CC BY
19
УДК 621.778.2
В.ИЛепехов, А.Г.Анищенко
ИСС ЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА КРУЧЕНИЯ-ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ
Изготовление проволоки и изделий из нее включает, как правило, опфации холодного волочения, совмещенные с соответствующей термообработкой, и последующие слесарно-медницкие работы (изгиб, навивка и т.д.). В последнее время разработан ряд технологий, положительный эффект которых достигается операциями кручения проволоки, проводимыми как до, так и после волочения [1-3].
Дополнительные операции кручения в той или иной мере сказываются как на режимах волочения проволоки, гак и на свойствах готовых изделий из нее. Известно [4], что кручение и волочение в отдельности обусловливает рост прочностных характеристик и потерю пластичности проволоки. Однако различие схем напряженного состояния, присущих этим процессам, может вызвать разупрочнение проволоки вследствие эффекта Баушингера [5].
В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение характерных особенностей процесса кручения-волочения проволоки и ее механических свойств после больших пластических деформаций.
Исследованиям подвергали проволоку из стали Ст.2 и инвара 36Н, Образцы для кручения представляли собой отрезки проволоки, концевые участки которых были загнуты под прямым углом к оси проволоки с радиусом гибки, равным 10мм. Кручение образцов, нажатых в струбцинах, осуществляли вручную со скоростью 18 об./мин. При экспериментах варьировали рабочую длину образцов ('¿=100-270 мм), их диаметр (с1 = 2,05-3,96 мм) и число оборотов (и=20-85 об.). Деформацию кручением Ек рассчитывали по формуле [6]:
Ен = (т/л/з) +0.5у2 +0,5у^у2~ + 41 , у ~ ЯЯ^//..
Волочение проволоки проводили на волочильном стане ВС 1/550 со скоростью волочения У= 0,45 м/с. При волочении образцов, подвергнутых кручению, скорость понижали до V ~ 0,09 м/с для предотвращения обрывов. В качестве смазки использовали сухой порошок хозяйственного мыла. Деформацию волочением Е н рассчитывали по формуле:
Е^ЫЩЬ, <3
где Ц - длина образца после волочения.
Отжиг образцов проводили по режиму: нагрев до 800°С. выдержка 1 час, охлаждение с печью. Металлографические исследования проволоки осуществляли на продольных и поперечных микрошлифах под микроскопом ММР-4 при 100- и 500-кратном увеличении. Микрошлифы травили в реактивах следующего состава: для стали Ст.2 - 3 %-ный епиртовый раствор азотной кислоты; для сплава 36К - 4 г пикриновой кислоты, 8 капель соляной кислоты, 10 мл этилового спирта. Величину зерна измеряли по ГОСТ 5639-82. Замеры микротвердости производили на приборе ПМТ-3.
Механические свойства проволоки определяли по ГОСТ 10446-80 дублированными испытаниями на машине Р-0,5. В тех случаях, когда усилия машины Р-0,5 (5 кН) не хватало для разрыва образцов, использовали машину 1231У-10.
(1) (2.)
При кручении всех образцов, кроме подвергнутых отжигу, после 3-5 оборотов визуально наблюдалась локализация деформации на участках длиной 2-5 мм, поверхность которых сильно разогревалась, темнела, становилась более шероховатой с четко различимыми двухзаходными винтовыми линиями, расположенными под углом а = 45-60° к оси образцов.
В отличие от испытаний на стандартных машинах, сопровождающихся возникновением зон сосредоточенной деформации вблизи захватов машин [8], в нашем случае участки локализации деформации появлялись как вблизи радиусов гибки, так и по всей рабочей длине образцов. При кручении стальной проволоки наблюдали только один участок локализации деформации. Кручение образцов из сплава 36Н происходило зачастую по принципу "бегающей шейки" [9], т.е. деформация сосредотачивалась в процессе эксперимента вначале на одном, затем на другом, а изредка на третьем участке рабочей длины образцов.
С ростом числа оборотов длина участков локализации деформации увеличивалась со скоростью (0,7-l,0)d за оборот, распространяясь, в конечном счете, на всю рабочую длину образца при п > 20 об. Дальнейшее кручение сопровождалось увеличением угла наклона винтовой линии до а = 70-80° и разрушением образцов.
Отожженная проволока при кручении вела себя несколько иначе. Очаг деформации сразу же распространялся на всю длину образцов, тепловой эффект кручения был не столь заметен, а разрушение происходило после 80-85 оборотов для стали Ст.2 и 50-58 оборотов для сплава 36Н, что при тех же значениях d/L на 25-30 % больше предельного числа оборотов, выдерживаемых без разрушения проволокой, предварительно наклепанной волочением.
Образцы, отрезанные от проволоки, подвергнутой кручению до разрушения, тем не менее выдерживали последующую деформацию холодным волочением с общей вытяжкой j.i — 3,24 - 4,85 и вальцовкой в острильных станках с уменьшением диаметра d на 0,2 - 0,5 мм. Однако радиус кривизны р при изгибе образцов, изредка происходящем в процессе острения вальцовкой должен быть не менее величины р ~ (10 - 12) d.
Выявленный разброс предельных значений деформации проволоки в зависимости от схемы нагружения качественно подтвердил правильность критериев деформируемости металлов, предложенных в работе [7] на основе анализа испытаний образцов на совместное кручение и растяжение.
