Анизотропия листовых материалов и ее влияние на процессы пластического деформирования

УДК 621.7.043:539.22:621.771.22.004.18

АНИЗОТРОПИЯ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Тульский государственный университет

Листовой металл, используемый в процессах обработки давлением, обладает начальной анизотропией механических свойств. Анизотропия проката является следствием образования текстуры предпочтительной ориентировки кристаллографических осей в зернах обрабатываемого материала, характера распределения и ориентировки фаз дефектов металла и остаточных напряжений, возникающих вследствие неоднородности пластической деформации при прокатке [8, 68]. При деформации зерна и включения приобретают вытянутую форму, которая после отжига переходит в строчечную структуру, в результате чего свойства, в том числе и механические, вдоль и поперек направления прокатки могут резко различаться. Анизотропия листа зависит от режимов прокатки и последующей термической обработки [8, 116].

Изучение кинетики развития текстуры при холодной прокатке пока­зало, что анизотропия в общем случае возрастает с увеличением де­формации до определенного предела, после которого изменяется уже мало [1, 8, 116, 120]. Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки. В работах [8, 116] приведены оптимальные режимы прокатки и термической обработки алюминия, меди и латуни, позволяющие значительно снизить текстуру.

Анизотропия механических свойств металлов проявляется в разли­чии пределов текучести , временного сопротивления разрыву , относительного удлинения и других параметров в разных направлениях плоскости листа. Для оценки анизотропии механических свойств листового материала наиболее часто применяются коэффициенты анизотропии , которые представляют собой отношение логарифмических деформаций по ширине и толщине образцов, вырезанных под углами по отношению к направлению прокатки, при испытании на растяжение. Для изотропного материала это отношение равно единице. Различают трансверсально-изотропное тело, когда практически одинаков в различных направлениях по отношению к направлению прокатки листа, но отличен от единицы, и плоскостную анизотропию, когда различен в различных направлениях относительно направления прокатки в плоскости листа.

Влияние анизотропии механических свойств на штампуемость листовых материалов и качество изделий часто связывается с величиной среднего коэффициента анизотропии , определяемого как среднее арифметическое коэффициентов анизотропии в разных направлениях в плоскости листа. Целый ряд работ [1, 8, 116] посвящен отработке методик и экспериментальному определению коэффициентов анизотропии.

Обычно величину коэффициента анизотропии определяют по данным измерения ширины и толщины образца в зоне расчетной длины при деформации растяжения образца 15...20% в области равномерной деформации. Часто величину находят при максимальной равномерной деформации образцов. Некоторые исследователи вместо замеров толщины определяли деформацию по длине и ширине образца, а затем, используя условие постоянства объема, вычисляли деформацию по толщине. Установлено, что величина коэффициента нормальной анизотропии для большинства листовых материалов изменяется в пределах от 0,2 до 3,5. Рекомендации ГОСТ 1497-84 для вычисления коэффициента анизотропии не отражают современного состояния техники экспериментальных исследований механических свойств материалов.

Авторами ряда работ [1, 48, 117] экспериментально показано, что анизотропия упрочнения имеет место при одноосном растяжении образцов, т. е. коэффициент анизотропии зависит от степени деформации образцов, при которой он определяется. Отмечается, что если и наблюдается постоянство коэффициентов анизотропии в области равномерного удлинения, то только в частных случаях.

Для оценки анизотропии механических свойств материалов в тех случаях, когда нельзя изготовить стандартные образцы для растяжения, рядом исследователей предлагается испытывать кольцо на сжатие пер­пендикулярно его плоскости. При этом две главные оси анизотропии лежат в плоскости кольца, а третья ей перпендикулярна. Считается, что трением по поверхности кольца можно пренебречь и что в кольце реализуется состояние одноосного сжатия.

Описанные методы определения коэффициентов анизотропии отличаются трудоемкостью как при подготовке к испытанию, так и при обработке результатов испытаний. В целях устранения указанных недостатков разрабатываются методики определения анизотропии меха­нических свойств на испытательных машинах с использованием специ­альных устройств в тензоблоках [1, 116]. В настоящее время ведутся исследования по определению анизотропии механических свойств материалов косвенными методами. Анизотропию металлических изделий в ряде случаев можно приближенно характеризовать твердостью или микротвердостью, определяемую вдавливанием или царапанием на разных плоскостях детали. Еще более удобен и перспективен метод электропроводности с использованием токовихревых приборов. Метод основан на том, что при наличии анизотропии структура электропроводности анизотропна. Метод является неразрушающим.

