НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Братутін Вячеслав Геннадійович

УДК 621.77.014

Розвиток методів розрахунку зміцнення низьковуглецевих

Сталей у процесах холодної обробки тиском з

Немонотонною деформацією

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Зільберг Юрій Володимирович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Фурманов В. Б., ВАТ ''Новомосковський ремонтно–механічний завод'', заступник директора з трубного виробництва,

м. Дніпропетровськ.

кандидат технічних наук Приходько І.Ю., старший науковий співробітник відділу проблем прокатування листа, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа:

Державний науково–дослідний та конструкторсько–технологічний інститут трубної промисловості Міністерства промислової політики України, відділи гарячої і холодної деформації, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 04.02.2003 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 084. 02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 04.01.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А. М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У технологічних процесах обробки металів тиском зустрічаються три види деформації – монотонна, знакозмінна і чергування монотонної зі знакозмінною. Методи прогнозу міцнісних властивостей у процесах із немонотонною холодною пластичною деформацією, а також з монотонною деформацією вигину розроблені недостатньо, або відсутні, що не дозволяє адекватно оцінювати енергосилові параметри процесів обробки металів тиском, які включають немонотонну знакозмінну деформацію, вибір необхідного обладнання, так само не можливий прогноз механічних властивостей продукції при її здачі споживачу. У зв'язку з цим робота, спрямована на розвиток методів розрахунку енергосилових параметрів при немонотонних деформаціях у процесах пластичної деформації металів на базі вивчення відповідних змін механічних властивостей при різних складних траєкторіях деформації, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи зв'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України. Дослідження виконані в рамках держбюджетної роботи "Дослідження фундаментальних фізичних явищ при холодній прокатці". Автор був відповідальним виконавцем цієї роботи ( ДР № 0197U009663).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи була адекватна оцінка енергосилових параметрів процесів холодної обробки металів тиском із немонотонною холодною пластичною деформацією, які включають операції знакозмінного вигину і чергування операцій обтиску перерізів зі знакозмінним вигином, обґрунтування параметрів обладнання, необхідного для визначених операцій обробки металів тиском, прогноз механічних властивостей продукції при її здачі споживачу на базі вивчення відповідних змін механічних властивостей низьковуглецевих сталей.

Для досягнення поставленої мети визначені і вирішені наступні задачі:

- вибір методів адекватного розрахунку накопиченої деформації в операціях обробки металів тиском з монотонною і знакозмінною деформаціями, а так само при чергуванні монотонної і знакозмінної деформацій;

- експериментальне дослідження впливу параметрів знакозмінної деформації на міцнісні властивості низьковуглецевих сталей;

- експериментальне дослідження закономірностей зміцнення низьковуглецевих сталей при послідовному чергуванні монотонної і знакозмінної пластичних деформацій;

- розробка методик розрахунку зміцнення низьковуглецевих сталей при їх знакозмінному пластичному вигині і послідовному чергуванні монотонної і знакозмінної пластичної деформації;

- урахування зміни енергосилових параметрів процесів обробки металів тиском на базі досліджень впливу немонотонної холодної пластичної деформації на механічні властивості низьковуглецевих сталей.

Об'єкт дослідження. Процеси обробки металів тиском з монотонною і немонотонною деформацією, що чергуються, які мають місце при прокатці листів, волочінні дроту, і процеси, пов'язані із знакозмінним пластичним вигином, які мають місце при змотуванні і розмотуванні рулонів листа і бунтів дроту, правки, механічному видаленні окалини.

Предмет дослідження. Міцнісні властивості низьковуглецевих сталей у процесах холодної обробки тиском із немонотонною деформацією, а так само енергосилові параметри відповідних процесів.

Методи дослідження. В основу роботи покладені фундаментальні положення теорії обробки металів тиском і теорії плину твердого тіла. При визначенні показників механічних властивостей застосовували стандартні методи механічних випробувань на розтягання і сучасні методи статистичної обробки результатів. Дослідження впливу траєкторії деформації на механічні властивості визначали на зразках, відібраних від однієї і тієї ж заготовки, з метою виключення впливу розкиду хімічного складу і різного структурного стану.

Наукова новизна. До основних наукових положень і результатів, що отримані вперше, можна віднести:

1. Уперше отримані залежності між напругами і деформаціями для технологічних операцій обробки металів тиском, що характеризуються наявністю знакозмінної деформації або монотонної і знакозмінної деформацій, що чергуються, з інтенсивністю логарифмічної деформації вигину до 0,04.

Отримані залежності дозволяють вперше адекватно розраховувати енергосилові характеристики наступних технологічних операцій обробки металів тиском: правки листа, перемотування листа і дроту, механічного видалення окалини та ін. Крім цього отримана можливість здійснювати прогноз і управління рівнем механічних властивостей готової продукції.

2. Отримало подальший розвиток уявлення теорії обробки металів тиском про незалежність зміцнення низьковуглецевих сталей від дрібності пластичної деформації щодо немонотонних процесів навантажування металу в зоні деформування. Показано, що зміцнення низьковуглецевих сталей при їх знакозмінному пластичному вигині в операціях холодної правки, перемотуванні листів і дроту не залежить від кількості вигинів і амплітуди вигину, а визначається лише величиною накопиченої деформації.

