Методики и результаты испытания углеродистой проволоки на ударный срез и растяжение при низкой температуре

2. Sumskij S.N. Steelsaving technology cutting. Stal [Steel]. 2003, no. 6, pp. 55-60.

3. Kuzmenko A.G. Sozdanie novyh tehnologicheskih processov i oborudovanija nepreryvnyh melkosortnyh stanov, obespechivajushhih povyshenie jeffektivnosti ih raboty: diss. ... d-ra tehn. nauk [The creation of new technological procedures and light-section mills to provide the growth in production effectiveness: dis. ... d-r tekhn. nauk]. Moscow, 1997, 50 p.

4. Bronfeld G.B. The solution of the problems in material cutting. Sbornik dokladov «Pervoj vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii po voprosam reshenija optimizacionnyh zadach v promyshlennosti OPTIM-2001» [The Collection of reports "The first Russian scientific and practical conference in optimization problems solution in industry 0PTIM-2001"]. St. Petersburg, Central Research Institute of the TC, 2001, pp. 9- 12.

5. Limarev A.S., Shajmardanova Ju.A. The conditioning of strip bar for automobile shocks [elec-

tronic edition]. Kalibrovochnoe bjuro. Jelektronnyj nauchnyj zhurnal [Metering office. Electronic scientific magazine]. no.1, 2011, pp. 50-55.

6. Levandovskij S.A., Nazarov D.V., Limarev A.S., Moller A.B., Tulupov O.N. The development and application of data bases of process parameters with the purpose of modern section mills commission and updating. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University].2005, no. 4, pp. 36-40.

7. Moller A.B., Limarev A.S., Loginova I.V. Personnel competence qualimetry assessment at metal-lurgic enterprise. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2011, no.1, pp. 55-55.

8. Zhadan V.T., Voroncov N.M., Kulak Ju.E. i dr. Proizvodstvo prokata iz ressorno-pruzhinistoj stali. [Rolling production from sprung elestic steel]. Moscow: Metallurgy, 1984, 216 p.

МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ НА УДАРНЫЙ СРЕЗ И РАСТЯЖЕНИЕ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ*

Аннотация. В работе приведены результаты испытаний проволоки, проведен анализ влияния температуры испытания на прочность, сделан вывод о том, что в зависимости от степени деформации проволоки при холодном волочении величина работы разрушения при ударном срезе увеличилась в 1,5-2,8 раз с понижением температуры испытания с +20 до -800С.

Ключевые слова: испытания, проволока, пластическая деформация

Россия имеет в северных районах богатые месторождения нефти и газа. Для их разработок необходимы оборудование, машины, механизмы и метизы в северном исполнении.

Долговечность работы металлических изделий, предназначенных для эксплуатации при умеренных температурах,

заметно снижается в условиях Севера.

*

В работе принимали участие сотрудники НИИ-Метиза (г. Магнитогорск) Г.В. Баталов, В.Е. Гуленкин, В.М. Литвинова

Например, увеличивается на 25-30 % расход канатов в условиях работы Норильского горно-металлургического комбината [1].

Работоспособность канатов во многом зависит от свойств его основного элемента - проволоки.

Поэтому проводятся исследования для уточнения влияния состава стали, структуры, режимов термической обработки и деформирования на хладостойкость проволоки.

Пластическая деформация при холодном волочении является эффективным средством диспергирования перлитной

структуры, что приводит к уменьшению отрицательного влияния низких температур на пластичность проволоки.

Такое же влияние оказывает измельчение перлита при патентировании углеродистой стали. С другой стороны, микротрещины, возникшие в стальной проволоке при холодном волочении, могут усилить низкотемпературную хрупкость [1].

Для определения способности металлических материалов переносить ударные нагрузки и для выявления их склонности к хрупкому разрушению используют динамические испытания. Широко распространены и стандартизованы ударные испытания на изгиб образцов с надрезом [2].

Характеристикой динамических испытаний на изгиб с надрезом является ударная вязкость, которая зависит от прочностных и пластических свойств металла.

Поскольку ударная вязкость значительно зависит от геометрии надреза -концентратора напряжения, то его нанесение на углеродистую проволоку тонких

размеров, получившую повышенную пластическую деформацию, является трудоёмкой операцией.

Можно предполагать, что микротрещины в металле проволоки, образовавшиеся при холодной деформации, могут быть концентраторами напряжений, источниками разрушения. Кроме того, определение ударной вязкости не позволяет делать исчерпывающий вывод о характере поведения металлических изделий при эксплуатации [3]. В связи с этим определяли работу разрушения образцов проволоки без нанесения концентраторов напряжения при обычной и отрицательной температуре. Разрушение осуществляли срезом в плоскости поперечного сечения проволоки ножами, установленными на станине копра и подвижном маятнике.

