Продольная прокатка

Как отмечалось ранее, основным видом ОМД является прокатка. А из трех способов прокатки основным является способ продольной прокатки.

Упомянутые ранее характерные признаки продольной прокатки дополним следующими.

1. Получаемые продольной прокаткой изделия могут иметь постоянное и переменное сечение по длине.

2. Продольная прокатка может быть свободной и несвободной. При свободной прокатке на полосу действуют только два гладких прокатных валка. В противном случае имеет место несвободная прокатка (наличие подпора, натяжения, вертикальных валков и др.).

3. Различают симметричную и несимметричную продольную прокатку. При симметричной прокатке воздействие каждого валка на полосу идентично. В противном случае имеет место несимметричная прокатка (разные диаметры валков, обороты и т.п.).

В теории прокатки обычно рассматривают т.н. простой случай прокатки: это свободная симметричная продольная прокатка прямоугольной полосы постоянного сечения в цилиндрических валках равного диаметра, вращающихся с одинаковой частотой. На нем базируются все более сложные случаи прокатки с учетом дополнительных условий.

3.1. некоторые общие положения теории прокатки

В основе теории прокатки лежит общая теория Омд и теория пластичности, изучаемые в специальных курсах. Мы рассмотрим лишь некоторые общие положения.

Все материалы имеют кристаллическое строение.х Расстояние между атомами в кристаллах зависят от выбранного направления, а от этого зависят и их свойства: они разные в разных направлениях, т.е. кристаллы по своей природе анизотропны (рис.3.1).

Реальный металл состоит из множества кристаллов, произвольно ориентированных в пространстве. При таком беспорядочном, случайном расположении кристаллов (рис. 3.2) свойства металла (поликристалла) оказываются одинаковыми во всех направлениях и определяются средними значениями, хотя каждое зерно остается анизотропным. Внешне металл ведет себя как изотропное тело. Поэтому такие тела принято называть псевдоизотропными, или квазиизотропными.

Под воздействием внешних сил твердые тела могут изменять свою форму и размеры. Свойства металлов изменять свою форму и размеры без нарушения сплошности под воздействием приложенных внешних сил называется пластичностью, а само изменение формы и размеров твердого тела называется деформацией.

Возникающие при этом напряжения определяют как отношение силы, приложенной к телу, к площади его поперечного сечения: Н/мм², где Р – приложенная к телу сила, Н; F – площадь поперечного сечения, мм².

Различают деформации упругую и пластическую, остаточную. Деформация называется упругой, если после прекращения действия приложенной силы тело приобретает первоначальные размеры. В противном случае деформация называется пластической, остаточной.

Мерой пластичности металла называют величину относительной деформации (продольной и поперечной) в момент разрушения:

относительное удлинение , %

и относительное поперечное сужение , %,

где L_н и F_н - начальные длина и площадь поперечного сечения образца, соответственно, L_к и F_к - то же, конечные.

Прочностные свойства металла характеризуют твердость (Н) и прочность (s_в).

Упругая деформация всегда предшествует пластической. Это наглядно видно на диаграмме растяжения образца (рис.3.3). В начальной стадии растяжения на участке ОА имеет место упругая деформация: напряжение s возрастает прямо пропорционально увеличению относительной деформации d.

Зависимость между ними подчиняется закону Гука:

s =E×d, где Е – модуль упругости металла.

При дальнейшем растяжении упругая деформация переходит в пластическую. Причем для некоторых материалов такой переход происходит скачкообразно, металл как бы течет при постоянном напряжении (площадка текучести АВ).

Затем вследствие наклепа напряжение возрастает, достигая максимума в точке Д. После чего деформация локализуется в средней части образца и, наконец, в точке М происходит его разрыв на две части.

Если в точке А снять приложенную силу растяжения, то разгрузка образца произойдет по прямой АО, и он примет первоначальный размер (упругая деформация).

Если же снять приложенную нагрузку в точке В, то размеры образца будут изменяться не по кривой ВАО, а по прямой ВN и отрезок ON будет характеризовать величину относительной пластической деформации образца.