Відоме уявлення теорії обробки металів тиском про незалежність зміцнення металів від дрібності деформації у монотонних процесах дозволяє методично правильно розраховувати зміну міцнісних властивостей залежно від величини накопиченої деформації, на цьому заснована вірогідність визначення енергосилових параметрів. У роботі уперше експериментально встановлена незалежність зміцнення низьковуглецевих сталей від дрібності деформації при знакозмінному пластичному вигині, що дозволило методично правильно розрахувати зміни міцнісних властивостей низьковуглецевих сталей і провести адекватну оцінку енергосилових параметрів відповідних технологічних операцій обробки металів тиском із знакозмінним пластичним вигином.

3. Вперше встановлено, що розрахунок енергосилових параметрів у процесах обробки металів тиском із чергуванням монотонної і знакозмінної деформацій необхідно здійснювати без урахування знеміцнення попередньо нагартованого металу після знакозмінних вигинів, якщо наступна за вигином монотонна логарифмічна деформація перевищує 0,03, незалежно від амплітуди і кількості вигинів.

У методах розрахунку енергосилових параметрів технологічних операцій обробки металів тиском (реверсивна прокатка листа, бухтове волочіння дроту) врахована експериментально встановлена кінетика зміни напруги текучості. А саме після 0,03 пластичної монотонної логарифмічної деформації крива зміцнення попередньо циклічно знеміцненої низьковуглецевої сталі збігається з кривою зміцнення при безупинному розтяганні.

4. Вперше експериментально встановлені параметрі пластичного знакозмінного вигину, що забезпечує відсутність площадки текучості на діаграмі розтягання для смуг із низьковуглецевих сталей, призначених для наступної глибокої витяжки. Визначено, що для усунення площадки текучості необхідний знакозмінний вигин з амплітудою логарифмічної деформації від 0,008 і більше, без значного зміцнення металу.

Завдяки цьому отримана можливість запропонувати в деяких випадках заміну дресирування листа його знакозмінним пластичним вигином з експериментально встановленими параметрами деформації.

5. За допомогою зіставлення кривих зміцнення залежно від інтенсивності логарифмічної деформації у відмінності від відносної деформації вперше показано, що зміцнення повністю відпаленої сталі 08кп після прокатки в 2 рази більше у порівнянні з розтяганням.

Показано вплив монотонних деформацій різного виду на інтенсивність зміцнення низьковуглецевої сталі з різними вихідними станами структури. Так, при розтяганні і прокатці гарячекатаної сталі криві зміцнення збігаються; після повного відпалу тієї ж сталі інтенсивність зміцнення після прокатки більше інтенсивності зміцнення після розтягання.

Практична цінність отриманих результатів. Дослідження зміни механічних властивостей металів при їхньому немонотонному навантажуванні дозволили:

1. Провести розрахунок зміцнення низьковуглецевих сталей у технологічній лінії травлення гарячекатаного листа перед холодною прокаткою, що вперше дозволило здійснити прогноз зміни міцнісних властивостей низьковуглецевих сталей у даному процесі. На основі прогнозу зміни механічних властивостей проведено урахування зміни середнього тиску і стріли прогину робочого валка першої кліті широкоштабового стану холодної прокатки 1680, що дозволить поліпшити планшетність листів.

2. Здійснити прогноз зміни механічних властивостей низьковуглецевих сталей при формуванні електрозварних труб малого і середнього діаметрів. Це рішення можна поширити на електрозварні труби, у яких значення D/S знаходиться в інтервалі від 10 до 40, що становить до 70% всього сортаменту, воно дозволяє здійснювати регламентацію механічних властивостей готової продукції.