Схема испытания проволоки на динамический срез показана на рис. 1, а общий вид установки для низкотемпературных испытаний проволоки приведён на рис. 2.

Рис. 1. Схема испытания проволоки на ударный срез при отрицательной температуре: 1 - образец; 2 - отверстие в станине копра для вертикального перемещения образца; 3 - ёмкость с охлаждающей средой; 4 - маятник; 5 - нож маятника; 6 - неподвижный нож; 7 - шкала замера углов отклонения маятника

Образец проволоки 1 имеет возможность свободно перемещаться в вертикальном направлении в отверстии 2, сделанном в станине копра. Нижний конец образца помещён в сосуд 3 с охлаждающей жидкостью - раствором углекислоты в ацетоне.

Маятник копра 4 с прямоугольным ножом 5 закрепляется в исходном верхнем положении и образует с вертикальной осью угол а. Нижний конец образца вы-

держивается в течение 3-5 минут в охлаждающей жидкости. Затем верхний конец перемещается вверх, чтобы охлаждённый нижний конец образца расположился напротив неподвижного ножа 6. Маятник свободно падает и наносит удар по образцу и срезает его в режущей плоскости ножей. После разрушения маятник по инерции поднимается и занимает с вертикальной осью угол (3. Величины углов а и (3 фиксируются по шкале 7.

Рис. 2. Общий вид установки для низкотемпературных испытаний проволоки

на ударный срез: 1 - станина копра ПСВ - 5; 2 - маятник; 3 - образец; 4 - ёмкость с охлаждающей средой

Величина работы разрушения определяется разностью потенциальной энергии маятника в начальный и конечный момент испытания

А = Р • (Н — И) = РЬ • (СОБ Р — собст),

где Р - вес маятника; Н, И - высота подъёма и высота взлёта маятника; Ь - длина маятника. Постоянными копра являются значения Р,Ь и угол ОС.

Влияние низкой температуры на работу разрушения оценивали величиной отношения

A /A+=(cos/3 — cos c¿) /(cos /3+ — cos ,

где А , А+ - значения работы при отрицательной и положительной

температуре, ОС = 152° - первоначальный угол отклонения маятника для копра (ПСВ - 5), использованного в испытаниях.

Средняя температура охлаждающей жидкости в сосуде составила - 80 °С.

При выборе марки стали учитывали положительное влияние марганца и чистоты металла от вредных примесей внедрения на хладостойкость углеродистых сталей [1]. Для изготовления проволоки использовали патентированную заготовку из стали марок 65КК (ОСТ 14 - 15 - 37 - 85), 65Г (ГОСТ 14959 - 79), 70 (ТУ 14 - 1 - 1881 - 76).

Для испытания использовали проволоку диаметром 1,8 мм трёх маркировоч-

ных групп прочности:1570; 1770; 2060 Н/мм2 (160, 180 и 210 кгс/мм2). Для обеспечения требуемой прочности проволоки использовали заготовку из стали марок 65КК и 65Г с размером диаметра: 3,3; 4,2 и 5,8 мм. При этом суммарная технологическая степень деформации проволоки составила: 70,2; 81,6 и 90,4%. Величины диаметра заготовки и суммарной степени деформации из стали марки 70 были следующими: 2,9 (61,5%); 3,8 (77,6%) и 5,0 мм (87,0%).

В табл. 1 приведены результаты замера угла (3 взлёта маятника после разрушения образцов при температуре +20 и -80 °С, а также расчётные значения отношения средних величин работы разрушения при отрицательной (А~) и положительной (А+) температуре А~ / А+.

Таблица 1

Величины угла Р взлёта маятника после разрушения

о о

образцов при температуре + 20 С и - 80 С и отношения средних значений

работ разрушения А~ / А+

Сталь Q, % Р+, град Р", град А / А

65 КК 70,2 139, 141,141, 140,140,140 126, 128, 129, 129, 130, 131 2,27

81,6 133,136, 136,136,137,138 127,128,128, 128,128,129 1,63

90,4 137,137,137,136,134,133 128,128, 128, 128, 128, 127 1,53

65 Г 70,2 137, 138, 139,139, 140, 142 130,130,129, 130,130, 129 2,00

81,6 137, 138, 139,139, 139, 141 126,127,127, 127,128,129 2,08

90,4 135, 136, 137,138,139,140 127,134, 128, 128, 142, 129 1,53

70 61,5 143, 138, 141,139, 140, 141 129, 129, 131, 129, 125,132 2,27

77,6 141,137,135,138,139,138 135, 129, 135, 128,128,128 2,79

87,0 139, 135, 140,137, 140, 138 126,127,136, 133,127,127 1,92

Результаты исследования показали увеличение работы разрушения образцов проволоки с уменьшением температуры испытания. Однако при стандартных испытаниях образцов с концентраторами напряжения всегда наблюдается уменьшение работы разрушения со снижением температуры испытания [2].

