Влияние скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах из разных материалов при трехточечной холодной ломке проката изгибом

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 620.178.7

Влияние скорости нагружения

на энергию зарождения и распространения трещин

в образцах из разных материалов

при трехточечной холодной ломке проката изгибом

С. Г. Карнаух, Д. С. Карнаух

Ключевые слова: холодная ломка, удар, скорость, нагрузка, образец, трещина.

Для машиностроения по-прежнему актуальной остается задача совершенствования разделительных процессов для получения качественных заготовок. Необходимо соблюдать такой режим деформирования, при котором разрушение зарождается как можно раньше, а пластическая деформация, предшествующая ему, остается минимальной. Это важно для обеспечения низкой энергоемкости всего процесса разделения и сохранения формы разрезаемого металла. Среди всех разделительных процессов наибольший интерес представляет холодная ломка сортового проката изгибом, при которой достаточно всего нескольких десятков микросекунд, чтобы хрупкая трещина пересекла штангу проката. Длительность всей активной фазы операции может быть выражена величиной такого же порядка, что недостижимо ни для какого-либо известного способа резки металла. Таким образом, способ холодной ломки изгибом отличается низкой энергоемкостью, простотой реализации, возможностью разделения твердых и высокопрочных материалов без нагрева. Положительным следует считать и то, что с увеличением сечения ломаемого проката увеличивается его склонность к хрупкому разрушению [1].

Одним из перспективных направлений совершенствования холодной ломки изгибом является использование высоких скоростей деформирования. Известно, что характер разрушения образцов изменяется в зависимости от скорости деформирования, а уменьшение времени деформации сопровождается повышением прочностных характеристик для большинства металлов, последнее объясняется в основном явлением запаздывания текучести, зависящего от свойств материала и величины прикладываемых напряжений [2].

Существующие объем и уровень экспериментальных исследований динамической механики разрушения недостаточны для решения поставленных перед машиностроением задач, особенно в том, что касается получения качественных заготовок холодной ломкой изгибом. Поэтому накопление экспериментальных данных представляет несомненный практический и теоретический интерес.

Целью работы является получение экспериментальных данных о процессах деформирования и разрушения материалов с разными механическими свойствами при ударном нагружении по схеме трехточечной холодной ломки изгибом. Анализ известных экспериментальных данных показал, что даже при общем хрупком характере разрушения материала в вершине концентраторов напряжений присутствуют значительные пластические деформации, наблюдается локализация деформации и полосы сдвига, вытяжка берегов трещины и их вязкое подрастание [3]. До настоящего времени отсутствует общепринятая точка зрения по поводу того, каковы критерии перехода от вязкого разрушения к хрупкому, особенно при динамическом нагружении.

Традиционно ударные испытания проводят с использованием инструментальных копров, с помощью которых определяют энергию, затрачиваемую на разрушение образцов [3], а по виду излома последних — долю вязкой составляющей в изломе или значение поперечного расширения образца в зоне излома. Более широкие возможности для проведения подобных испытаний обеспечивает использование пресс-молотов с гидроупругим приводом, которые разрабатываются в Донбасской государственной машиностроительной академии. Пресс-молот имеет

следующие основные преимущества: возможность создания квазистатических, ударных и комбинированных нагрузок в широком диапазоне скоростей, энергий и сил; точное дозирование энергии или силы при деформировании заготовки и др. [4]. Для проведения экспериментов использовался пресс-молот со следующими параметрами:

• максимальная энергия удара — 1,3 кДж;

• сила, развиваемая прессовой частью, — 106,0 кН;

• максимальная теоретическая скорость подвижных частей машины — 24,6 м/с;

• соответствующий ей ход штока — 114,6 мм;

_о о

• объем аккумулятора — 12,0 • 10 3 м3;

• максимальное рабочее давление — 18,0 МПа;

• масса подвижных частей — 6,25 кг.

Объем информации, полученной в ходе таких испытаний и подлежащей анализу, можно увеличить путем оснащения испытательного оборудования современными средствами регистрации данных. На рис. 1 приведена схема регистрации данных во время экспериментов по трехточечной холодной ломке изгибом образцов из сталей с разными механическими свойствами при ударном нагружении с использованием такой системы, а также само оборудование и оснастка. Для регистрации усилий на ломателе и опорах оснастки наклеивались тензодатчики — фольговые тензорезисторы ФКТК 10-200С-1, включенные по полумостовой схеме. В качестве месдоз использовались детали оснастки. Информация об усилиях на ноже и опорах подавалась через регистрирующее универсальное устройство многоканального сбора информации Е-440 в ПЭВМ, где после обработки с использованием оригинальной программы хранилась в табличном и графическом виде, удобном для последующего анализа. Приведем основные характеристики регистрирующего устройства Е-440:

• современный цифровой сигнальный процессор АБ8Р-2185М с тактовой частотой работы 48 МГц;

• 16 дифференциальных каналов или 32 канала с общей землей для аналогового ввода с возможностью автоматической корректировки нуля;

• максимальная частота работы 14-битного аналого-цифрового преобразователя — 400 кГц, что позволяет использовать данное устройство для исследования ударных процессов.

