Природа образования разгарных трещин

На основе данных (рисунок 12) в процессе теплопередачи можно выделить следующие этапы:

- отсутствие непосредственного контакта — теплопередача происходит в основном за счет излучения (участок а);

- контакт при наложе­нии заготовки на инструмент — давление минимально, теплопередача при большом термическом сопротивлении контактного слоя незначительная (участок б);

- контакт при воздействии деформирующего усилия на заготовку — термическое сопротивление контактного слоя минимально, инструмент нагревается в основ­ном за счет теплопроводности — (участок в);

- контакт при снятии деформирующего усилия — термическое сопротивление возрастает, теплопередача происходит менее ин­тенсивно — участок г);

- промежуток между снятием поковки и наложением следующей заготовки — теплопередача идет в окружающую среду за счет излучения и конвекции (участок д).

Рисунок 12 - Типичные температурные кривые в штампе на различной глубине от поверх­ности гравюры

(точки 1—4 расположе­ны равномерно по мере удаления от поверхности гравюры)

Анализ температурных кривых показывает значительные колебания температуры в поверхностных слоях инструмента. По мере удаления от поверхности амплитуда колебаний быстро уменьшается. Периодическое изменение температуры приводит к распространению в инструменте тепловых волн и соответствующих им температурных напряжений.

Амплитуда температурных колебаний по мере увеличения расстояний от плоскости контакта быстро, затухает (рисунок 14), причем каждая отдельная волна распространяется, вглубь с неизменным периодом. Тепловые волны приводят к образованию и развитию разгарных трещин. Если волны короткие, то распространение трещин вглубь инструмента будет ограниченным. Длинные волны вызывают развитие трещин на большие расстояния от поверхности инструмента, поскольку при пробеге длинной волны возникают высокие температурные напряжения, способные даже самостоятельно, а тем более в со­четании с напряжениями от внешнего нагружения, привести инструмент к поломке.

Глубина проникновения тепловых волн в массивном теле в зависимости от периода колебаний температуры определяется по формуле , где

а — коэффициент теплопроводности.

Рисунок 14 - Распространение тепло­вых волн в полуограниченном теле в различные моменты времени

Чем больше теплопроводность материала, инструмента, тем на большую глубину распространяется влияние тепловых волн.

Физику процесса образования разгарных трещин легко можно понять, рассмотрев модель упругого вязкопластического тела (рисунок 15). Пусть эта модель состоит из множества элементарных систем, связанных между собой посредством упругих пластин, по искривлению которых можно судить о закономерностях развития остаточных напряжений 1-го рода. Такая си­стема состоит из термоэлемента, механизма зацепления, устройства вязкого течения и пружины, работа которых соответственно имитирует процессы теплового расширения, сдвига по кристаллографическим плоскостям, вязкого течения зерен и действие сил упругости.

Рисунок 15 - Механическая модель вязкопластического тела: 1 — термо­элемент, 2 — механизм зацепления,

3 — устройство вязкого течения, 4 — пружина, 5 — упругие пластины

При возникновении теплового потока, например с боковой поверхности модели, элементарные системы нагреваются по закону бегущей волны. В результате теплового расширения термоэлементов пружины начинают сжиматься, жидкость переходит из одной половины цилиндра в другую, а по достижении критической нагрузки поочередно срабатывают механизмы зацепления. При изменении направления теплового потока боковые системы могут вернуться в исходное состояние, но этому препятствуют другие элементы, связанные посредством упругой пружины. Одни элементы системы будут находиться в сжатом состоянии, другие - в растянутом и только некоторая часть элементов систем не будет подвержена силовому воздействию упругой пластины.

Аналогичные явления происходят и в металле инструмента. Неоднократный нагрев и охлаждение рабочей поверхности вызывают термическую усталость. При контакте с горячей заготовкой рабочая поверхность инструмента быстро нагревается. Прилегающие менее нагретые слои препятствуют термическому расширению горячего поверхностного слоя, в котором возникают сжимающие напряжения. При охлаждении инструмента напряжения меняют знак, тогда в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения. Периодически растягивающие напряжения и вызывают разрушение инструмента в вид разгарных трещин.