Процессы деформации листовых сталей при формовании (модели и экспериментальная верификация) Автореферат (стр. 4 )

Для объяснения различия экспериментальных ПКФ, построенных разными способами исследовано влияние кривизны листа (k1, k2 – компоненты кривизны листа) и возникающих при искривлении напряжений по толщине на ПКФ. Построенная модель, учитывала нелинейный закон упрочнения материала и возможную анизотропию механических свойств.

На лист заданной кривизны, действуют растягивающие силы. В точке потери устойчивости пластического течения приращение нормальной силы равно нулю. И из этого условия, меняя коэффициент пропорциональности между растягивающими деформациями, определяли предельную кривую формования в пространстве деформаций.

На рис.12 представлены ПКФ для листов с различной кривизной (h0 – начальная толщина листа).

Рисунок 12. ПКФ автолистов различной кривизны для Стали 10

ПКФ для искривленного листа находится намного ниже ПКФ плоского листа. При этом, чем больше искривление, тем больше наклон имеет левая часть ПКФ в пространстве (е2,е1). Не важно как искривлен лист – вдоль или поперек растягивающих усилий – в обоих случаях ПКФ будет одинаковая. Влияние на ПКФ оказывает не какая либо составляющая кривизны, а они вместе.

Расчет ПКФ, предположив отсутствие напряжений по толщине (у3), даст заниженное положение ПКФ рис.12. Сжатие по толщине сильно влияет на ПКФ, повышая ее. Но неравномерное распределение деформаций и напряжений по толщине, которые понижают  ПКФ, имеют на нее большее влияние, чем сжимающие напряжения по толщине – в итоге ПКФ понижается.

На рис.13 представлено влияние параметров материала на ПКФ изогнутого листа.

Рисунок 13. Влияние материала на ПКФ изогнутого листа

Как и в случае с плоским листом, ПКФ изогнутого листа снижается при уменьшении степенного коэффициента в законе упрочнения. Однако, в остальном существуют существенные различия. Во-первых, на этом графике лучше заметно, что левая часть ПКФ не является прямой, как это было с прямой, построенной по критерию потери устойчивости пластического течения Хилла. Затем также в отличие от левой части ПКФ, построенной по критерию Хилла, в случае изогнутого листа имеется зависимость от поверхности пластичности, а в частности – от коэффициента нормальной анизотропии. Чем больше этот коэффициент, тем ниже расположена левая часть ПКФ. Причем влияние коэффициента нормальной анизотропии более выражено для большего степенного коэффициента в законе упрочнения.

Построение профиля шейки

В четвертой главе также описываются эксперименты по определению профиля шейки, а также по влиянию различного рода концентраторов напряжений на разрушение образца.

Использовались три стали, имеющие сильно отличающиеся механические свойства (см. Табл.2): 06Т, Сталь 10 и 20ХГ. В качестве образцов использовались листовые образцы с разными концентраторами напряжения (с вырезами (тип 1), с большим центральным отверстием (тип 2), образец с малым центральным отверстием (тип 3), и стандартный листовой образец на растяжение (тип 4)) и разными толщинами (1 и 2мм) – рис.14.

Рисунок 14. Типы образцов и их размеры

Перед проведением эксперимента на образцы наносился точечный рисунок из латексной эмульсии с флуоресцентной керамикой «Luminova». Размер точек составлял около 0,3-0,5 мм, расстояние между ними примерно 1-2 мм. Количество точек зависело от образца, но в среднем составляло 100 – 150 штук.

Образцы растягивались на машине Instron 8500+ со скоростью 5 мм/мин. Образец при этом освещался ультрафиолетовой лампой B100AP мощностью 450 Вт.

Велась видеосъемка камерой с разрешением 1024*1024 пикселей. Изображение передавалось на компьютер, на котором сразу же обрабатывалось программой Videostrain фирмы Appollor. Программа считывала положение центра точек и записывала его в файл со средней частотой 16 кадров/секунду.

