Напряженно – деформированное состояние металла в процессах

Обработки давлением

Если к металлическому телу, один конец которого закреплен, приложить внешнюю, например, растягивающую силу, то в теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы. Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при действии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в природе нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.

Появление в металлическом теле внутренних сил свидетельствует о том, что тело находится в напряженном состоянии. Под напряженным состоянием тела понимают состояние вынужденного отклонения атомов от положения устойчивого равновесия в элементарной кристаллической решетке, вследствие чего атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

Напряженное состояние в точке или в некотором объеме деформируемого тела характеризуется схемой главных нормальных напряжений, действующих в трех взаимно перпендикулярных площадках. Схема главных напряжений дает графическое представление о наличии и знаке главных напряжений, возникающих под влиянием внешне приложенных сил.

Возможны девять схем напряженного состояния (рисунок 8). Напряженное состояние в точке может быть линейным, плоским или объемным.

Рисунок 8 – Схемы напряженного состояния

Схемы с напряжениями одного знака называют одноименными, а с напряжениями разных знаков – разноименными. Условно растягивающие напряжения считают положительными, а сжимающие – отрицательными.

Схема напряженного состояния оказывает влияние на пластичность металла. На значение главных напряжений оказывают существенное влияние силы трения, возникающие в месте контакта заготовки с инструментом, и форма инструмента.

В реальных процессах обработки давлением в большинстве случаев встречаются схемы всестороннего сжатия и состояния с одним растягивающим и двумя сжимающими напряжениями.

При прокатке, прессовании, ковке и объемной штамповке напряженное состояние металла характеризуется схемой всестороннего сжатия О₁. При этом во всех случаях главное напряжение сжатия – максимальное, так как создается давлением инструмента на металл. Напряжения и меньше , так как создаются либо подпирающими силами трения, препятствующими течению металла в соответствующем направлении, либо боковыми стенками инструмента (калибра, штампа). Наибольшее течение металла происходит в направлении той оси, где действует минимальное напряжение (чаще всего ).

При волочении напряженное состояние характеризуется схемой О₂: по оси прутка действует напряжение растяжения, по двум другим осям – напряжения сжатия, возникающие из-за давления волоки.

При листовой штамповке отдельные участки изделия характеризуются различными схемами напряженного состояния.

Схема деформированного состояния графически отображает наличие и направление деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Возможны три схемы деформированного состояния (рисунок 9).

Рисунок 9 – Схемы деформированного состояния

При схеме D₁ уменьшаются размеры тела по высоте, за счет этого увеличиваются два других размера (ковка, прокатка).

При схеме D₂ происходит уменьшение одного размера, чаще высоты, другой размер (длина) увеличивается, а третий (ширина) не изменяется. Например, прокатка широкого листа, когда его ширина в процессе прокатки практически не изменяется. Это схема плоской деформации.

Наиболее рациональной с точки зрения производительности процесса обработки давлением является схема D₃ размеры тела уменьшаются по двум направлениям, и увеличивается третий размер (прессование, волочение).

Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций характеризуют пластичность металла. Напряженное состояние при прессовании металла характеризуется такой же схемой напряженного состояния, как при ковке, а схема главных деформаций характеризуется двумя деформациями сжатия и одной – растяжения. При ковке и штамповке растягивающие напряжения играют большую роль, поэтому пластичность металла меньше.