3. Розробити розрахунки зміни межі текучості низьковуглецевої сталі при формуванні електрозварних труб із знакозмінним вигином, і розраховані енергосилові параметри формування квадратних труб в умовах ВАТ "КОМІНМЕТ''. (Довідка про використання матеріалів дисертаційної роботи № 1354, від 07.05.2001).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором дисертації здійснені розробки теоретичних положень, методів навантажувань і випробувань зразків, планування експериментів і статистична обробка результатів, аналіз і узагальнення результатів експериментів, розробка основ інженерних рішень. Всі експериментальні дослідження проведені автором дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи докладені та обговорені на V Міжнародній науково – технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (Дніпропетровськ, 16.05.2000); Всеукраїнських науково – технічних конференціях "Перспективні технології й обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 23.04.01 і 23.04.02); VІ Міжнародній науково – технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 16 - 19.09.2002); шістьох об'єднаних наукових семінарах кафедри ОМТ НМетАУ і прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (Дніпропетровськ, 27.10.97, 29.06.98, 04.01. 99, 18. 10. 99, 29. 05. 00, 18. 03.02).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у шістьох статтях у спеціалізованих наукових виданнях, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт, одна стаття опублікована за матеріалами конференції.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 6 розділів, висновки, список використаних джерел з 77 найменувань. Матеріал роботи викладений на 168 сторінках тексту, містить 42 рисунка і 27 таблиць, 3 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовані мета і задачі досліджень, висвітлені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз досліджень, присвячених виявленню закономірностей зміцнення сталей при монотонній і знакозмінній деформаціях. Висвітлені засоби і методи побудови аналітичних залежностей, що зв'язують зміцнення сталі з розміром накопиченої деформації енак. Узагальнено дослідження, які присвячені опису зміцнення сталі в різноманітних процесах обробки металів тиском. Відповідно до деформаційної теорії зі збільшенням накопиченої деформації енак очікується зміцнення металу, що спостерігається при монотонній деформації, яка супроводжується зміною геометричних розмірів (обжиму). Іноді припускають, що зміцнення описується гіпотезою єдиної кривої, яка стверджує незалежність зміцнення від засобу деформації. Для знакозмінного розвитку деформації деформаційна теорія непридатна, тому що існують сталі циклічно зміцнювані, знеміцнювані і циклічно стабільні. Це пов'язано з двома рівнями деформації – геометричною і структурною. Монотонна деформація характеризується зменшенням одного з розмірів поперечного перерізу профілю і збільшенням пружного перекручування кристалічної гратки (підвищенням густини дислокацій), знакозмінна деформація супроводжується постійністю поперечного перерізу профілю, при цьому можливе збільшення, зменшення або постійність міцності металу.

Крім розміру накопиченої деформації енак, на закономірності зміцнення сталі при монотонній і знакозмінній деформаціях впливає вихідний структурний стан сталі – її хімічний склад, параметри термообробки. Структурний стан сталі можна охарактеризувати співвідношенням sв/sт, де sв - межа міцності, sт - межа текучості сталі у вихідному стані.

Незважаючи на багаторічну практику виробництва електрозварних труб, закономірності зміни механічних властивостей сталі при формовці вивчені недостатньо, у зв'язку з чим неможливо вірно оцінювати розмір енергосилових параметрів, що витрачаються на процес.

У другому розділі наведено методики розрахунку деформації та обробки результатів.

У досліджуваних процесах холодної деформації - прокатці тонких листів, волочінні дроту, монотонному і знакозмінному вигині листових матеріалів і дроту накопичену геометричну деформацію визначали через інтенсивність деформації, що дозволило усереднити показники лінійних і зсувових деформацій на будь-якій площадці. Вивчені процеси характеризуються умовою збігу головної вісі деформації з віссю симетрії профілю, або вона паралельна їй, і тому розмір інтенсивності деформації можна розраховувати за значеннями максимальної деформації. У цьому випадку інтенсивність деформації пропорційна максимальній деформації. Коефіцієнтом пропорційності служить коефіцієнт Лоде b, що залежить від співвідношення компонентів напруг. Для плоскої деформації b = 1,15, для осесиметричної деформації – b = 1,00, в інших випадках 1,00 < b < 1,15.

При прокатці листа, що мав ширину 70…85 мм, товщину 2,5... 3,1 мм деформацію приймали як плоску, максимальну логарифмічну деформацію еmax і інтенсивність деформації еi визначали за умовами:

emax = ln(h0/h1), ei = 1,15Чemax. (1)

При формуванні смуги в електрозварювальному стані або вигині смуги навколо оправки витяжка практично була відсутня, деформацію також приймали плоскою, деформацію проміжного волокна (рівновіддаленого від зовнішньої і нейтральної поверхні) визначали за умовою:

, ei = 1,15Чemax, (2)

де R - зовнішній радіус вигнутої смуги; S - її товщина.

При волочінні і розтяганні дроту задача осесиметрична:

emax = ln(d02/d12), ei = emax, (3)

де d0 і d1 - діаметри дроту до і після деформації.

При розтяганні плоских зразків деформації по товщині і ширині не рівні одна одній, тому коефіцієнт Лоде b прийняли рівним 1,1:

emax = ln(l1/l0), ei = 1,1Чemax, (4)

де l0 і l1 - базова довжина зразка до і після розтягання.

Запропоновані методики опису геометричної деформації дозволили провести порівнювальний аналіз зміни механічних властивостей у залежності від енак.

Як вихідний матеріал використовували зразки листу, катанки, труб і трубних сегментів у стані постачання (гарячекатаний) і після рекристалізаційного відпалу або нормалізації. Механічні випробування проводили на машині FP - 100/1 відповідно до ГОСТ-1497.

Обробку статистичних масивів проводили за стандартними сучасними методиками.

У третьому розділі експериментально досліджено зміцнення сталі при різних видах монотонної деформації.

Зміцнення сталі при монотонній деформації розглядається як нульова гіпотеза, у порівнянні з якою проводиться аналіз зміцнення при знакозмінному вигині.

Дослідження зміцнення низьковуглецевих сталей при прокатці, волочінні, розтяганні і формуванні показали, що закономірності зміцнення відповідають загальним уявленням про безупинне зміцнення сталей при монотонній деформації - збільшення міцнісних і зменшення пластичних властивостей зі збільшенням ступеня деформації.

