CC BY
65
УДК 621.938
Д.Э. Басалаев, канд. техн. наук, (4872)35-14-82, [email protected], (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ МЕТОДОМ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Приведены технология изготовления точной заготовки детали «Дно» из различных форм проката, основанная на принципах знакопеременного деформирования и сравнительные данные прочности холодно штампованной стали 20 и горячекатаной 30ХГСА.
Ключевые слова: растяжение, сжатие, знакопеременное деформирование,
интенсивная пластическая деформация, вое становление пластичности, осадка, прочность.
Интенсивная пластическа деформация (ИПД) является основой для производства объемных ультромелкозернистых и наноструктурных материаов, в результате чего появляется возможность достижения ими в холодном состоянии сверхпрочности, сверхлластичности, повышенной демпфирующей способностью и др. [3].
Методы ИДП - это воздействие на материа высокого давления для достижения больших степеней деформации при относительно низких температурах, например кручение под высоким давлением, равноканальное угловое прессование, деформация высокомощной шаровой мельницей. Однако изготовление точных заготовок для деталей специального назначения эти методы неприемлемы, т.к. не могут обеспечить воспроизведение формы и требуемые размеры.
Известно, что холодна пластическа деформация металлов и их сплавов сопровождается упрочнением (наклеп, нагартовка) [2]. Это сравнительно небольшие степени деформаций, сопровождающиеся последующим рекристаизационным отжигом, в результате которого отмечается рост зерна и возврат пластических свойств металла, позволяющий в дальнейшем подвергать его повторному холодному пластическому деформированию.
Исследования показывают, что существует аьтернативный способ восстановления (возврата) пластических свойств метала, заключающийся в смене знака пластической деформации при последующей обработке на противоположный (идеаьный случай - в трех направления). Например, сжатие - на растяжение или растяжение - на сжатие. В результате происходит разупрочнение (эффект Баушингера) и восстановление пластических свойств метала [1]. Поэтому только знакопеременное деформирование позволяет достичь высоких степеней деформации, недоступных традици-
онным методам обработки металов давлением и без рекристализационно-го отжига.
При значительной деформации зерна вытягиваются в сторону пластического течения. Образуется волокниста структура - кристалографи-ческая ориентация зерна, котора называется текстурой деформации. Чем тоньше волокна и чем больше они переплетены, тем выше прочность металла [3].
Если испытуемый образец не доводя до разрушения разгрузить и повторно нагрузить, то зона упругости на диаграмме растяжения значительно увеличится. Таким образом, если у нас имеется два одинаковых образца изготовленных из одного и того же материаа и один из образцов до испытания был предварительно растянут, то отсчет удлинения будет производиться от ненагруженного состояния и остаточные удлинение учтено не будет. В результате получим укороченную диаграмму, а предел текучести предварительно нагруженного образца будет значительно выше по сравнению с пределом текучести ненагруженного образца. Следовательно, в результате предварительного растяжения материа приобретает способность воспринимать более высокие нагрузки по сравнению с образцом который предварительно не был нагружен [2].
Таким образом, первое важное свойство металлов и их сплавов -это повышение упругих свойств материаа в результате предварительного пластического деформирования носящего название упрочнения - наклепа или нагартовки и широко используется в технике [2].
Второе важное свойство металлов и их сплавов, согласно общепринятой гипотезе, - это идентичность кривых упрочнения при растяжении и сжатии. В работе Хвана Д.В. [5] приводится сопоставление кривых тече-ни, построенных по результатам испытании на растяжение и сжатие образцов из отожженной при температуре 1073 К с выдержкой в течение трех часов стаи 45. Значени пределов текучести при этом практически совпали и составили « 364МПа, что позволяет приять исследуемую стаь начаьно-изотропной и подтвердить вышеуказанную гипотезу.
Третье важное свойство металлов и их сплавов - резкое снижение сопротивлени деформиро вани после предварительной пластической деформации противоположного знака. Впервые это явление было описано Г. Баушингером в 1881 году при опытах с «железом» и с тех лор носит название эффекта Баушингера. Эффект Баушингера присущ всем метала, взятым как в лоликристалическом, так и в монокристаллическом состоянии не зависимо от степени частоты метала. Эффект наблюдается как при самых малых, так и при конечных пластических деформацих вплоть до относительной деформации в 100 % [4].
В настоящее время детаь «Дно» изготавливают механической обработкой прутка диаметром 032 мм из стаи 30ХГСА (КИМ -0.35-0.45).
Предложена новая технология изготовления детали «Дно», включающая в себя штамповлу точной заготовки - осадлой методом торцевой раскатки (рис. 1) с последующей минимальной механической обработкой.