Основными характеристиками анизотропии материала в условиях плоского деформированного состояния, например, в плоскости хz явля­ются характеристика анизотропии “” и сопротивление материала пласти­ческому деформированию при сдвиге .

Экспериментальные исследования показали [1, 48, 68, 116], что наи­более сильное изменение характеристики анизотропии имеет место в начальный момент деформации образцов, а затем она плавно увеличива­ется или уменьшается с ростом деформации. При степени осадки свыше 12% для испытываемых материалов характеристика анизотропии “” оста­ется практически постоянной.

Анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает существенное влияние на силовые и деформационные параметры процес­сов обработки металлов давлением и на качество получаемых изделий [7-9, 38, 116].

В основу теоретических исследований анизотропного тела положены различные условия пластичности ортотропных тел - Мизеса-Хилла, Ху и Мэрина, Нориса и Мак-Кинена, Ивлева, Прагера, Сен-Венана, Жукова, Бастуна и Черняка, Ашкенази [37, 47, 120]. При анализе процессов обработки давлением наибольшее распространение получило условие пластичности Мизеса-Хилла и ассоциированный закон пластического течения [116]. Основу теории составляют предположения о квадратичной относительно напряжений форме условия текучести, несжимаемости материала, совпадении функции текучести с пластическим потенциалом скоростей деформации при изотропном упрочнении материала и отсутствии упрочнения.

Один из вариантов этой теории развит . В рамках предложенной им теории разработаны инженерные методики для учета анизотропии и произведена реализация их при анализе силовых и де­формационных параметров ряда операций листовой штамповки [8].

Экспериментальная проверка условия пластичности Мизеса-Хилла при одноосном растяжении плоских образцов и, в случае сложного нап­ряженного состояния, показывает удовлетворительное согласование расчетных и опытных данных. Основные уравнения плоской деформации анизотропного тела получены Р. Хиллом.

В процессе обработки давлением исходная анизотропия листовых материалов изменяется и развивается деформационная анизотропия [1, 8, 37, 116, 120]. Анализ экспериментальных исследований, приведенных в работах [1, 8, 48, 68, 116, 120], доказывает изменение механических свойств и изменения ряда листовых материалов в зависимости от степени деформации при прокатке. В многооперационных технологических процессах обработки металлов давлением следует учитывать изменение анизотропии механических свойств при назначении технологических параметров операций пластического деформирования. Технические условия работы изделия часто требуют формировать определенную анизотропию механических свойств деталей.

Термическая обработка металла после прокатки приводит к умень­шению различия анизотропии механических свойств в плоскости листа, а увеличением температуры нагрева сопровождается уменьшением исход­ной анизотропии листа. Влияние температуры деформирования на изменение анизотропии материалов при одноосном растяжении исследовалось в работе [116].

Список литературы:

Автоматизированный комплекс для определения изменения коэффициентов анизотропии и сопротивления деформированию при растяжении плоских образцов / , , // Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением. - Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1991. - С. 4-8.

8. , Гречников и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов. - М.: Металлургия, 1990. - 304 с.

37. Дель материалов с анизотропным упрочнением // Прикладные задачи механики сплошных сред. - Воронеж: Изд-во ВГУ. - 1988. - 152 с.

47. , Быковцев упрочняющегося пластичес­кого тела. - М.: Наука, 1971. - 232 с.

48. Исследование развивающейся анизотропии и деформационного упрочнения при одноосном растяжении плоских образцов / , , // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. - Тула: ТулГТУ, 1993. - С. 61-73.

68. , Фридман механических свойств металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

116. , Кухарь анизотропных заготовок. - М.: Машиностроение, 1986. - 186 с.

120. , , Андрейченко давлением анизотропных материалов. - Кишинев. Квант, 1997. - 332 с.