кулачковом пластометре при температуре 20 °С, который
обеспечивал реализацию заданного закона нагруже-ния образца при сжатии до относительной степени деформации 70-80 %. Для достижения однородного напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессе осадки использовалась полировка и смазка контактных поверхностей. Статистическая достоверность результатов эксперимента достигалась проведением не менее трех параллельных испытаний для каждого значения скорости и степени деформации с фиксацией (расчетом) текущих значений степени деформации и сопротивления деформации. Число фиксируемых во времени испытаний пар значений равнялось 10 вне зависимости от величины предельной деформации [1].
Распределение скоростей деформации по значениям относительной степени деформации при пла-стометрических испытаниях образцов из исследуемой марки стали, находящейся в исходном состоянии и после термообработки, приведено на рис. 1.
0 10 20 30 40 50 60 70
Относительная степень деформации, %
Образец 1и Образец 2л Образец Зи Образец 4.1 Образец 5и
а)
о ^— —— —— —— ——--
О 10 20 .10 40 50 60
Относительная степень деформации, %
— Образец 4т Образец 5т — —Образецбт
б)
Рис. 1. Распределение скорости деформации по значениям относительной степени деформации при пласто-метрических испытаниях образцов стали марки 40ХН2МА: а - в исходном состоянии; б - после термической обработки
Из рис. 1 видно, что кривые зависимости распределения скорости деформации от суммарного обжатия не имеют существенного различия между собой. Максимальное отклонение скорости деформации от среднего значения по всему массиву данных не превышает 20 %, что свидетельствует об однородности НДС. Однотипный характер полученных кривых говорит об идентичности условий испытаний по отдельным группам стальных образцов и адекватности их поведения при пластометрических исследованиях, что свидетельствует о правомерности использования всей полученной информации в оценочных процедурах и в дальнейших исследованиях.
Диаграммы деформирования для стали 40ХН2МА, находящейся в исходном и термообработанном состояниях, приведены на рис. 2. При построении диаграмм, представленных на рис. 2, использовался весь массив экспериментальных значений без их дифференцирования в зависимости от показанной скорости деформации (см. рис. 1).
1450
а
,и
и ц
а
м р
о
е и н
е
! 450-----------
т о
рп по
О
4 14 24 34 44 54 64
Относительная степень деформации, %
-о-Обр. 1т -»-Обр.2т —_—Обр.Зт -Обр.4т -*-Обр.5т н Обр.бт
—|-Обр.1и —Обр.2и Обр.Зи Обр.4и -■ Обр.5и
Рис. 2. Диаграммы деформирования образцов из стали марки 40ХН2МА в состоянии поставки (индекс «и» в обозначении образцов) и после термической обработки (индекс «т»)
Высокая плотность расположения точек в поле экспериментальных данных свидетельствует о малой дисперсии и достаточно высокой достоверности полученных результатов как для образцов, изготовленных из горячекатаной стали марки 40ХН2МА, так и для образцов из термообработанного металла. Как и следовало ожидать, уровень сопротивления деформации термообработанной стали выше, чем уровень сопротивления деформации того же металла в горячекатаном состоянии, и составляет 50 и 39 % соответственно.
Низкий разброс экспериментальных значений свидетельствует об отсутствии значимого влияния скоростей деформации на сопротивление деформации рассматриваемых сталей. Это подтверждают также и специально проведенные исследования влияния вязких свойств в рассматриваемой стали при холодном деформировании образцов, изготовленных из металла в различном состоянии.
При проведении данных исследований использовались средние значения скорости и сопротивления деформации по образцам. Для этого осуществлялся процесс усреднения скорости и сопротивления деформации по образцам с построением поля значений в координатах «средняя скорость деформации -среднее значение сопротивления деформации».
Линейная аппроксимация осуществлялась по методу наименьших квадратов. Результаты анализа показали, что в рассматриваемом случае скорость деформации не оказывает существенного (статистически значимого) влияния на значения сопротивления деформации при 20 °С, поэтому при проектировании технологических процессов производства крепежных изделий с применением методов холодной объемной штамповки вязкой составляющей можно пренебречь.
Сопротивление деформации сталей определяется не только химическим, но и фазовым составом и структурным состоянием рассматриваемых материалов. Указанные параметры металла формируются на этапах его подготовки к переделу. В связи с этим одной из задач проводимых исследований явилось изучение характера изменения прочностных свойств на различных этапах передела, а именно в состоянии поставки и после термической обработки, а также в сопоставлении кривых упрочнения для анализируемой марки стали, полученных при различных технологических схемах (рис. 3).
Как показали данные, разница начальных значений прочности стали при разном ее состоянии не столь существенна, максимальное значение прочности составляет 72 МПа (»7 кг/мм2), минимальное -16 МПа (» 1,5 кг/мм2) в пользу горячекатаного состояния. Однако дальнейшее пластическое деформирование гораздо в большей степени повышает прочностные свойства образцов из стали, подверженной термической обработке. Как видно из рис. 1, различие прочностных свойств образцов, изготовленных из стали в разных ее состояниях при одинаковых
степенях деформации, составляет 400-550 МПа (» 40-55 кг/мм2). Такое поведение рассматриваемой стали в обязательном порядке следует учитывать при проектировании технологий холодной объемной штамповки крепежных изделий из этого металла.