Благодаря широким возможностям регистрации записывались сигналы одновременно по трем каналам: на ломателе 1 и на двух опорах 4 (рис. 1). В эксперименте использовались цилиндрические образцы из проката

Рис. 1. Нагружение образцов при испытаниях по схеме трехточечной холодной ломки изгибом: а — схема регистрации данных; б — экспериментальное оборудование;

1 — ломатель; 2 — образец; 3 — тензодатчики; 4 — опоры

диаметром 16 мм и длиной 150 мм из сталей марок 20, 45, 40Х, 60С2. С помощью токарного резца на образцы предварительно наносили концентратор напряжений в форме кольцевой канавки треугольного профиля глубиной 1,00 мм и радиусом при вершине 0,15 мм. Плечи приложения нагрузки — 50 мм.

Размеры зон деформирования и разрушения образцов определяли путем анализа поверхности излома с использованием микроскопа. В самом общем случае работа, затрачиваемая на разрушение, последовательно складывается из нескольких составляющих:

МП^ППООБ^^Ш

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 t , мс

• упругое деформирование до разрушения;

• общее и локальное (в местах контакта с силовыми органами установки) пластическое деформирование;

• придание кинетической энергии заготовке;

• зарождение и распространение трещины. Полученные диаграммы F(t) (рис. 2) для об-

а) F,KH

35302520151050

б) F, кН

35302520151050

в) F , кН

30 20 10 5

0

г) F, кН

20 1050

t, мс

разцов из разных марок сталей имеют достаточно высокое разрешение по обеим координатам. По ним определяется энергия, затрачиваемая на разрушение образца, а также ее составляющие: энергия до момента образования трещины и энергия вязкого и (или) хрупкого распространения трещины. Кроме того, учитывая высокие характеристики быстродействия системы и возможность накопления большого объема данных, можно избирательно рассматривать полученный сигнал длительностью в несколько миллисекунд в интересующих нас очень узких временных диапазонах (порядка единиц и десятков микросекунд), что позволяет оценивать скорость распространения трещин.

Величину составляющих энергии определяли путем преобразования зависимости «нагрузка F — время Ь> в зависимость «нагрузка F — время Б». Результаты обработки экспериментальных данных представлены в табл. 1. Фотографии образцов из разных марок сталей, разделенных по схеме трехточечной холодной ломки изгибом при ударном нагруже-нии, представлены на рис. 3.

Таблица 1

Энергия деформирования и разрушения, Дж (с составляющими) при скорости нагружения V = 18 м/с

Марка стали Общая энергия Зарождение трещины Вязкое подрастание трещины Хрупкое разрушение Вязкий долом

60С2 120,0 54,0 18,0 5,2 0,3

45 80,0 25,6 12,8 7,2 1,8

40Х 90,0 35,1 12,5 6,7 1,7

20 110,0 20,9 4,0 5,5 8,8

Рис. 2. Графики изменения F(t) для разных марок сталей при ударном нагружении V = 18 м/с по схеме трехточечной холодной ломки изгибом: а — сталь 60С2; б — сталь 45; в — сталь 40Х; г — сталь 20;

I — энергия зарождения трещины; II — энергия вязкого подрастания трещины; III — энергия хрупкого разрушения; IV — энергия вязкого долома; 1 — сила на ломателе; 2 — сила на опоре 1; 3 — сила на опоре 2; 4 — сумма сил на опорах

Рис. 3. Заготовки: а — сталь 60С2; б — сталь 45; в — сталь 40Х; г — сталь 20

Таблица 2

Длительность проскока трещины по зонам деформирования и разрушения, мс

Марка стали Зона I Зона II Зона III Зона IV

60С2 0,26 0,16 0,07 0,02

45 0,32 0,25 0,15 0,06

40Х 0,34 0,18 0,17 0,06

20 0,60 0,30 0,60 0,95

Анализ результатов обработки экспериментов показывает, что большая часть энергии расходуется на зарождение и вязкое подрастание трещины, тогда как энергия, затрачиваемая на хрупкое разрушение, оказывается незначительной. При комнатной температуре наблюдается проскок трещины, свойственный хрупкому разрушению, что согласуется с данными эксперимента [3] при температурах ниже 50 °С. Длительность проскока трещины по указанным зонам деформирования и разрушения I—IV (см. рис. 2) представлена в табл. 2.

Судя по табл. 2, длительность проскока t хрупкой трещины для сталей разных марок составляет 0,07-0,60 мс. Длину трещины определяли по излому разрушенного образца (см. рис. 3). Это дает возможность с достаточной точностью оценить среднюю скорость распространения хрупкой трещины, которая для образцов стали разных марок составила

соответственно: 60С2 — 120 м/с; 45 — 80 м/с; 40Х — 60 м/с; 20-50 м/с.

Снижение нагрузки при распространении хрупкой трещины происходит достаточно плавно, без резких скачков (см. рис. 3). Также можно оценить скорость развития вязкого разрушения — скорость трещины для образцов из разных марок сталей составляет 10-25 м/с. Такие величины скоростей согласуются с оценкой, полученной по результатам испытаний [3]. Представленные результаты могут быть использованы при выборе способа разделения сортового проката на мерные заготовки и технологических параметров процесса разделения холодной ломкой изгибом.

Литература

1. Финкель В. М., Головин Ю. И., Родюков Г. Б.

Холодная ломка проката. М.: Металлургия, 1982. 192 с.

2. Полухин П. И., Гун Г. Я., Галкин А. М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

3. Кондряков Е. А., Жмака В. Н., Харченко В. В. и др. Система измерения деформаций и усилий при динамических испытаниях материалов // Проблемы прочности. 2005. № 3. С. 140-145.

4. Роганов Л. Л. Теоретические основы разработки и внедрения эффективных кузнечно-прессовых машин на базе гидроупругого привода: дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.05. Краматорск, 1988. 506 с.