У зв'язку з тим, що структурний стан сталі може впливати на закономірності зміцнення, було проведено зіставлення зміцнення сталі в результаті прокатки і розтягання сталі 08кп для двох структурних станів - гарячекатаного і після повного відпалу при температурі 9000С. Значення параметра sв/sт для гарячекатаної сталі становило 1,3, для сталі після повного відпалу - 1,5.

У першому випадку криві зміцнення при прокатуванні і розтяганні близькі між собою у всьому досліджуваному інтервалі деформації. Дещо інша картина спостерігається при деформації відпаленого металу. Якщо якісно характер кривої зміцнення при розтяганні не змінюється, то для зразків після холодного прокатування спостерігається більш інтенсивне підвищення sт на початковій ділянці кривої у порівнянні з гарячекатаним металом (на 15...20%).

Різна інтенсивність зміцнення сталі після повного відпалу при прокатці і розтяганні свідчать про невиконання принципу відповідності розміру накопиченої деформації однаковому розміру напруги текучості.

Зміна напруги текучості гарячекатаної сталі 08кп при розтяганні і прокатці для деформації, розрахованої залежно від логарифмічної деформації, описується такими моделями: прокатка - sт = 300+25,8Че0,6, розтягання - sт = 300+25,3Че0,6, для сталі після повного відпалу: прокатка - sт = 200+48,7Че0,6, розтягання - sт = 200+24,6Че0,6. Приріст зміцнення сталі 08кп після повного відпалу при прокатці в 2 рази більше приросту зміцнення тієї ж сталі при розтяганні. Дослідження підтверджують, що відношення sв/sт може служити критерієм, за допомогою якого можливий прогноз поведінки зміцнення сталей при різних способах деформування. Зі збільшенням значення відношення sв/sт збільшується можливість розходження у зміцненні однієї і тієї ж сталі при різних способах деформування.

Однократний пластичний вигин смуги (наприклад, у лінії трубоелектрозварювального стана) можна розглядати як окремий випадок знакозмінного вигину. Дослідження зміни механічних властивостей сталей 08кп, 20, 3сп, 2пс, 2кп і 08пс показали, що низьковуглецеві сталі у гарячекатаному стані при формуванні зміцнюються так само, як і при прокатці, за умови розрахунку деформації вигину через інтенсивність деформації проміжного волокна.

Дослідження зміни структури сталей 10 і 1сп при прокатці і волочінні показали, що зі збільшенням ступеня накопиченої деформації енак змінюється форма зерен фериту, що витягаються в напрямку течії сталі.

У четвертому розділі досліджували зміну механічних властивостей при знакозмінному вигині порівняно з монотонною деформацією. З метою дослідження впливу структурного стану сталі на закономірність зміцнення було проведено термічну обробку гарячекатаної сталі за такими режимами: нагрів до температур 720 і 9000С, витримка 15 хвилин і охолодження з піччю. За рахунок цього одержали три різноманітні структурні стани сталі.

Гарячекатана сталь 10 і сталі 10 і 1сп після нагрівання і витримки при температурі 7200С є циклічно стабільними - їхні механічні властивості після знакозмінного вигину не змінюються.

Сталь 08кп після повного відпалу при температурі 9000С циклічно зміцнюється, та ж сама сталь у гарячекатаному стані - циклічно стабільна.

Зміцнення сталі 08кп не залежить від амплітуди (еi) і числа вигинів (N), а залежить лише від накопиченої деформації енак, обумовленої добутком числа вигинів на амплітуду вигину. З цього можна зробити висновок про те, що металу, який циклічно зміцнюється, властива умова незалежності зміцнення від дрібності деформації, така ж поведінка металу спостерігається і при монотонних процесах.

На підставі здобутих результатів можна запропонувати модель зміни напруги текучості при знакозмінному вигині від накопиченої деформації:

sт = sт0 +аЧенак0,5, (5)

де енак – накопичена логарифмічна деформація, розрахована з умови:

енак = eiЧN, (6)

де ei – інтенсивність деформації за один вигин; N – число вигинів.

Зміна напруги текучості сталі при знакозмінному пластичному вигині описується такою моделлю: для деформації, розрахованої для відносної деформації sт = 200+8,3Чe0,5, для логарифмічної деформації sт = 200+102Ченак0,5.

При прокатці напруга текучості змінюється таким чином: для деформації, розрахованої для відносної деформації sт = 200+46,2Чe0,5, для логарифмічної деформації: sт = 200+588Ченак0,5.

У роботі виявлено вплив знакозмінного вигину на довжину площадки текучості сталей 10 і 1сп. Дослідження проводили для діаметрів зразків d, що змінюються в межах від 2,0 до 3,6мм, діаметрів оправок D - від 28 до 200мм, числі вигинів - від 2 до 30. Динаміка зміни довжини площадки текучості залежить від відношення D/d і числа вигинів N. При вигині дроту навколо оправки діаметром 200мм (D/d = 100) площадка текучості зберігається навіть при N = 200, при значеннях D/d < 28,5 площадка текучості зникає вже після 2 вигинів. Якщо відношення D/d лежить в інтервалі від 25,6 до 68,96, то зі збільшенням числа вигинів (розміри накопиченої деформації) відбувається зменшення довжини площадки текучості.