Анализ структуры представленных уравнений регрессии вида у = ах + Ь показывает их идентичность с уравнениями состояния жесткопластических сред с линейным упрочнением, используемых в теории пластичности для описания реологических свойств материалов. В результате были получены единые уравнения состояния (см. табл. 1). Результаты аппроксимации диаграмм деформирования стали 40ХН2МА в исходном и термообработанном состояниях по линейным зависимостям приведены в табл. 2.
Численной характеристикой упрочнения сталей является модуль упрочнения, который отражает интенсивность увеличения сопротивления деформации в зависимости от обжатия.
Поскольку построенные в ходе исследований диаграммы деформирования имеют не монотонный характер, то для упрощения процедуры определения модуля упрочнения т, представляющего собой тангенс угла наклона касательной к кривой деформационного упрочнения в любой точке с определенной степенью деформации, а также исходя из анализа диаграмм деформирования, была осуществлена процедура линеаризации участков диаграмм упрочнения с построением аппроксимирующих линейными функциями зависимостей - е,. При этом, как следует из всей совокупности данных, на кривых деформационного упрочнения условно можно выделить 3 характерные области, а именно:
- область интенсивного упрочнения при малых степенях деформации, характеризуемую модулем упрочнения т1. Верхний предел этой области ограничен значением ~ 14 % для данной марки стали;
200 4-
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Относительная степень деформации, %
Малые деформации Средние деформации - Большие деформации
Рис. 3. Аппроксимация диаграммы деформирования по характерным участкам для стали 40ХН2МА в термообработанном состоянии
Таблица 1
Аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования стали 40ХН2МА в исходном и термообработанном состояниях
Вид обработки Аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования Достоверность аппрок- 2 симации по критерию г Коэффициент корреляции
В исходном состоянии о = 0,0112е3 - 1,3248е2 + 51,869е + 73,498 0,9939 0,9969
После термообработки о = -0,0017е4 + 0,2505е3 - 13,158е2 + 279,73е - 821,2 0,9904 0,9951
Таблица 2
Аппроксимация диаграмм деформирования стали 40ХН2МА в исходном и термообработанном состояниях по линейным зависимостям
Вид обработки Аппроксимирующие уравнения диаграмм деформирования Достоверность аппроксимации 2 по критерию г 2 Коэффициент корреляции
В исходном состоянии о = 7,7647е + 400,96 0,8537 0,92
После термообработки о = 12,472е + 656,35 0,5934 0,77
- область низкомодульного упрочнения, соответствующую однородному напряженно-деформированному состоянию (НДС). Данная область характеризуется модулем упрочнения т 2, она ограничена
слева верхним пределом области интенсивного упрочнения при малых степенях деформации (~ 14 %), а справа значением степени деформации, при которой начинается область более интенсивного упрочнения, отличающаяся неоднородным НДС (~ 40 %);
- область интенсивного упрочнения, соответствующую высоким степеням деформации и характеризуемую модулем упрочнения т3. Нижний предел указанной области ограничен значением степени деформации, при которой начинается неоднородное напряженно-деформированное состояние (~ 40 %), а верхний предел ограничен деформационным пределом прочности или максимальной степенью деформации исследуемых материалов по условиям проведения экспериментов.
Анализ результатов исследований реологических свойств стали 40ХН2МА в исходном и термообрабо-танном состояниях позволяет сделать следующие выводы применительно к проектированию процессов холодной объемной штамповки стальных заготовок и накатки резьбы, обеспечивающих благоприятные условия для работы технологического инструмента и обеспечения регламентированного качества продукции:
1. Результаты пластометрических исследований стали 40ХН2МА, находящейся в различных состояниях, показали, что все образцы успешно выдержали обжатие, при этом проявления дефектов металлургического и деформационного происхождения обнаружено не было.
2. Для гарантированного достижения качества выпускаемой продукции представляется важным учет величины обжатия при волочении и при проектировании переходов ХОШ, поскольку деформаци-
онный предел прочности для конкретного состояния обрабатываемого металла имеет конкретный уровень, определяемый состоянием стали. Так, для стали в исходном состоянии деформационный предел прочности составляет 62-68 %, а для термообрабо-танной стали - 58-60 %.
3. Отмечено различие в деформационном поведении стали 40ХН2МА в разном ее состоянии. Так, термообработанная сталь 40ХН2МА имеет большую склонность к деформационному упрочнению при малых и больших степенях деформации. Наиболее сильное ее упрочнение происходит на начальной стадии деформирования. Незначительное уменьшение значений прочности заготовок при средних деформациях, что характеризуется отрицательным значением модуля упрочнения, не снижает общего уровня прочности обрабатываемой стали.
4. Полученные в ходе пластометрических исследований статистические зависимости влияния степени деформации стальных образцов из исследуемой стали 40ХН2МА на сопротивление деформации при различных ее состояниях применимы для прогнозирования прочностных свойств металла при проектировании технологических процессов изготовления крепежных изделий с регламентируемым уровнем качества. Информация о значениях модуля упрочнения исследуемой марки стали также может быть использована в технологических и конструкторских расчетах при проектировании технологических процессов и переходов холодной объемной штамповки крепежных изделий.
Литература
1. Гунн, Г.С. Особенности реологических свойств конструкционных наносталей / Г.С. Гун, М.В. Чукин, М.П. Барышников, Р.З. Валиев и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - 2008. - С. 24-27.