По окончанию эксперимента программа создавала два типа файлов: один с координатами точек в определенные моменты времени, а второй – с силой растяжения в эти же моменты времени.

После разрыва, проводилась фрактография излома образцов на сканирующем электронном микроскопе Philips XL30  при ускоряющем напряжении 5 кВ.

Для построения профиля шейки была предложена методика определения толщины образца по перемещениям некоторых маркированных его частей. Вначале создавались интерполяционные карты перемещений (при помощи двумерных сплайновых функций) точек образца, а затем проводилось дифференцирование этих карт для получения карт деформаций. Деформация по толщине определялась через две остальные основные компоненты тензора деформаций, используя гипотезу о пластической несжимаемости материала. Толщина образца определялась через эту компоненту тензора деформаций.

На рис.12 представлена эволюция толщины образца из стали 06Т с малым отверстием в центре в области, непосредственно прилегающей к концентратору напряжений.

Рисунок 12. Эволюция толщины автолиста из стали 06Т из заштрихованной области (представлена толщина непосредственно перед разрушением) (все размеры даны в мм)

Можно отметить, что ширина шейки в течение эксперимента практически не менялась, происходило только ее углубление, и в образце перед разрушением толщина в самом тонком месте составляла примерно 0,73 мм.

На рис. 13 представлены пути деформации в точке наибольшей концентрации напряжений образцов из Стали 10 с разными концентраторами напряжений. На этом же графике показана теоретическая ПКФ.

Рисунок 13. Пути деформации разных образцов

Образец с самым острым концентратором деформируется до наиболее больших значений е2, затем идет образец Б3 и образец с самым тупым концентратором разрушается при наиболее малых значениях е2. При этом теоретическая ПКФ дает заниженные значения е2 для образца Б1 и завышенные – для образцов Б2 и Б3. Объяснение этому (помимо непропорциональности деформации) может служить то обстоятельство, что в образце с самым острым концентратором и самой глубокой шейкой возникают самые сильные напряжений по толщине в области шейки. Они пытаются выровнять лист (сделать его одинаковой толщины) и поэтому увеличивают предел, до которого этот лист может деформироваться без разрушения. Ранее уже было показано, что сильные напряжения по толщине увеличивают деформируемость листа. В образцах с более тупыми концентраторами эти напряжения меньше и, поэтому, деформируемость листа меньше.

На рис.14 представлены толщины образцов в области прилегающей к зоне наибольшей концентрации напряжений непосредственно перед разрушением.

Рисунок 14. Толщины образцов из разных сталей с концентратором 3-го типа а) Сталь 10 б) сталь 06Т в) сталь 20ХГ (все размеры – в мм)

Наибольшее сужение наблюдается у наиболее мягкой стали 06Т. Толщина самой тонкой части образца из Стали 10 составляет 0,82 мм, образца из стали 20ХГ – 0,78 мм, и из стали 06Т – 0,75 мм. Ширина шейки для Стали 10 равняется приблизительно 10 мм, для стали 20ХГ – 16 мм, для стали 06Т – 15 мм.

На рис.15 представлены пути деформации точек из зоны наибольшей концентрации напряжений образцов из трех типов сталей. На этом же графике показаны и их теоретические ПКФ.

Рисунок 15. Пути деформации образцов 3-го типа из разных сталей в точке максимальной концентрации напряжений и теоретические ПКФ для этих же сталей (пунктиром)

Кривые практически совпадают для всех трех сталей до деформации е2=0,1. После этого значения начинается расхождение кривых, связанное с разными упрочнениями материалов. Причем степенной коэффициент в законе упрочнения не является причиной этого расхождения. Кривые для Стали 10 и 20ХГ с близкими степенными коэффициентами упрочнения находятся по разные стороны от кривой для стали 06Т с более высоким значением этого коэффициента. Из закона течения следует, что деформация сталей будет различной при различающихся поверхностях пластичности. Таким образом, можно заключить, что поверхности пластичности для всех трех сталей сильно различаются.