Напряжение, при котором деформация из упругой переходит в пластичную, называются пределом текучести (s_т), а максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца – временным сопротивлением (s_в). Они разные для разных материалов и для одного и того же материала в зависимости от температуры, скорости деформации и т.п.

Для большинства металлов переход от упругой к пластической деформации происходит постепенно и на кривой растяжения четко не фиксируется. Поэтому для таких металлов определяют так называемый условный предел текучести, как напряжение при некоторой малой величине пластической деформации, например 0,2%. В таком случае условный предел текучести обозначают s_0,2.

Простейший механизм пластической деформации монокристалла можно представить как скольжение (сдвиг) атомов относительно друг друга в кристаллической решетке. Причем скольжение атомов происходит не по случайным, а по вполне определенным плоскостям, которые так и называют – плоскостями скольжения. Это плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Для объемно-центрированной решетки (a - Fe, W, Cr, Mo, V и др.) – это диагональная плоскость куба (рис.3.4). У гранецентрированной кубической решетки (g - Fe, Ni, Pb, Cu, Ag, Au и др.) – это октаэдрическая плоскость, проходящая через диагональ грани и противоположную вершину куба и т.д.

В поликристаллических телах сдвиговые деформации начинаются в первую очередь в тех зернах, в которых плоскость скольжения расположена под углом 45^о к направлению приложенной силы, где действуют максимальные касательные напряжения. Под воздействием этих зерен происходит поворот соседних зерен, пока их плоскость скольжения тоже повернется под углом 45^о к направлению приложенной силы и начнется сдвиг и т.д. (рис.3.5). Пластическая деформация развивается лавинообразно путем образования новых и новых плоскостей скольжения.

В процессе пластической деформации зерна не только изменяют форму и размеры, но и взаимное пространственное расположение, вытягиваясь в направлении прокатки. Это приводит к образованию строчечной структуры, или так называемой текстуры (рис.3.6).

Образование текстуры характерно для прокатки в холодном состоянии и приводит к различию свойств металла в различных направлениях. Такое различие свойств называется анизотропией. Она выражена тем больше, чем больше степень пластической деформации. При этом увеличиваются твердость и прочность металла, снижается его относительное удлинение и поперечное сужение, т.е. увеличиваются прочностные и снижаются пластические свойства металла. Такое изменение свойств в процессе пластической деформации называется упрочнением (наклепом, нагартовкой) металла.

При нагреве холоднодеформированного металла до температур 500-600^оС прочностные свойства за счет снятия внутренних напряжений снижаются, а пластические – увеличиваются. Такое восстановление свойств металла при нагреве без структурных изменений называется возвратом, или отдыхом.

При нагреве металла до более высоких температур происходит так называемая рекристаллизация структуры: вытянутые зерна дробятся, округляются, объединяются в более крупные. Это приводит к резкому падению прочностных и росту пластических свойств металла. Рекристаллизация металла по своему действию обратная по отношению к холодной деформации.

При горячей деформации процессы наклепа и рекристаллизации протекают одновременно, т.к. горячая деформация осуществляется при температурах, выше температуры рекристаллизации металла.

Таким образом, границей между холодной и горячей деформацией является температура рекристаллизации металла. Если температура прокатки выше температуры рекристаллизации данного металла, имеет место горячая прокатка, в противном случае – холодная.

По этой причине прокатка, например, свинца при комнатной температуре считается горячей, т.к. при этой температуре происходит его рекристаллизация. Поэтому свинец очень часто используют в качестве модельного металла при изучении различных видов ОМД.

Некоторые законы пластической деформации.

1. Закон постоянства объема. Он гласит: в процессе пластической деформации изменяется форма и размеры тела, а объем остается постоянным. В символах закон записывают так – Н × В × L = h × b × l , где символы обозначают высоту, ширину и длину деформируемого тела до и после деформирования, соответственно.

Этот закон имеет некоторые исключения. При горячей деформации литого металла происходит его уплотнение в первых проходах за счет пористости. Так, плотность кипящей стали составляет 6,3 г/см³, спокойной – до 7,0 г/см³, а деформированной – 7,85 г/см³.