Знакозмінний вигин впливає не тільки на довжину площадки текучості, але і на її форму. Площадки текучості для відпалених зразків мають хвилястий характер. Знакозмінний вигин призводить до зменшення хвилястості, або її повного зникнення.

Дослідження зміни структури сталей 10 і 1сп при знакозмінному вигині показали, що зі збільшенням ступеня накопиченої деформації енак не змінюється форма зерен фериту.

У п'ятому розділі досліджували зміну міцнісних властивостей сталі при чергуванні монотонної і знакозмінної деформацій (розтягання - знакозмінний вигин - розтягання і т.д.). З цією метою провели визначення механічних властивостей сталей 08кп і 10 у гарячекатаному стану. Кількість вигинів для досліджуваних марок сталей однакова - один цикл, що складається з вигину та розгину, або п'яти таких циклів. Кількість чергувань Ірозтягання – знакозмінний вигинІ змінювалась від 3 до 10.

Попередньо нагартована сталь циклічно знеміцнюється. Межа текучості сталі зменшується в середньому на 20% незалежно від кількості вигинів і чергувань навантажень.

Діаграма розтягання циклічно знеміцнюваної сталі складається з двох ділянок (рис. 1) - ділянки інтенсивного зміцнення - I (протяжністю біля 0,03 пластичної логарифмічної деформації) і ділянки, на якій зміцнення збігається зі зміцненням при безперервному навантаженні - II.

Рис. 1 Зміна напруги текучості сталі після навантажування за схемою: розтяг - знакозмінний вигин – розтяг.

Науковий інтерес становить обґрунтування методу розрахунку накопиченої деформації при перемінному навантаженні.

При розтяганні відбувається зміна вихідної товщини зразка h0 і довжини l0, при знакозмінному вигині товщина і довжина залишалися практично незмінними. Тому сумарну деформацію за n циклів Ірозтягання - знакозмінний вигинІ можна розраховувати тільки по зміні геометричних розмірів зразка, без урахування знакозмінного вигину, що відповідає розрахунку внеску компоненти монотонної деформації без урахування внеску компоненти знакозмінної деформації:

, (7)

де енак.р.- накопичена деформація при розтяганні; ерозт.- істинна величина ступеня деформації по довжині зразка при одному циклі деформації.

Урахування пластичної деформації при розтяганні і при кожній одиничній деформації вигину дозволяє ураховувати вплив обох компонент деформації на величину накопиченої деформації:

, (8)

де евиг.- логарифмічна деформація при одному вигині або випрямленні; j - сумарне число вигинів і розгинів.

Деформацію при розтяганні визначали за формулою (4), деформацію проміжного волокна при вигині (амплітуду вигину) розраховували за формулою (2).

При розрахунку накопиченої деформації як суми деформації розтягання і знакозмінного вигину виявляється, що інтенсивність зміцнення залежить від числа вигинів, зі збільшенням їхнього числа інтенсивність зміцнення зменшується (рис. 2). Якщо накопичену деформацію розраховувати тільки через деформацію розтягання, тоді зміцнення при перемінному навантажені залежатиме від числа знакозмінних вигинів і буде збігатися зі зміцненням при безупинному розтяганні (рис. 3). Оскільки вже при 0,03 відновленої логарифмічної деформації розтягання крива зміцнення продовжується з перерваних значень (рис.1), доцільно розраховувати накопичену деформацію тільки через деформацію розтягання, виключаючи знакозмінну деформацію вигину.

Криві зміцнення при складному деформуванні можна будувати за значеннями Аi або Тi (рис. 1) залежно від сумарного ступеня деформації, розрахованої за формулами (7) або (8). Зміцнення, визначене за точками Тi, завжди менше зміцнення при безупинному розтяганні (рис. 2) . Якщо зміцнення розглядати за точками Аi, залежно від енак.р., то воно співпаде зі зміцненням при безупинному розтяганні (рис. 3).

Після переходу від знакозмінної деформації до монотонної сталь зміцнюється, крива зміцнення, як показали дослідження, складається з двох ділянок, що характеризуються різноманітною інтенсивністю зміцнення (рис. 4). Таким чином, закон зміцнення сталі при комбінованому навантаженні буде складатися з двох функцій: функції лінійного зміцнення (перша ділянка кривої) і ступеневої залежності на другій ділянці кривої зміцнення. Критерієм вибору того або іншого закону зміцнення є розмір пластичної деформації після зміни знакозмінного вигину на монотонну.

Рис. 2 Зміна напруги текучості при безупинному і перемінному навантажуванні для сталі в відпаленому стані для точок Аi і Тi у залежності від накопиченої деформації енак: - у результаті безупинного розтягу; - після розтягу і двох вигинів; - після розтягу і десяти вигинів.