Причину повышения работы разрушения проволочных образцов при снижении температуры испытания можно объяс-

нить следующими положениями механики разрушения.

В испытываемом образце отсутствует трещина критического размера, для которой необходима работа только для её продвижения до полного разрушения образца. Поэтому необходима значительная работа для создания такой трещины. Однако с понижением температуры повышается сопротивление упруго - пластической деформации, что и привело к повышению

полной работы разрушения при отрицательной температуре, хотя при этом работа продвижения трещины меньше, чем при положительной температуре.

Если же микротрещины деформационного происхождения были близки по величине к трещине критического размера, то работа упруго - пластической деформации стала бы незначительной, и наблюдали бы уменьшение полной работы динамического среза проволоки.

Повышение степени деформации проволоки привело к увеличению количества и размера микротрещин, снижению работы деформации для образования трещины критических размеров. Поэтому отношение величин работ при отрицательной

и положительной температуре А / А+ в целом снизилось с увеличением прочности проволоки. Только некоторое повышение величины отношения для стали марок 65Г и 70 второй группы прочности в отношении первой можно объяснить преобладанием положительного влияния степени деформации на диспергирование перлитной структуры, приводящего к торможению продвижения микротрещин, над процессом зарождения и развития деформационных дефектов.

Необходимо отметить, что с увеличением степени деформации углеродистой проволоки уменьшается отрицательное влияние низких температур на число скручиваний до разрушения [4].

Можно сделать предположение: чем

больше величина отношения , тем

значительнее работа деформации, необходимая для образования трещины критических размеров. Повышение прочностных свойств исследуемой проволоки при снижении температуры испытания показали замеры максимальной нагрузки разрушения при растяжении.

На рис. 3 приведена схема испытания проволоки на растяжение при низких температурах. Проволочный образец 1 зажимается в захватах 2 разрывной машины (при исследованиях использовали универсальную машину ЦД - 10 производства бывшей ГДР, г. Лейпциг). Образец с захва-

тами помещён в камеру охлаждения -криокамеру 3, состоящую из двух коаксиальных цилиндров. Пространство между цилиндрами заполнено теплоизоляционной набивкой.

Криокамера сообщается с дополнительной камерой 4, предназначенной для замера температуры ртутным термометром 5. Охлаждающая жидкость с помощью электронасоса 6 поступает в циркуляционный термостат 7, а затем в холодильный теплообменник 8, где происходит охлаждение хладоносителя - спирта. В теплообменнике 8 готовится раствор твёрдой углекислоты в ацетоне. В табл. 2 приведены результаты трёхкратных испытаний при растяжении для определения максимальной нагрузки разрушения Рь проволоки диаметром 1,8 мм различных режимов изготовления при температуре +20 и -55 °С, а также значение отношения их средних величин и абсолютного среднего прироста Рь при уменьшении температуры испытания с +20 до -55 °С.

Снижение температуры испытания привело к увеличению прочности на 3 - 6 % в зависимости от степени деформации проволоки и марки стали. Величина отношения разрывного усилия Рь/Рь меньше при большей степени деформации для всех трёх марок стали. При средней степени деформации Q (81,6% для сталей марок 65КК и 65Г и 77,6% для стали марки 70) имеем некоторое повышение отношения значений разрывного усилия при отрицательной и положительной температурах

(Рь / Рь ). Результаты испытания на ударный срез проволоки из сталей 65Г и 70 с этой степенью деформации также показывают повышение величины отношения

А~ / А+ (см. табл. 1).

Очевидно, при втором уровне деформации Q наблюдается преобладание диспергирующего положительного влияния на структуру стали над зарождением деформационных дефектов в процессе волочения, отрицательно влияющих на прочность металла.

6

"П

Рис. 3. Схема испытания проволочных образцов на растяжение при отрицательной температуре: 1 - образец; 2 - захваты разрывной машины; 3 - криокамера; 4 - дополнительная камера; 5 - термометр; 6 - электронасос; 7 - термостат;

8 - теплообменник

Таблица 2

Максимальная нагрузка при растяжении образцов проволоки диаметром 1,8 мм с различной степенью холодной деформации Q при температуре +20 и -55 °С

Сталь Q, % Ръ , кгс Рь, кгс Рь/Рь+ А Рь, кгс

65КК 70,2 432;432;432 448;451;450 1,042 18

81,6 463;468;467 488;490;490 1,049 23

90,4 561;559;560 578;576;578 1,030 17

65Г 70,2 418;421;419 442;443;435 1,049 21

81,6 448;448;448 472;472;473 1,054 24

90,4 520;521;521 544;546;542 1,044 23

70 61,5 421;421;420 441;445;443 1,052 22

77,6 456;456;457 483;483;485 1,059 27

87,0 526;527;526 553;553;553 1,051 27

Приведённые результаты испытания проволоки при растяжении не противоречат данным работы [1], где установлено повышение временного сопротивления разрыву <Уь проволоки из стали марки 70, протянутой с суммарной степенью деформации 87,2%, в среднем на 75 кгс/мм от величины 190 кгс/мм при уменьшении температуры испытания с +20 до -196 °С.

