ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА

Решение относится к механическим испытаниям, в частности, толстолистовой стали, применяемым для оценки шгампуемости по предельной пластичности металла при изгибе.
Известен образец для испытания металла на изгиб согласно ГОСТ 14019 «Металлы. Методы технологических испытаний на изгиб», предусматривающий испытание образца прямоугольного сечения, рабочая толщина которого соответствует толщине отбираемой пробы. В данном испытании предельная пластичность металла характеризуется углом изгиба до образования первой трещины.
При толщине образца менее 4 мм стандартное испытание на изгиб проводится в тисках: образец одним концом зажимают в губках, и на оправке определенного радиуса r изгибают с фиксированием угла α.
пред
Изгиб прекращается при появлении первой трещины на наружной поверхности изогнутой части образца, что устанавливается невооруженным глазом. Угол изгиба в момент образования трещины (α) принимается в качестве характеристики предельной пластичности.
Использование данного образца имеет недостатки, снижающие эффективность определения предельной пластичности металла и заключающиеся в следующем.
пред
пред
пред
1. Разрушение происходит при определенном относительном удлинении ε поверхностного слоя, которое и должно приниматься в качестве показателя предельной пластичности - ε. (Большей величине ε соответствует больший угол α).
0
Точное определение относительного удлинения предполагает предварительную (перед проведением испытания) разметку образца - фиксирование начальной длины L отрезка, располагающегося на поверхности перпендикулярно оси изгиба таким образом, что его концы находятся на одинаковом расстоянии от оси. Это позволяет, определив длину этого же участка после изгиба L, рассчитывать относительное удлинение
Фактически относительное удлинение ε, кроме угла изгиба α, определяется величиной внутреннего радиуса изгиба r (равным радиусу оправки) и толщиной изгибаемого образца h, что в первом приближении можно выразить в виде соотношения (при α=90°)
Радиус r в стандартных испытаниях в принципе может поддерживаться постоянным, (как радиус оправки) тогда как величина h (определяемая толщиной металла в отбираемой пробе) в испытании образцов разной толщины не может быть постоянной, поскольку зависит от толщины металла в отобранной пробе.
пред
Поэтому ε, определенная при непостоянстве h, не может выступать в качестве объективного показателя предельной пластичности, универсального в оценках штампуемости проката различной толщины.
2. Разрушение при изгибе пластичных металлов требует значительного удлинения ε для достижения которого необходимо (как следует из приведенной выше формулы) ограничивать толщину образца h. Практически достижение значительных ε, способных вызвать разрыв достаточно пластичного толстолистового проката, возможно лишь при толщинах h<5÷4 мм.
пред
Таким образом, использование данного образца фактически не позволяет решать задачу определения ε, что снижает эффективность испытания.
Известен способ испытания [Глинер Р.Е. Совершенствование изгибных испытаний толстолистовой стали, ж. Заводская лаборатория, 1995, №6, с.60-61], использующий прямоугольный образец для испытания на изгиб толстолистового проката, одна поверхность которого сохраняется плоской, как в отобранной пробе, а на другой, противоположной, выполнена конусная канавка с тупым углом при вершине (прототип).
Данное испытание не требует применения оправки, в месте изгиба данного образца величина отношения r/h оказывается весьма малой (порядка 0,15) и сохраняется постоянной в испытании образцов, изготовленных из металла любой толщины. Поэтому результаты испытаний не зависят от толщины проката, а предельное удлинение достигает величин, характерных для весьма пластичного металла. Выбранные конусность канавки (тупой угол) и сравнительно небольшая «рабочая» толщина (h) образца значительно упрощает процедуру испытания, так как образец, изготовленный из пробы любой толщины, может быть изогнут на значительный угол (вплоть до соприкосновения сторон) вручную в обычных слесарных тисках.
пред
Применение данного испытания позволяет, не прибегая к выявлению угла α, непосредственно определять предельную пластичность, фиксируя удлинение в момент появления трещины. Для этого рабочая поверхность образца по линии изгиба до начала испытания размечается измерительной окружностью диаметра d, для чего используется самоклеющаяся измерительная сетка
пред
(СИС). В процессе изгиба окружность превращается в эллипс, большая ось которого L (перпендикулярная линии изгиба) характеризует удлинение, которое приводит к разрыву металла. По величине L в момент разрыва рассчитывается величина относительного удлинения ε, характеризующая предельную пластичность испытуемого металла
пред
Характерно, что «рабочая» толщина образца в испытаниях металла различной толщины фактически остается постоянной. Тем самым величина ε приобретает универсальность - характеризует предельную пластичность независимо от исходной толщины испытуемого металла.
пред
Для обеспечения необходимой точности определения ε исходный диаметр d должен быть сравнительно небольшим (практически 2-3 мм).
Данный образец, являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому, обладает рядом недостатков.
1) применением дорогостоящей СИС, приобретаемой у зарубежных изготовителей, (обладателей Ноу-хау);
пред
2) рабочая окружность СИС практически располагается не строго по линии изгиба, что, учитывая незначительность исходного диаметра d, снижает точность определения предельной ε;
пpед
3) при значительных удлинениях (ε>0,6) происходит разрушение СИС, т.е. применение ее ограничено лишь для металла, предельная пластичность которого не превышает величины ε=0,5÷0,6.