Рис. 3 Зміна напруги текучості при безупинному і перемінному навантажуванні для сталі в відпаленому стані для точок Аi і Тi у залежності від накопиченої деформації енак: - у результаті безупинного розтягу; - після розтягу і двох вигинів; - після розтягу і десяти вигинів.

Рис. 4 Схема зміни напруги текучості низьковуглецевої сталі при комбінованому навантажуванні

Аналітично цей закон виражається формулою (9):

, (9)

де sAi - значення напруги текучості сталі після монотонної деформації, що передує знакозмінному вигину; К – коефіцієнт знеміцнення, (для низьковуглецевих сталей він дорівнює 0,8); k`- коефіцієнт деформаційного зміцнення; епр- приріст монотонної деформації після знакозмінного вигину; езап - деформація, що відповідає ділянці інтенсивного зміцнення, і дорівнює 0,03 пластичної логарифмічної деформації.

Коефіцієнт деформаційного зміцнення визначається з формули:

k` = (sтс - КЧsAi)/езап, (10)

де sтс- напруга, при якій відбувається збіг закону зміцнення при прямому й зворотному навантаженні.

sтс = s0 + аЧ(е + езап)n. (11)

Таким чином, ця модель дозволяє прогнозувати зміну значення напруги текучості сталі при зміні напряму деформації.

У шостому розділі наведені приклади використання розроблених методів опису зміцнення низьковуглецевих сталей в операціях обробки металів тиском з метою адекватної оцінки енергосилових параметрів і прогнозування властивостей продукції при здачі її споживачу.

На основі отриманих моделей зміни напруги текучості низьковуглецевих сталей при знакозмінному пластичному вигині, запропонованих у четвертому і п'ятому розділах, здійснено розрахунки значень напруги текучості сталі 08кп після наступних технологічних операцій обробки металів тиском: розмотування і змотування дроту на барабан у стані однократного бухтового волочіння, звільнення від окалини в окалиновідламувачі, виправленню листа у правильній машині, технологічній лінії травильного агрегату.

Аналіз технологій операцій обробки металів тиском, що включає операції знакозмінного пластичного вигину, показує, що мають місце такі інтервали (мінімальні і максимальні) значень межі текучості сталі після знакозмінного вигину для наступного значення структурного стану сталі 08кп sв/sт =1,5 sт0 =200МПа, а = 102:

min max

Логарифмічна деформація проміжного волокна еі 0,001 0,031

Число знакозмінних вигинів N 2 33

Накопичена істинна деформація вигину енак 0,002 0,992

Зміцнення сталі sт, МПа 204,5 300,6

Результати розрахунків показали, що напруга текучості низьковуглецевої сталі 08кп у технологічних лініях обробки металів тиском після знакозмінного вигину може збільшитися на 50%.

Значення середньої напруги текучості можна визначити як середньоінтегральну величину:

, (12)

де e1 і e2 – значення деформації металу до і після формозміни в розглянутому проході монотонного навантажування; s0+аЧen – модель зміни напруги текучості від величини деформації.

Межа текучості низьковуглецевої сталі 08кп після знакозмінного вигину може збільшитися від 2 до 50%, що у свою чергу повинно відбитися на збільшенні значення межі текучості недеформованого металу (s0) у формулі (12). Наслідком цього буде збільшення величини середнього контактного тиску рсер.

Збільшення межі текучості металу () після операцій обробки металів тиском із знакозмінним вигином можна урахувати у такий спосіб:

, (13)

де r – коефіцієнт зміцнення, що змінюється у межах від 1,0 до 1,5; s0 - межа текучості металу перед знакозмінним вигином.

Звідси розрахунок значення середньої напруги текучості при монотонному навантажуванні, що ураховує зміцнення металу при знакозмінному вигині, буде таким:

, (14)

де - межа текучості металу, що враховує його нагартування у операціях обробки металів тиском зі знакозмінним вигином.

Для сталі 08кп, що циклічно зміцнюється, з вихідним значенням межі текучості s0 = 200МПа, значеннями коефіцієнтів а і n рівними 45 і 0,6 відповідно, коефіцієнтом r, що змінюється від 1,0 до 1,5, і величиною монотонної деформації e за прохід, що змінюється від 5 до 30%, формули (13) і (14) мають вигляд:

. (15) . (16)

Аналіз результатів розрахунків показав, що різниця визначення sт.сер. приблизно в рівному ступені залежить від величини коефіцієнта зміцнення r і значення монотонної деформації e. Із збільшенням значень r і e різниця збільшується, для дослідженого діапазону значень r і e її максимальне значення сягає 25%.

Для широкоштабових станів холодної прокатки урахування зміцнення листа у підготовчій лінії дозволяє скорегувати профілювання робочого валка. Наприклад, для стана 1680 корегування стріли прогину валка приводить до її зменшення в середньому на 30%.

На основі отриманої моделі зміни напруги текучості сталі при зміні напрямку деформації проведено розрахунок потужності двигуна калібрувального стану при формуванні квадратної труби 80х80мм, використаний при проектуванні технологічних режимів формування в умовах заводу ВАТ "КОМІНМЕТ".

