Определение зависимости интенсивности напряжения от степени и скорости деформации образца из металла при растяжении с повышенной температурой

УДК 621.7.01

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ СТЕПЕНИ И СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦА ИЗ МЕТАЛЛА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ С ПОВЫШЕННОЙ

ТЕМПЕРАТУРОЙ

С.Н. Ларин, В. А. Лазарев, В. А. Коротков, В.И. Платонов

Предложены новые методики проведения испытаний и обработки их результатов для определения взаимосвязи интенсивности напряжений от степени и скорости деформации. Прооанализированы результаты испытаний металла АМгбМ на растяжение при помощи испытательной установки ШБТЕОЫ 5982 в условиях нагрева, что позволило выработать рекомендации необходимые для последующих исследований режимов медленного горячего деформирования.

Ключевые слова: испытание, растяжение, напряжение, деформация, температура.

Испытание на растяжение образцов вязкопластического деформирования с повышенной температурой нагрева регламентируется ГОСТ 9651-84 «Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах», при использовании которого определяют основные механические и пластические свойства металла: предел текучести физический, предел текучести условный, временное сопротивление, относительное равномерное удлинение, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение поперечного сечения после разрыва. В частности, рекомендуется определять механические и пластические характеристики исследуемого металла поэтапно при скоростях деформации в диапазоне значений

с-1 и одинаковой скорости деформирования. Таким образом, при растяжении образца исследуются его механические свойства без учёта влияния вязкой составляющей материала и не устанавливается зависимость интенсивности напряжения от степени и скорости деформации при фиксированных высоких температурах нагрева.

Для определения зависимости интенсивности напряжения от степени и скорости деформации металла при испытания образца на растяжение с повышенной температурой нагрева, учитывающей как пластическую, так и вязкую составляющую механических свойств материала, необходимо проводить растяжение образцов при одинаковой температуре нагрева, но разных скоростях деформирования. В соответствии с требованиями ГОСТ 9651-84 были изготовлены образцы на растяжение из алюминиевого сплава АМгбМ. Перед началом испытания на растяжение на образце через 5 или 10 мм наносились поперечные риски и измерялись начальные размеры поперечных сечений вдоль каждой риски. Образец закреплялся в захватных устройствах испытательной машины ШБТЯОК 5982 внутри нагрева-

тельного устройства. К поверхности образца на участке его рабочей длины подводились термопары, которые непрерывно контактировали с образцом в процессе растяжения. После нагрева и выдержки при температуре нагрева 420 оС включалась испытательная машина и производилось растяжение образца при постоянных скоростях перемещения захватного устройства ¥[=\ мм/мин; ^2=5 мм/мин и Рз=10 мм/мин с записью диаграмм «нагрузка-перемещение». После растяжения до разрушения с записью диаграмм «нагрузка-перемещение» в местах нанесения поперечных рисок в области равномерных деформаций измерялись конечные размеры по толщине и ширине, рассчитывались логарифмические деформации и площадь поперечных сечений. Полученные диаграммы «нагрузка-перемещение» разбивали на интервалы. На каждом интервале определяли нагрузку и рассчитывали деформацию удлинения в области рассматриваемого поперечного сечения. Результаты измерений и расчётов приведены в табл. 1.

По результатам испытаний и расчётам была проведена статистическая обработка и получены уравнения регрессии соответственно для скоростей перемещения VI, Р2, ¥3-,

в! =-23,412е2 + 8,5179е + 9,649

=-86,9887е2 + 29,4982е +17,8017 в! =-138,0796е2 + 44,2662е + 21,584

где в! и е - соответственно интенсивность напряжений и деформации при заданных скоростях перемещения захватного устройства испытательной машины.

Для определения зависимости интенсивности напряжения от скорости деформации или скорости перемещения захватного устройства испытательной машины проводились расчёты по определению интенсивности напряжения при фиксированных значениях степеней деформаций. Таким образом, устанавливалось влияние скорости деформации или скорости перемещения захватного устройства испытательной машины на величину интенсивности деформации.