При холодной прокатке, наоборот, происходит некоторое разуплотнение металла, но оно составляет всего 0,1-0,2 % и им пренебрегают.

2. закон наименьшего сопротивления.

В соответствии с этим законом каждая частица свободно деформируемого тела перемещается по пути наименьшего сопротивления своему перемещению. Таким путем является кратчайший путь, проходящий через частицу к периметру сечения, т.е. по перпендикуляру к нему. Например, при осадке цилиндрического образца движение частиц будет происходить по радиусу, и в конечном итоге исходная форма круга сохраняется. При осадке образца с квадратным основанием (рис.3.7) частицы будут перемещаться по перпендикуляру к поверхности. Таким образом, его основание диагоналями будет поделено на поля истечения. В результате в конечном итоге квадратное основание превратится в круглое, т.е. тело стремится к уменьшению периметра при той же площади основания. Поэтому этот закон еще называют законом наименьшего периметра.

В обоих рассматриваемых случаях предполагаются идентичные условия контактного трения во всех направлениях

3.2. Основные понятия и определения продольной прокатки

Линейные размеры прокатываемых полос, мм (рис.3.8):

Н, В, L – соответственно высота, ширина и длина заготовки;

h, b, l – то же раската;

R и D – радиус и диаметр валков;

АА’ – точки начального соприкосновения металла с валками;

ВВ’ – точки конечного соприкосновения металла с валками;

АВ – дуга захвата;

a - угол захвата; град.;

b_c - средняя ширина полосы: ;

h_c – средняя высота полосы , или более точно ,

F – площадь контактной поверхности металла с валками, мм².

Плоскость входа металла в валки – вертикальная плоскость, проходящая через точки начального соприкосновения металла с валками.

Плоскость выхода металла из валков – вертикальная плоскость, проходящая через линию центров валков.

Область, ограниченная дугами захвата, плоскостями входа и выхода металла из валков, а также боковыми гранями полосы (заштрихована) называется геометрическим очагом деформации или зоной, поясом деформации.

l_d – длина очага деформации;

l_d/h_c – показатель формы очага деформации. Весьма важный фактор, определяющий многие параметры процесса прокатки.

Показатели деформации:

1. Абсолютные -

обжатие Dh = H – h, мм;

уширение Db = b – B, мм;

удлинение Dl = l – L, мм.

2. Относительные -

обжатие .

Аналогично определяют относительные уширение и удлинение, но они практически не употребляются.

Показатель уширения показывает, какая часть обжатого металла расходовалась на уширение.

При продольной прокатке обжимаемый металл смещается в длину и ширину, т.н. смещенный объем V_c. Он равен V_c = (H - h) × B × L. Относительный (удельный) смещенный объем будет , т.е. удельный смещенный объем численно равен относительному обжатию.

3. Коэффициенты -

обжатия ,

уширения ,

удлинения (вытяжки) .

По закону постоянства объема Н × В × L = h × b × l откуда или . Следовательно, при одном и том же обжатии уширение тем больше, чем меньше вытяжка, и наоборот.

Прокатку обычно осуществляют в несколько проходов. В связи с этим различают общий (суммарный) коэффициент вытяжки и частные. , откуда ,

где - общий коэффициент вытяжки за n проходов,

m₁, m₂, и тд. – частные коэффициенты вытяжки,

m_с – средний коэффициент вытяжки.

Кроме того , где F_н и F_к – начальная и конечна площади поперечного сечения полосы.

Зависимости между параметрами очага деформации.

1. Зависимость между длиной очага деформации, обжатием, радиусом валков и углом захвата. Из рис.3.8 следует АС² = ОА² – ОС², или .

Пренебрегая вторым членом из-за его малости по сравнению с первым, окончательно получим .

Из того же рисунка .

2. Зависимость между обжатием, углом захвата и диаметром (радиусом) валков. Из рис. 3.8 СВ = ОВ – ОС или , откуда - одна из основополагающих зависимостей теории продольной прокатки.

Поскольку или в радианах - , то упрощенное выражение для определения обжатия будет . Расчетные данные по полной и упрощенной формуле даже при больших углах захвата не превышает 1,5%.