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в адекватній оцінці енергосилових параметрів процесів холодної обробки металів тиском, які включають операції знакозмінного вигину і чергування операцій обтиску перерізів зі знакозмінним вигином, обґрунтування параметрів обладнання, необхідного для визначених операцій обробки металів тиском, прогнозу механічних властивостей продукції при її здачі споживачу. Ця задача вирішена на основі досліджень зміни механічних властивостей низьковуглецевих сталей при їх монотонному, знакозмінному і комбінованому навантажуванні.

1. У роботі вперше запропонований метод зіставлення впливу різних процесів обробки тиском із відносно рівномірною деформацією на характер зміцнення металу. Він базується на використанні величини інтенсивності деформації, що визначається як добуток найбільшої по величині деформації на коефіцієнт Лоде.

2. Уперше експериментально встановлено, що закономірність зміцнення низьковуглецевих сталей при різних видах монотонної деформації залежить від структурного стану сталі, що характеризується відношенням sв/sт, і виду деформації. У гарячекатаної сталі 08кп (sв/sт = 1,3) зміцнення при прокатці і розтяганні однакове, у тієї ж марки сталі після повного відпалу (sв/sт = 1,5) зміцнення при прокатці значно більше зміцнення при розтяганні, аналогічна картина зміцнення спостерігається для сталі 1сп при її розтяганні або волочінні.

3. Експериментально встановлено, що зміну механічних властивостей низьковуглецевих сталей при знакозмінному пластичному вигині, що характеризується інтенсивністю логарифмічної деформації кожного вигину, яка змінюється в межах від 0,006 до 0,038, можна передбачати на основі відношення sв/sт. При значенні відношення sв/sт, що лежить в інтервалі від 1,2 до 1,4 (гарячекатана сталь і сталь після рекристалізаційного відпалу при 7200С) досліджені низьковуглецеві сталі циклічно стабільні, їхні міцностні властивості не змінюються. При значенні відношення sв/sт, рівному 1,5 (сталь після повного відпалу при 9000С), досліджені низьковуглецеві сталі циклічно зміцнюються.

4. Уперше експериментально встановлено, що для циклічно стабільних сталей спостерігається сталість механічних властивостей незалежно від параметрів знакозмінного пластичного вигину - числа вигинів і інтенсивності деформації вигину. Закономірність зміни напруги текучості сталі, що циклічно зміцнюється, така: зміцнення залежить від величини накопиченої деформації, яка визначається як добуток числа вигинів на інтенсивність деформації вигину, що є розвитком уявлень теорії обробки металів тиском про незалежність зміцнення металів від дрібності деформації.

5. Уперше показано, що при знакозмінному вигині зміцнення металу може бути представлено півквадратичною параболою у функції накопиченої логарифмічної деформації вигину.

6. Уперше експериментально встановлений вплив знакозмінного пластичного вигину на довжину і форму площадки текучості. Визначено, що довжина площадки текучості залежить від відношення 2R/d і числа вигинів N, де R – радіус вигину, d – діаметр (товщина) зразка. Якщо значення D/d < 30, у досліджених випадках площадка текучості зникає після вигину з перегином, якщо D/d > 70, площадка текучості lт не зникає. Зміну довжини площадки текучості можна описувати моделлю виду lт = с + fЧexp(pЧенак), де c, f, p – емпіричні коефіцієнти.

7. У роботі одержало подальший розвиток уявлення про те, що знакозмінний пластичний вигин сталей 08кп і 10 з логарифмічною деформацією вигину, що змінюється в межах від 0,007 до 0,029, який реалізується після нагартування у результаті монотонної деформації розтягання, знижує величину напруги текучості в середньому на 15 – 20% незалежно від вихідного структурного стану металу (відпалений, гарячекатаний), ступеня проміжної деформації і числа вигинів.

8. У роботі експериментально встановлено, що циклічно знеміцнені сталі 08кп і 10 при наступному розтяганні інтенсивно зміцнюються, і після 0,03 пластичної логарифмічної деформації крива зміцнення попередньо циклічно знеміцненої сталі збігається з кривою зміцнення при безупинному розтяганні незалежно від структурного стану сталі (відпалений чи гарячекатаний), ступеня попередньої монотонної деформації і числа знакозмінних вигинів. На підставі цього вперше запропонована двохпараметрична модель, що описує зміну напруги текучості низьковуглецевих сталей при їх комбінованому навантажуванні.

9. У роботі вперше запропонована методика розрахунку механічних властивостей низьковуглецевих сталей при формуванні електрозварних труб малого і середнього діаметрів, що дозволяє здійснювати прогноз механічних властивостей готових електрозварних труб для переважної більшості їх типорозмірів.

10. Вперше на основі отриманих моделей зміни напруги текучості низьковуглецевих сталей при знакозмінному пластичному вигині здійснений розрахунок межі текучості низьковуглецевих сталей після таких технологічних операцій обробки металів тиском як розмотування і змотування дроту на барабан на стані однократного бухтового волочіння, звільнення дроту чи листа від окалини в окалиновідламувачі, виправлення листа у валковій правильній машині, травлення у безперервної лінії травильного агрегату. Розрахунки показали, що урахування знакозмінного пластичного вигину може підвищити значення напруги текучості сталі 08кп у деяких випадках на 50%.