Для снижения трудоёмкости испытания на растяжение образцов при повышенных температурах исследовалась возможность определения интенсивности напряжений от интенсивности деформаций в зависимости от скорости деформации по испытанию одного образца. Для этого образцы из алюминиевого сплава АМг6М, нагретые до 420 оС растягивали не с постоянной скоростью перемещения, а с циклическим изменением скорости перемещения захватного устройства испытательной машины 1, 5 и 10 мм/мин в интервале удлинения 5.. .10 % от общего удлинения. Была получена пилообразная диаграмм «нагрузка-перемещение» (рис. 1) с числом циклов шесть.

Таблица 1

Результаты обработки диаграмм «нагрузка-перемещение» при растяжении образцов из алюминиевого сплава АМГ6М при температуре нагрева 420 оС со скоростями перемещения захватных органов испытательной машины 1, 5,

10 мм/мин

Образец 1, скорость 1 мм/мин, температура 420 оС, угол вырезки 90о, скорость деформации 3,23*10-4

№ Сеч № эта- Площадь 1, мм2 Площадь 2, мм2 Перемещение на Деформация Напряжения, н/мм2 Нагрузка, кН

па графике Сечение 1 Сечение 2 Сечение 1 Сечение 2

0 8,9951 9,0056 0

1 7.8622 7.9980 42 0.1346 0.1187 10.43 10.25 82.0

1 2 6.9460 7.1587 86 0.2585 0.2295 10.36 10.05 71.94

3 6.2509 6.5069 128 0.3640 0.3250 10.16 9.76 63.48

4 5.6820 5.9640 170 0.4594 0.4121 9.50 9.05 53.96

5 5.1977 5.4946 213 0.5485 0.4941 8.04 7.61 41.79

6 4.7808 5.0850 257 0.6321 0.5715 6.86 6.45 32.80

2 7 4.4333 4.7398 300 0.7075 0.6419 3.94 3.68 17.46

8 4,1414 4,4479 342 0.7761 0.7061 3.19 2.97 13.23

Образец 2, скорость 5 мм/мин, температура 420 оС, угол вырезки 90о, скорость деформации 1,435*10-3

№ Сеч № эта- Площадь 2 Площадь 3 Перемещение на Деформация Напряжения, н/мм2 Нагрузка, кН

па графике Сечение 2 Сечение 3 Сечение 2 Сечение 3

0 8,9344 8,9453

1 8.0244 8.3883 54 0.1074 0.0643 20.19 19.31 162

2 2 7.2952 7.9050 107 0.2027 0.1236 19.99 18.44 145.8

3 6.6874 7.4743 160 0.2897 0.1797 18.57 16.62 124.2

4 6.1642 7.0815 214 0.3714 0.2337 16.99 14.79 104.76

5 5.7169 6.7278 268 0.4465 0.2849 14.36 12.20 82.08

3 6 5.3155 6,4021 322 0.5165 0.3337 9.34 7.76 49.68

Образец 3, скорость 10 мм/мин, температура 420 оС, угол вырезки 90о, скорость деформации 2,116*10-3

№ Сеч № эта- Площадь 1 Площадь 2 Перемещение на Деформация Напряжения, н/мм2 Нагрузка, кН

па графике Сечение 1 Сечение 2 Сечение 1 Сечение 2

0 8,9362 8,9344

1 8.361 8.0230 80 0.0665 0.1076 23.92 24.93 200

1 2 7.8491 7.2720 161 0.1297 0.2059 22.59 24.38 177.30

3 7.4018 6.6565 241 0.1884 0.2943 20.54 22.83 152

4 6.9983 6.1312 322 0.2445 0.3765 16.76 19.13 117.3

2 5 6,7735 5,8554 371 0.2769 0.4231 13.18 15.25 89.3

Проводилась обработка диаграммы «нагрузка-перемещение», в которой кривыми линиями соединяли соответствующие вершины выступов с получением диаграмм «нагрузка-перемещение» при растяжении со скоростями перемещения захватного устройства, соответствующими значениям , Уз и т.д. Таким образом, при растяжении одного образца при за-

данной температуре нагрева с переключением испытательной машины в процессе растяжения на различные скорости перемещения захватного устройства ¥\, , V и т.д. получались одновременно три диаграммы «нагрузка-перемещение» (рис.2).