То есть, величина увеличилась на 39%. Данные табл. 2 показывают увеличение разрывной силы на 3 - 6% при снижении температуры испытания. Более высокая

степень повышения прочности стали марки 70 обусловлена более низкой температурой - 196 °С испытания [1] в сравнении с температурой -55 °С, при которой испытаны проволочные образцы из разных марок сталей и с различной степенью деформации при холодном волочении.

Вывод. В зависимости от степени деформации проволоки при холодном волочении величина работы разрушения при ударном срезе увеличилась в 1,5 - 2,8 раз с понижением температуры испытания с +20 до -80 °С. Можно предполагать, что при

ударном срезе без нанесения концентратора напряжения в большей степени проявляется зависимость прочности от температуры испытания, чем при растяжении. При уменьшении температуры испытания с +20 до -55 °С установлено увеличение прочности на 3 - 6%.

Результаты исследования подтвердили вывод, сделанный авторами работы [1]. При волочении проволоки с перлитной структурой пластическая деформация обусловливает два процесса, различным образом влияющих на хладостойкость стали: диспергирование, измельчение ферритно-карбидной смеси и зарождение, развитие деформационных дефектов.

Список литературы

1. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформи-рованной стали. Киев: Наукова думка, 1974. 231 с.

2. Золотаевский В.С. Механические испытания и свойства металлов. Под ред. И. И. Новикова. М.: Металлургия, 1974. 302 с.

3. Первасьев, М.А., Воробьёв Е.П., Троп А.А. Рук. депонирована в ЦНИИТЭИТяжмаш от 23.05.85 г. № 1467 ТМ - 85. Деп., Свердловск, 1985. 70 с.

4. Гурьянов Г.Н. Исследование распределения деформации кручения по длине образцов углеродистой проволоки. / Заводская лаборатория. 2008. Т. 74. № 8. С.63 - 65.

References

1. Gridnev V.N., Gavriljuk V.G., Meshkov Ju.Ja. Prochnost i plastichnost holodnodeformi-rovannoj stali [Strength and ductility of cold-worked steel]. Kiev: Naukova Dumka, 1974. 231 p.

2. Zolotaevskij V.S. Mehanicheskie ispytanija i svojstva metallov [Mechanical testing and metal properties]. Ed. I. I. Novikova. Moscow: Metallurgy, 1974, 302 p.

3. Pervasev, M.A., Vorobjov E.P., Trop A.A. Rukopis deponirovana v CNIITJeITjazhmash ot 23.05.85 g. № 1467 TM- 85 [The copy was deposited in TSNIITyazhgmach on 23.05.85 № 1467 ТМ - 85]. Sverdlovsk, 1985. 70 p.

4. Guijanov G.N. Torsion deformation distribution along the carbon wire samples. Zavodskaja laboratorija [Plant laboratory]. 2008, T. 74, no. 8, pp. 63 - 65.

УДК 005.962.13

Аленина М.Н., Шемшурова Н.Г.

«БЕРЕЖЛИВОЕ ПРОИЗВОДСТВО» и возможность внедрения LEAN-технологий на российских предприятиях

Аннотация. Показан пример применения на практике методов «бережливого производства», в которых скрыт огромный потенциал совершенствования предприятия и его адаптации к быстро меняющимся условиям современного рынка без использования дополнительных ресурсов.

Ключевые слова: концепция «Бережливое производство», методики «58» и «8МББ», повышение производительности, снижение себестоимости, настройка и наладка оборудования на ходу, непроизводительные расходы, волочение, создание добавочной стоимости.

Методы «бережливого производства» - это комплекс взаимно дополняющих и поддерживающих друг друга подходов и методов, обеспечивающих наиболее эффективное производство. Базовый принцип для них один - необходимость устранения в деятельности предприятия всех непроизводительных расходов и любых действий, не создающих ценность. «Бережливое производство» подразумевает принципи-

ально новые подходы к культуре менеджмента и организации предприятия [1, 2] и предлагает набор инструментов и методик, позволяющих существенно снизить потери, удешевить и ускорить процессы.

В середине 70-х годов прошлого века, в период мирового сырьевого кризиса на японском предприятии «Тойота» была разработана система организации рабочих мест «5^». В основе нее лежит ясная и в то