11. Коректне визначення нагартування листа низьковуглецевих сталей дозволяє підвищити точність розрахунку сили прокатки, правлення на багатовалкових правильних машинах на 5 - 25%, підвищити точність профілювання робочих валків широкоштабового стану 1680 у середньому до 30%.

12. Розроблені розрахунки зміни межі текучості низьковуглецевої сталі при формуванні електрозварних труб із знакозмінним вигином і розраховані енергосилові параметри формування квадратних труб в умовах ВАТ "КОМІНМЕТ''. (Довідка про використання матеріалів дисертаційної роботи № 1354, від 07.05.2001).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У РОБОТАХ:

1. Братутин В. Г. Влияние деформации изгиба на изменение механических свойств низкоуглеродистой стали // Теория и практика металлургии. – 1998. - №3. -С. 37 – 39.

2. Зильберг Ю. В., Братутин В. Г. Влияние комбинированного нагружения на механические свойства низкоуглеродистой стали при холодной деформации // Теория и практика металлургии. – 2000. - №5. – С. 20 – 22.

3. Зильберг Ю. В., Братутин В. Г. Влияние знакопеременного изгиба на прочностные свойства низкоуглеродистой стали // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Сб. наук. пр. – Краматорськ – 2001. – С. 164 – 168.

4. Зильберг Ю. В., Братутин В. Г. Влияние вида холодной деформации на прочность низкоуглеродистой стали // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Сб. наук. пр. – Краматорськ – 2002. – С. 263 – 268.

5. Зильберг Ю. В., Братутин В. Г., Карнаух Т. А. О влиянии знакопеременного изгиба на протяженность площадки текучести // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия - 2002. - №5. – С. 69 – 70.

6. Bratutin V. G., Nьrnberger F. Analysis of Changing Material Properties of Low carbon ste?l wire Ст1кп after Heat Treatment and bending // Сб. Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів. - Дніпропетровськ: "Системні технології", - 2002. – С. 377 - 382.

Додатково наукові результати відображено у роботі

7. Зильберг Ю. В., Братутин В. Г. Изменение механических свойств углеродистой стали при сложном нагружении // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - № 8 - 9. – С. 164 – 166.

АНОТАЦІЇ

Братутін В.Г. Розвиток методів розрахунку зміцнення низьковуглецевих сталей у процесах холодної обробки тиском з немонотонною деформацією. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – ''Процеси та машини обробки тиском''- Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена адекватній оцінці енергосилових параметрів процесів холодної обробки металів тиском, які включають операції знакозмінного вигину і чергування операцій обтиску перерізів зі знакозмінним вигином, обґрунтування параметрів обладнання, необхідного для визначених операцій обробки металів тиском, прогнозування механічних властивостей продукції при її здачі споживачу.

Запропоновано методику адекватного розрахунку величини одноразової і накопиченої деформації для різного виду і траєкторії деформації з використанням величини інтенсивності логарифмічної деформації.

Результати роботи дозволили адекватно оцінювати енергосилові параметри процесів обробки металів тиском із монотонним, знакозмінним, монотонним і знакозмінним, що чергуються, навантаженнями. Також отримана можливість прогнозування межі текучості продукції при здачі її споживачу.

Отримані моделі, що описують зміну межі текучості сталі при формуванні електрозварних труб і деформуванні, що чергується, дозволили розрахувати енергосилові параметри формування квадратних труб 80х80мм, що сприяло їхньому освоєнню на ВАТ ''КОМІНМЕТ''.

Ключові слова: енергосилові параметри, немонотонна холодна деформація, зміцнення, методи розрахунку напруги текучості.

Братутин В. Г. Развитие методов расчета упрочнения низкоуглеродистых сталей в процессах холодной обработки давлением с немонотонной деформацией. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – ''Процессы и машины обработки давлением'' - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена адекватной оценке энергосиловых параметров процессов обработки металлов давлением с немонотонной холодной пластической деформацией, обоснованию параметров оборудования необходимого для определенных операций обработки металлов давлением, прогнозу механических свойств продукции при её сдаче потребителю на базе изучения соответствующих изменений прочностных свойств низкоуглеродистых сталей.

Предложена методика адекватного расчета величины частной и накопленной деформации для разных траекторий и видов деформаций с использованием величины интенсивности деформации. Экспериментальные исследования позволили получить новые данные и развить существующие представления теории обработки металлов давлением о феменологии упрочнения низкоуглеродистых сталей при их монотонном и немонотонном нагружении.

Впервые экспериментально исследованы закономерности изменения прочности низкоуглеродистых сталей при их знакопеременном пластическом изгибе с амплитудой логарифмической деформации изгиба, не превышающей 0,04. В частности, установлено, что изменение напряжения текучести циклично упрочняющейся стали зависит от величины накопленной деформации. Это позволило предложить описывать изменение напряжения текучести стали полуквадратической параболой в