Рис. 1. Диаграмма «нагрузка-перемещение», полученная по результатам испытания на растяжение образца из сплава АМгбМ с изменением скорости в процессе растяжения при заданной температуре нагрева 420 оС: V =1 мм/мин; V2 =5 мм/мин;

¥3 =10 мм/мин

Результаты обработки диаграмм (рис. 2) «нагрузка-перемещение» при растяжении одного образца с графиками «нагрузка - перемещение» 1, 2, 3 и скоростями перемещения захватного устройства испытательной машины соответственно 1, 5, 10 мм/мин приведены в табл. 2.

На рис. 3 представлены графики зависимости интенсивности напряжений от деформации при скоростях деформации X =3,77*10-3(рис. 3, а); X=1,88* 10-3 (рис. 3, б);X =3,77*10-4 (рис. 3, в). После статистической обработки были получены уравнения регрессии для скоростей перемещения, соответственно 1, 5, 10 мм/мин:

О = -20,7964е2 + 13,9511е + 8,4916 О = -31,296е2 + 22,1707е +16,4407 О; = -36,3371е2 + 25,8429е + 20,9738

Перечещепие [п-цл]

Рис. 2. Обработка "пилообразной " диаграммы «нагрузка-перемещение.»: 1 -1 мм/мин, 2 - 5 мм/мин, 3 -10 мм/мин, что соответствует скорости перемещения захватного органа

Таблица 2

Результаты обработки диаграмм «нагрузка-перемещение» при растяжении образцов из алюминиевого сплава АМГ6М при температуре нагрева 420 оС с переключением скоростей перемещения захватных органов испытательной машины 1, 5, 10 мм/мин в процессе растяжения одного образца

Площадь, Нагрузка, Деформация Напряжения, н/мм2

№ мм2 кН Сечение 1 Сечение 2

этапа 1 2 1 2 3 Сеч.1 Сеч.2 Ск.1 Ск5 Ск. 10 Ск.1 Ск5 Ск. 10

0 8.8690 8.8781

1 7.6070 7.5130 78.33 147 184.37 0.1535 0.1669 10.30 19.32 24.24 10.43 19.57 24.54

2 6.6594 6.5122 69.9 131.35 166.3 0.2865 0.3099 10.50 19.72 24.97 10.73 20.17 25.54

3 5.9217 5.7463 61.46 116.89 147 0.4039 0.4350 10.38 19.74 24.82 10.70 20.34 25.58

4 5.3009 5.1112 51.82 101.22 127.73 0.5147 0.5521 9.78 19.09 24.10 10.14 19.80 24.99

5 4.8478 4.6524 44.59 87.97 109.66 0.6040 0.6462 9.20 18.15 22.62 9.58 18.91 23.57

6 4.4237 4.2271 34.95 71.10 91.60 0.6956 0.7421 7.90 16.07 20.71 8.27 16.82 21.67

7 4.0856 3.8907 25.31 56.64 74.71 0.7751 0.8250 6.19 13.86 18.29 6.51 14.57 19.20

8 3.7881 3.5944 15.67 41 54.23 0.8507 0.9042 4.14 10.82 14.32 4.36 11.41 15.09

После статистической обработки полученных уравнений регрессии с учётом влияния степени и скорости деформации на интенсивность напряжения было получено уравнение

в! = 6,7095[0,7951(5,3536 + 1п X) + 0,7682 е(6,4927 + 1п X) -

-е2

273

Кроме снижения трудоёмкости испытания на растяжение, повышалась точность эксперимента благодаря тому, что температура испытания для переменных скоростей перемещения захватного устройства одна и та же, соответствующая температуре нагрева одного образца, тогда как при раздельном испытании нескольких образцов обеспечить одинаковую температуру нагрева в разных образцах затруднительно. Дальнейшая обработка результатов эксперимента по вышеприведённой методике позволяет по испытанию на растяжение одного образца определить экспериментально зависимость интенсивности напряжения не только от степени деформации, но и от скорости деформации или скорости перемещения захватного устройства испытательной машины. Полученная закономерность изменения интенсивности напряжения от степени и скорости деформации позволяет более обоснованно определять режимы изотермической штамповки листовых металлов.