Рис 1. Схема точнай заготовки для детали «Дно»
Чтобы выявить стабильное формоизменение в процессе штамповки точной заготовки детали «Дно» (см. рис 1.) было изготовлено:
- 4 типорамера заготовок-кружков диаметром 015, 20, 25, 30 мм и высотой соответственно И =18,2, 17, 6,6 и 4,6 мм полученных отрезкой от прутка ленточной пилой;
- заготовка-квадрат 11=7.0 мм и заготовка-шестигранник 11=5,5 мм, вписанные в окружность 030 мм, получены вырубкой из листа.
Результаты испытаний покаали, что при использовании заготовки-кружка 030 мм И = 4,6 мм, квадрата И=7.0 мм и заготовки-шестигранника И=5,5 мм, вписанных в окружность 030 мм (диаметр матрицы), метал быстро достиг а предела прочности <7в и начина рарушаться (рис. 2).
Рис 2. Заготовка-шестигранник Н=5,5 мм, заготовка-квадрат
Н=7,0мм и круг 030мм
Это можно объяснить следующим: знаки пластической деформации исходных заготовок в процессе формоизменения не менялись и металл продолжал упрочняться, что снизило его пластичность, и чтобы1 ее вернуть, заготовки необходимо было подвергнуть рекристализационному от-
а
б
в
г
Рис 3. Направление знаков пластической деформации при штамповке: а - лист; б - промежуточная заготовка; в - пруток; г - точная заготовка
При осадке калиброванной прутковой заготовки 020 мм и высотой И = 17 мм изготовленна точная заготовка (рис. 4) полностью соответствовала чертежу.
Рис 4. Заготовка-кружок 020 и h=11 мм
Это можно также объяснить с позиции знакопеременного деформирования. Калиброванный пруток с общей степенью деформации 25 % имеет следующее распределение знаков пластической деформации (рис. 5, а) -в продольном растяжении, в тангенциальном (окружном) и радиальном сжатии. Промежуточна заготовка имеет абсолютно противоположные знаки пластической деформации в трех направлениях (рис. 5, б),в то время
как полученная точная заготовка имеет также противоположные знаки пластической деформации относительно промежуточной (рис. 5, в), т.е. металл дважды подвергался разупрочнению (проявление эффекта Баушин-гера) в процессе штамповки. В результате этого межоперационный рекри-стализационный отжет и сопутствующие ему химические операции не потре бовались.
Волочение- калибровка
Отрезка Осадка Штамповка
б
в
Рис 5. Направление знаков пластической деформации при штамповке заготовки-кружка 020 мм ик= 17мм: а - заготовка; б - промежуточная заготовка; в - точная заготовка
1
2
Рис 6. Испытание на твердость по Бринеллю каленым шариком с обратной стороны точной заготовки детали «Дно». 1 - в центре;
2- на периферии
После измерения твердости по Бринеллю на обратной стороне заготовки (рис. 6) было установлено, что Сталь 20 после торцевой раскатки обладает пределом прочности НВ = 212 и ов = 3,4*212 ~ 720,8 МПа, тогда как горячекатаная Сталь 30ХГСА обладает пределом прочности
<5в = 703,4-737,8 МПа (НВ = 207-217). Исхода из полученных данных, можно сделать вывод, что выгоднее использовать Сталь 20, т.к. она дешевле по себестоимости и легче поддается пластическому формообразованию, чем сталь ЗОХГСАпри одинаковой прочности.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие заключение:
- развитие технологии знакопеременного деформирования позволит разрабатывать новые высокоэффективные и энергоресурсосберегающие, экологически чистые процессы холодной обработки металлов давлением в производстве изделий для различных отраслей машино-авиа-приборостроотельного и оборонного комплексов РФ;
- знакопеременное деформирование металлов и и сплавов позволяет достигать степеней деформаций, в несколько раз превышающих возможности традиционных методов обработки металлов давлением;
- для выбора и расчета традиционного технологического процесса ХОМД надо знать способ получения исходной заготовки, распределение знаков пластической деформации и их направления относительно последующего формоизменения.
Библиографический список
1. Басалаев Э.П., Басалаев Д.Э. Исследование изменения предела текучести и пластичности металлов и их сплавов в зависимости от истории деформирования и различных схем нагружения // Деп. в ВИНИТИ № 2645-В97, 11.08.97. 18 с.
2. Кроха В.А Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: справочник. М.: Машиностроение, 1980. 131 с.
3. Материалов едение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов [и др.]; под общ ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. 3-е изд., переработ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 648 с.
4. Талыпов Г.Б. Исследование эффекта Баушингера // Известия АН СССР. Механикаи машиностроение. 1964. №26. С. 131-137.
5. Хван Д.В. Технологические испытания металлов // Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та. 1992. 152 с.
D.E. Basalaev.
Increasing the strength of parts special appointments by severe plastic deformation.
Resulted manufacturing techniques of exact preparation of a detail "Bottom" from various forms of a sheet material and the hire, based on principles of sign- variable deformation, the comparative given durabilities of coldly stamped steel 20 and hot unrolled 30ХГСА are cited.
Получено 05.08.09