Задачей настоящего решения является создание образца для испытания металла на изгиб, не имеющего этих недостатков, при снижении стоимости испытаний за счет исключения дорогостоящей СИС.
пред
Технический результат - повышение точности определения предельной пластичности ε, выявление этого показателя для весьма пластичных металлов.
Технический результат достигается тем, что в образце для испытания на изгиб толстолистового проката, изготовленном в виде прямоугольной пластины, одна поверхность которой плоская, а на другой, противоположной, выполнена конусная канавка с тупым углом при вершине, выполнено сквозное отверстие с осью, проходящей через вершину канавки.
Сквозное отверстие в вершине конусной канавки является разметочным, его ось всегда пересекает ось изгиба образца, образуя на наружной поверхности окружность, выполняющую роль измерительной
окружности (аналогичную ячейке-окружности СИС - в прототипе). После изгиба она превращается в эллипс, большая ось которого определяет удлинение L при изгибе.
При этом отверстие исполняет также роль концентратора напряжения, прогнозируя влияние естественных концентраторов, характерных для реального металла.
Наиболее эффективным является применение данного показателя для проверки штампуемости металла, имеющего поверхностные дефекты, так как условия проводимого испытания позволяют легко располагать ось изгиба в месте расположения дефекта. Тем самым определяется степень критичности дефекта, что необходимо для достоверной оценки риска проявления дефекта в штамповке.
Выявляемый таким образом показатель предельной пластичности должен играть роль аттестационной показателя, влияющего на штампуемость, определение которого легко поддается стандартизации.
На чертеже приведен эскиз образца для испытания на изгиб толстолистового проката: на фиг.1 - вид спереди, фиг.2 - вид сверху. Образец выполнен в виде прямоугольной пластины 1, одна поверхность 2 которой плоская, а на другой 3, противоположной (параллельной) в намечаемом месте изгиба выполнена канавка 4 с тупым углом при вершине. В вершине конуса канавки 4 выполнено сквозное отверстие 5, ось которого проходит через вершину канавки 4, с диаметром d, величина которого точно фиксируется, используя измерение на инструментальном микроскопе с погрешностью не более 0,01 мм.
Испытывают образец в два этапа следующим образом.
На первом этапе один конец зажимают в слесарных тисках, и, используя свободный конец, вручную производят консольный изгиб (без какой-либо оправки) до угла ≈60° вокруг оси, проходящей через вершину канавки. На втором этапе предварительно согнутый образец устанавливают между губками тисков и за счет усилия, развиваемого в тисках, продолжают изгиб до угла, соответствующий моменту, при котором происходит видимый поверхностный разрыв металла.
Далее образец извлекается из тисков, используя инструментальный микроскоп, измеряют (с погрешностью не более 0,01 мм)длину большой оси L эллипса, который образовался на торце отверстия 5, выходящем на поверхность 2, и рассчитывают
Пример.
Проводились испытания на изгиб листовой горячекатаной стали стандартной марки 15 (ГОСТ 4041) толщиной 6 мм. Образцы вырезались из отобранных проб таким образом,
что позволяли производить испытание при расположении оси изгиба вдоль прокатного волокна (первый вариант, пониженная пластичность металла) и поперек волокна (второй вариант, повышенная пластичность металла).
Канавку выполняли горизонтальным фрезерованием, используя соответствующий инструмент, обеспечивающий получение требуемой конфигурации канавки с конусностью 160° при толщине h=3 мм. Отверстие выполняли сверлом диаметром 2 мм.
Изгиб образцов производили в два этапа. На первом этапе один конец зажимали в слесарных тисках, и, используя свободный конец, производили вручную консольный изгиб вокруг оси, проходящей через вершину канавки до угла ≈60°. На втором этапе предварительно согнутый образец устанавливали между губками тисков и за счет усилия, развиваемого в тисках, продолжали изгиб до угла, соответствующего моменту, при котором появлялся видимый поверхностный разрыв металла.
пред
В процессе изгиба окружность, образующаяся при выходе сверления на рабочую поверхность 2, превращалась в эллипс, большую ось которого L использовали для расчета ε.
Измерение величины L, а также d, производили на горизонтальном компараторе.
Результаты испытаний приведены в таблице.
пред
Как видно из таблицы, предлагаемый образец позволяет, не прибегая к использованию дорогостоящей СИС, с высокой точностью определять величину ε, в том числе и в случаях, когда она значительно превышает значение 0,6.
Таблица
Вариант изготовления образца
Условный номер образца
d, мм
L, мм
ε<sup>пред</sup>
Первый (ось изгиба вдоль волокна)
1
2,07
4,45
0,77
2
2,08
4,75
0,83
3
2,1
4,68
0,80
Второй (ось изгиба поперек волокна)
4
2,05
5,13
0,92
5
2,07
5,07
0,90
6
2,05
5,6
1,00