а б в

Рис. 3. Экспериментальные графики зависимости интенсивности напряжения О1 от степени деформации 8 при фиксированной

скорости перемещения захватного устройства испытательной машины: а - % =3,77*10-3, б - % =1,88*10-3, в - % =3,77*10-4

Сравнение значений интенсивности напряжения О^ от деформаций 8 и скоростей деформаций % показало, что погрешность не превышает 5 %.

Выводы

1. Предлагаемая методика и способ определения интенсивности напряжения от деформации и скорости деформации образца из металла при растяжении с повышенной температурой значительно уменьшают трудоёмкость испытания (в рассматриваемом примере в три раза).

2. Повышение точности результатов исследований достигается благодаря тому, что испытывается один образец при заданной температуре нагрева в процессе переключения скоростей перемещения захватных органов испытательной машины, тогда как при раздельном растяжении образцов одинаковый температурный режим нагрева затруднителен.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы, грантов РФФИ № № 16-48-710016 и 16-08-00020 и грантов Правительства Тульской области ДС 48.

Список литературы

1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов. / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. М.; Тула: Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2004. 427 с.

2. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: Машиностроение, 1986. 216 с.

3.Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов / В. А. Голенков, С.П. Яковлев, С. А. Головин, С.С. Яковлев, В. Д. Кухарь; под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лазарев Виталий Александрович, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Королев, АО «Корпорация «Тактическоеракетное вооружение»,

Коротков Виктор Анатолиевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEFINITION OF VOLTAGE DEPENDENCE OF INTENSITY OF DEGREES AND STRAIN RATE SAMPLE OF METAL IN TENSION WITH INCREASING TEMPERATURE

S.N. Larin, V. V. Lazarev, V.A. Korotkov, V.I. Platonov

New techniques of carrying out tests and processing of their results for determination of interrelation of intensity of tension from degree and the speed of deformation are offered. Prooanalizirovana results of tests of AMG6M metal on stretching by means of the INSTRON 5982 test facility in the conditions of heating that has allowed to develop recommendations necessary for the subsequent researches of the modes of slow hot deformation.

Key words: test, tension, stress, strain, temperature.

Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

275

Lazarev Vitaliy Aleksandovich, mpf-tula(a)„rambler, ru, Russia, Korolev, Tactical Missiles Corporation,

Korotkov Viktor Anatolievich, candidate of technical sciences, mpf-tula(q),rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula(a),rambler, ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.983:539.974

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ РЕЖИМОВ И ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОТБОРТОВКЕ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

С.Н. Ларин, A.A. Пасынков, Г.А. Нуждин

Представлено продолжение исследований изотермической отбортовки в режиме кратковременной ползучести заготовок из высокопрочных материалов, основанных на верхнеграничной теореме пластичности. Получены зависимости влияния технологических параметров процесса на силовые режимы и предельные возможности формоизменения. Полученные результаты пригодятся при проектировании технологических процессов изотермической отбортовки в режиме кратковременной ползучести и конструировании инструментальной оснастки. Исследования выполнены на базе метода конечных элементов.

Ключевые слова: отбортовка, кратковременная ползучесть, сила, напряжения, формоизменение.

В данной работе представлены результаты исследования, основанного на базе метода конечных элементов процесса отбортовки листовых изделий из высокопрочных материалов в изотермических условиях. Схема рассматриваемой операции приведена на рис. 1.

Исследования выполнены в среде программного комплекса Qform 2D/3D для титанового ВТ6С (ог = 210МПа ; ое = ЗАОМПа ; П = 150МПа) сплава. Расчеты выполнены при следующих геометрических характеристиках заготовки: s = 1, 2, 4 мм; различных коэффициентах трения // = 0,1, 0,4, 0,8 и скоростях деформирования V = 0,01... 1 мм / с.

На рис. 2 приведены ЗБ-модели заготовки и инструмента. Предполагалось, что деформирование проводится на гидравлическом прессе силой 50 МН при постоянной температуре деформирования 930 °С.

276