Сопротивление пластической деформации металла в условиях деформирования при повышенных температурах

Под сопротивлением пластической деформации металла понимается интенсивность напряжений, достаточная для осуществления в теле или его части пластической деформации (ПД) при заданных термомеханических условиях деформирования [221, 226…230].

На величину СПД металла при пластическом деформировании его при высоких температурах, что, в частности, является характерным и для КТС на стадии нагрева, одновременно влияют несколько технологических факторов: температура деформируемого материала, а также степень и скорость деформации. Это обусловлено тем, что в деформируемом металле при температуре выше температуры рекристаллизации Т_РЕКР, которую ориентировочно принимают равной Т_РЕКР ≈ 0,4 Т_ПЛ [231], одновременно протекают два противоположных процесса: упрочнение — из-за наклепа зерен, и разупрочнение — из-за их рекристаллизации. Конечный результат зависит от соотношения между скоростью деформации и скоростью рекристаллизации металла [221]. С увеличением температуры СПД металла уменьшается, а пластичность, характеризующая возможную степень ПД без нарушения его сплошности, увеличивается [219, 220].

Упрочнение металла в процессе пластической деформации объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов). В частности, связь между пределом текучести σ_Т и плотностью дислокации ρ выражается формулой [232]:

,

где σ₀ — напряжение сдвига при пластической деформации; b — вектор Бюргерса; α — коэффициент, зависящий от типа решетки и состава сплава.

Так, Тейлор и Илом установили, что упрочнение при деформации монокристалла алюминия происходит по параболическому закону [233]:

,

где τ — касательное напряжение в плоскости скольжения; γ — сдвиг.

При увеличении скорости пластической деформации напряжение текучести возрастает, а пластичность падает. С увеличением скорости ПД резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали и медных сплавов некоторых марок. Значительно менее чувствительны к скорости деформации большинство алюминиевых сплавов, низколегированные и углеродистые стали [221, 234, 235].

Из определения понятия «сопротивление пластической деформации», общепринятого в теориях пластичности и обработки металлов давлением следует, что оно является характеристикой деформируемого металла, которая зависит от термомеханических условий пластической деформации, а именно: степени ε и скорости u деформации, а так же от температуры деформируемого объема Т_Д [236]. Поэтому оценивать величину СПД в условиях точечной сварки рациональнее не измерением его в ходе процесса КТС, так как осуществить это технически сложно, практически невозможно, а расчетом — с использованием данных и опыта теории и технологии обработки металлов давлением.

Известны ряд эмпирических формул для расчета величины СПД в зависимости от изменения технологических факторов, характеризующих термомеханические условия процесса пластической деформации.

Для определения изменения прочностных характеристик с изменением температуры Т известен ряд зависимостей, в частности, С. И. Губкина [226] для определения временного сопротивления металла σ_В в области температур, составляющих 0,7...1,0 Т_ПЛ:

,

где — временное сопротивление при температуре 0,95 Т_ПЛ и скорости растяжения 40...50 мм/мин; Т_ПЛ — температура плавления сплава (^оС);
α_Т — температурный коэффициент, и зависимость Н. С. Курнакова [237]:

,

где — значения прочностной характеристики при температуре, соответственно, Т₁ и Т₂; α_Т — температурный коэффициент, постоянный для данного сплава, если в этом интервале температур в нем отсутствуют физико-химические превращения.

Для оценки деформационного упрочнения в процессе пластической деформации известна зависимость [123]:

,

где σ_ист и ε_ист — истинное напряжение и истинная деформация;
А, В и п — постоянные, определяемые экспериментально.

Известен ряд формул, отражающих зависимость деформационных характеристик металла от скорости u его деформирования, в частности, следующие [221, 238]:

П. Людвика — ,

А. Рейто — ,

Е. Зибеля и А. Помпа — ,

А. Надаи — ,

где σ_Д — сопротивление деформации металла; σ_Т — предел текучести при статической деформации; b и т — постоянные коэффициенты, зависящие от материала; σ_S и σ_S0 — напряжения текучести, соответственно, при скоростях деформирования u и u₀; т и п — константы.

Более комплексно реальные процессы упрочнения и релаксации при пластической деформации металла отражены в зависимости, предложенной А. И. Целиковым и В. А. Персианцевым [239], для определения сопротивления деформации σ_Д:

,

где D_У – модуль упрочнения; a_Р – коэффициент, представляющий собой скорость релаксации (c^-1); σ_Т – предел текучести при статической деформации; ε – степень деформации; u – средняя скорость деформации.

Выше приведены лишь наиболее известные решения задачи по определению характеристик металла при их пластическом деформировании. Однако использовать эти формулы применительно к процессу точечной сварки не представляется возможным, поскольку ни одна из них не учитывает одновременного влияния на величину сопротивления пластической деформации основных факторов — температуры, степени и скорости ПД металла, как это имеет место в процессе КТС. Кроме того, для большинства из этих зависимостей не определены значения коэффициентов.

На основании анализа известных методик для определения сопротивления пластической деформации металла и проведенных исследований сделан вывод о том, что для решения поставленной задачи при КТС рационально использовать приближенные, расчетно-экспериментальные методы. В частности, был сделан вывод о том [203, 206, 240], что для определения сопротивления пластической деформации металла в условиях формирования точечного сварного соединения наиболее приемлем метод, предложенный В. И. Зюзиным [241], так называемый «метод термомеханических коэффициентов». По этому методу изменение сопротивления деформации выражается в относительных единицах (коэффициентах) в зависимости от каждого параметра (температуры деформируемого объема Т_Дt, степени ε_t и скорости u_t пластической деформации) в отдельности. Применительно к условиям КТС расчетное значение сопротивления деформации металла σ_Дt определяется по следующей зависимости [203, 206]:

, (3.60)

где σ_0Д — базисное значение сопротивления пластической деформации, при определенных условиях испытаний; к_Тt, к_εt и к_Ut — соответственно, температурный, степенной и скоростной термомеханические коэффициенты в момент времени t.

При практическом использовании данного метода определения СПД металла используют значения базисного сопротивления пластической деформации σ_0Д, а также термомеханических коэффициентов: температурного к_Т, степенного к_ε и скоростного к_U, которые определяют экспериментально для разных условий деформирования металла. Их значения представлены в справочной литературе по обработке металлов давлением в виде табличных данных, графиков или аппроксимированных по ним функций. Типичное изменение коэффициентов к_Т, к_ε и к_U в зависимости от изменения соответствующих факторов показан на рис. 3.26.

Таким образом, из существующих методов расчетного определения сопротивления пластической деформации металлов, экспериментально-расчетный метод термомеханических коэффициентов является наиболее приемлемым для условий ПД при точечной сварке. Он позволяет учитывать одновременное и комплексное влияние на величину СПД основных факторов процесса пластической деформации металла — температуры, степени и скорости, как это и имеет место в процессе КТС. Кроме того, для наиболее используемых в машиностроении сталей и сплавов определены базисные значения СПД σ_0Д и значения коэффициентов к_Т, к_ε и к_U, которые приведены, например, в работе [242].

Для практических расчетов сопротивления пластической деформации металла по формуле (3.60) в условиях КТС необходимо в любой момент процесса формирования точечного сварного соединения количественно определить степень и скорость деформации, а также температуру деформируемого металла в зоне сварки.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: