Спосіб знеміцнення пластичних матеріалів у процесі деформування

1. Спосіб знеміцнення пластичних матеріалів у процесі деформування, який полягає в тому, що зразок досліджуваного матеріалу статично розтягують зі сталою швидкістю деформації до заданого ступеня деформації, який відрізняється тим, що послідовно статично розтягують серію однакових зразків досліджуваного матеріалу до заданого ступеня деформації, який менше деформації e В , що 2 88031 1 3 міцнення пластичного матеріалу. Проте всім цим способам властивий один головний недолік, послідовність стадій в процесі деформування не змінюється (пружна стадія, стадія зміцнення, стадія знеміцнення і стадія макроруйнування). Цей недолік деформування пластичних матеріалів виявляється у відомих технологічних операціях штамповки і глибокої витяжки деталей складної форми. В місцях раптової зміни форми деталей в процесі штамповки і глибокої витяжки часто утворюються мікро- і макротріщини. Це пов'язано з тим, що в таких локальних зонах матеріал при деформуванні знаходиться на стадіях знеміцнення і макроруйнування. Найбільш близьким за технічною сутністю до рішення, що заявляється, є спосіб здійснення знеміцнення пластичних матеріалів у процесі деформування, згідно якого зразок досліджуваного матеріалу статично розтягують із сталою швидкістю деформації до заданого ступеня деформації (Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Справочное пособие. Часть 1. Отв. редактор. В.Т. Трощенко, Киев, Видавництво "Наукова думка", 1993. Глава 1. Напряжения и деформации. С. 15...23). Головним недоліком відомого способу є те, що за допомогою нього також не можливо змінити послідовність стадій у процесі деформування пластичного матеріалу. Винаходом ставиться завдання розробки достовірного контролюємого способу здійснення знеміцненння пластичного матеріалу на "кластичній" стадії зміцнення матеріалу, отриманої за "чистого" статичного розтягу. Поставлене винаходом завдання досягається тим, що додатково послідовно статично розтягують серію однакових зразків досліджуваного матеріалу до заданого ступеня деформації, який менше деформації e В , що відповідає межі міцності матеріалу sВ , а потім послідовно кожний із серії зразків неперервно піддають раптовим змінам в режимі навантаження за однаковим складним законом у декілька етапів із зростаючою середньою швидкістю деформації зразків один відносно іншого, на першому етапі раптово підвищують швидкість деформації, на другому раптово знижують і на третьому етапі знову раптово підвищують, а про ступінь знеміцнення пластичного матеріалу в процесі деформування судять за різницею опору матеріалу деформуванню при статичному навантаженні, при якому почали здійснювати раптові зміни в режимі навантаження, і максимального рівня падіння опору пластичного матеріалу деформуванню при заданому складному режимі навантаження. У пропонуємому способі вдало використовується ефект раптової зміни балансу енергії в процесі високошвидкісного деформування пластичного матеріалу. Процедура таких випробувань полягає в наступному. Спочатку зразок пластичного матеріалу розтягують з сталою швидкістю деформації до заданого ступеня деформації, що менше ступеня деформації e В , який відповідає межі міцності матеріалу sВ, а потім неперервно піддають раптовим 88031 4 змінам в режимі навантаження за складним законом в декілька етапів. На першому етапі раптово підвищують швидкість деформації, а потім здійснюють миттєве уповільнення процесу деформації (другий етап). В наслідок значна частина кінетичної енергії дисипує в матеріал, перетворюючись в тепло, і миттєве уповільнення процесу високошвидкісного деформування як раз і є тою відправною точкою, яка запускає механізм динамічного незрівноваженого процесу деформування пластичного матеріалу. При повторному раптовому підвищенні швидкості деформації (третій етап) в матеріалі фактично відбуваються істотні структурні зміни, які супроводжуються "аномальним" знеміцненням на "класичній" стадії зміцнення, отриманої за "чистого" статичного розтягу. При наступному статичному розтягуванні матеріал повторно зміцнюється вже за новим законом і, наприклад, сумарна протяжність ділянки зміцнення матеріалу, випробуваного в умовах "статичний розтяг - раптові зміни в режимі навантаження - статичний розтяг" значно більше ділянки зміцнення, отриманої при "чистому" статичному розтягуванні. Слід окремо підкреслити, що всі три етапи запропонованого складного режиму навантаження необхідно здійснювати безперервно, без будь-яких зовнішніх зупинок процесу навантаження. Експериментально також встановлено, що ключову роль при такому складному режимі навантаження пластичного матеріалу відіграє час процесу і середні швидкості деформації при таких раптових змінах. Виявлені ефекти в максимальному ступені фіксуються при часі протікання процесів раптових змін в режимі навантаження t = 0,1...1,1 сек і середніх швидкостях деформації В ПРОЦЕСІ РАПТОВИХ ЗМІН В & РЕЖИМІ НАВАНТАЖЕННЯ В діапазоні e = 1...150%/с. Проведені експерименти на різних матеріалах: сталі Ст3, 20, 12Х2МФА, алюмінієвий сплав Д16, армко-залізо, показали, що при швидкостях дефо& рмації e сер < 1%/с досліджувані ефекти короткочасного знеміцнення пластичних матеріалів не значні, а збільшення швидкості деформації & e сер вище 150%/с призводить до практично повного поділу зразків з будь-якого пластичного матеріалу на частини в процесі раптових змін в режимі навантаження. Важливу роль для реалізації запропонованого способу знеміцнення пластичних матеріалів на заданій стадії деформування відіграє часове співвідношення етапів складного навантаження. Дійсно, якщо дуже рано або дуже пізно раптово загальмувати процес високошвидкісного деформування пластичного матеріалу то ефекти короткочасного знеміцнення можуть зовсім не виявитися. В одному граничному випадку просто відбудеться зупинка процесу деформування матеріалу, а в іншому - реакція матеріалу на підвищення швидкості деформації буде відповідати класичному випадку випробувань на високошвидкісне деформування, коли кінетична енергія без перешкод передається зразку, при цьому опір матеріалу деформуванню навпаки зростає. 5 Експериментально встановлено, що час першого етапу раптового підвищення швидкості деформації має складати 1...15% від повного часу процесу раптових змін в режимі навантаження, а час етапу раптового зниження швидкості деформації - 15...25% від повного часу процесу раптових змін в режимі навантаження. Причому про ступінь знеміцнення пластичного матеріалу в процесі деформування можна судити за різницею опору матеріалу деформуванню при статичному навантаженні (scm), при якому почали здійснювати раптові зміни в режимі навантаження, і максимального рівня падіння опору пластичного матеріалу деформуванню при заданому складному режимі навантаження (smах пад.). Найбільш доцільно ступінь знеміцнення пластичного матеріалу (k) оцінювати у відносних величинах s cm - smax пад. × 100%. k= s cm Процедура випробувань не виключає завдання етапів підвищення і зниження швидкості деформації більше трьох описаних. В даному випадку. можливі варіанти регулювання структурними змінами в матеріалі в процесі деформування. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної гідравлічної машини ZD-100Pu. Установка обладнана високоточною комп'ютеризованою вимірювальною системою, яка дозволяє фіксувати до 2400 вимірювань за секунду і пристроєм, що дозволяє реалізувати раптові зміни в режимі навантаження. У момент досягнення заданої деформації на зразках, руйнуються крихкі проби металу різного мінімального діаметру, що розтягуються паралельно із зразком. За рахунок цього динамічного імпульсу раптово підвищується швидкість деформації. Однак, слід врахувати відмінну особливість гідравлічної машини ZD-100Pu, в ній наявна масивна рухома траверса (маса складає 1325кг) і тому на початковому етапі зростання швидкості деформації здійснюється миттєва затримка процесу високошвидкісного деформування пластичного матеріалу, в першу чергу, за рахунок інерційності рухомої траверси. В подальшому швидкість деформації продовжує раптово зростати до максимуму, потім процес уповільнюється і після певного стрибка 88031 6 деформації в фіксованому режимі, процес навантаження зупиняється. На Фіг.1. наведені результати випробувань зразків з армко-заліза (крива 1 відповідає зусиллю руйнування крихких проб 44,66кН; крива 2 81,99кН; крива 3 - 108,92кН з відповідними середніми швидкостями деформацій 46,6%/с; 47,6%/с; 47,8%/с). Відповідні ступені знеміцнення пластичного матеріалу для трьох наведених діаграм напружень складає K1 = 13,0%, K2 = 30,2%, K3 = 30,3%. Відмітимо, що на всіх розвантажених зразках не відмічено ніяких ознак появи "шийки", а при стандартних випробуваннях на статичний розтяг зразків з армко-заліза "шийка" фіксується вже при рівні деформації e В = 11,5...12%. На Фіг.2 подані результати аналогічних випробувань зразків з сталі 20 (криві 1, 2) і алюмінієвого сплаву Д16 (криві 3, 4). Криві 1, 3 відповідають статичному розтягу, крива 2 при руйнуванні крихких проб зусиллям 99,47кН; крива 4 - 47,6кН, з відповідними середніми швидкостями деформацій 47,4%/с; 24,3 %/с. Типова картина розшифровки процесу деформування навантажувальної системи (центральний зразок і дві паралельно встановлені крихкі проби) в часі при раптових змінах в режимі навантаження (див. Фіг.3) чітко виявляє три описані етапи деформування матеріалу зразка: І етап - раптове підвищення швидкості деформації, II етап раптове зниження, III - етап знову раптове підвищення. Тут крива 1 відповідає зусиллю на зразку; криві 2, 3 - зусилля на крихких пробах, 4 - деформація зразка. Р, КН - НАВАНТАЖЕННЯ НА ЗРАЗКУ ПЕРВИННОЇ ДІАГРАМИ ДЕФОРМУВАННЯ, ЩО ПОКАЗАНА НА ФІГ.1, 2. Таким чином, застосування способу дозволяє ефективно здійснювати контрольований процес знеміцнення пластичних матеріалів на заданій "класичній" стадії зміцнення пластичного матеріалу, отриманої за "чистого" статичного розтягування. При цьому будь-який пластичний матеріал послідовно проходить шість стадій в процесі деформування: пружну стадію, стадію зміцнення, "аномальну" стадію знеміцнення, нову стадію зміцнення, стадію знеміцнення і стадію макроруйнування і, як правило, перехід до шийкоутворення при даному режимі навантаження затягується. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 88031 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601