Поскольку после больших пластических деформащш без нагрева предел текучести <3, и временное сопротивление разрыву проволоки (7Л при растяжении практически равны (разность величин не превышает 2-4 %), то в качестве изучаемой прочносэной характеристики деформируемого металла был выбран показатель a f¡ , который на используемых в работе испытательных машинах определяется более точно, чем О, .
Массивы экспериментальных значений ой образцов, подвергнутых различным режимам деформации кручением и волочением, аппроксимировали согласно рекомендациям справочника [10] степенными функциями вида CT л, =
= А + Вх"1, где д- - деформационный параметр, А, В, т - коэффициенты. Погрешность аппроксимации составила: для образцов из сплава 36Н - 4-8 % в интервалах 2,55 < Ен < 4,07; 1,00 < Ек < 1,48; для образцов из стали Ст.2 -4-6 % в интервалах 0,70 < Ек < 1,90, 0,50 < Ек < 1,20. Полученные формулы приведены в таблице.
Таблица
Формулы для расчета О"в по величинам накопленной образцом деформации волочением Ев и кручением Ек
Способ формоизменения проволоки Материал Формула для расчета
Волочение Во лочение+кр учение стадь Ст.2 сплав 36Н сталь Ст.2 сплав 36 Н Ъв - 283,0 + 359,1*/?£58 (4) а в =477,0+ 131,3-£^5 (5) Об - ов - 121,(6) О*в = Ов-50,9-Е1к12 (7)
Рис.к Кривые упрочнения-разупрочнения проволоки из стали Ст.2: 1 - при деформации волочением; 2, 3 - при деформации волочением с Ев = 1,0 и 0,6. соответственно, и последующим кручением. ^ ^. ^^
""Г — ь
а г,' /.6 го ■ .•:
Рис.2. Кривые упрочнения-разупрочнения проволоки из сплава 36Н: I - при деформации волочением; 2, 3 - при деформации волочением с Е в = 1,6 и 0.8, соответственно, и последующим кручением.
На рис. 1, 2 представлены расчетные графики упрочнения-разупрочнения стали Ст.2 и инвара в результате деформации волочением и кручением. Деформационное упрочнение проволоки при волочении в целом
аналогично данным, приведенным в справочнике [10}. Кручение образцов
*
неоднозначно сказывается на изменении СТ а. Отоженный металл яри кручении
подвергается деформационному упрочнению, однако poci ой менее интенсивен, чем при прокатке и волочении. Упрочнение происходит при кручении как в
одну, так и в обе стороны. Металл, подвергнутый волочению, после
*
последующего кручения разупрочняется (кривые 2, 3 на рис.1, 2). Падение Св имеет место для всех, в том числе весьма больших значений Ев и Ек и объясняется, по нашему мнению проявлением эффекта Баушингера (ЭБ). Строго говоря, ЭБ характеризуется снижением сопротивления началу пластической деформации при изменении знака нагружения и фиксируется, в основном. при малых пластических деформациях. Отождествление представленных на рис.1, 2 результатов с ЭБ основано на следующих предпосылках:
1) для образцов из проволоки, подверженной деформации с большими величинами Еь и Ек, испытания на растяжение до остаточных удлинении S = 5-8 % для стали Ст.2 и б = 2-12 % для инвара характеризуется равенством СТЛ «стг;
2) в литературе имеются сведения [11] об эффекте Баушингера в сталях и сплавах после больших пластических деформации.
Лет
Если характеризовать ЭБ показателем р =--100% [5] (сг - временное
О
сопротивление разрыву металла при предварительном нагружении, Лет - разность сг при изменении нагрузки), то р растет с увеличением Ек и уменьшением Е}(. Последнее обстоятельство вынудило в формулы (6), (7) вместо постоянного коэффициента ввести значение О ,,, определяемое растяжением образцов, предварителъно волоченных с интенсивностью деформации Еи
Анализ экспериментальных данных показал, что величина р хотя и не превышает 12 %, тем не менее должна быть учтена при разработке режимов волочения крученной проволоки. В частности, разность Дет = 50-60 Mí Та для стали Ст. 2 и 90-! 00 МП л для инвара вызвала необходимость снижения скорости волочения и вытяжки на первом проходе при волочении проволоки после отжига с предварительной очисткой ее поверхности от окалины методом скручивания [I].
Повторное на тру жени е волочением проволоки, предварительно подвергнутой волочению-кручению, даже при весьма малой вытяжке ( ц = = 1,08-1,11) восстанавливает уровень Gfí до значении, определяемых по формулам (4), (5).
Отжиг образцов устраняет влияние всех схем комбинированного нагружения на величину о н Различия значений а ь для отожженного металла (а„ = 471-492 МП а для инвара и cb = 272-310 МП а для стали Ст.2) определяется соотношением между диаметром образцов и величиной накопленной деформации. Увеличение этих параметров при фиксированных времени и температуре отжига обусловливает более высокие значения <т н.
Исследования величины зерна и микротвердости проволоки из стали Ст.2 показали, что эти параметры слабо зависят от деформации кручением в исследованных пределах. Исходные образцы (d = 2,05 мм) с диаметром зерен 8-24 мкм в поперечном и 5-70 мкм в продольном сечении, полученные после волочения с Е}i — 1,31 и отжига, имели в поперечном сечении размер зерна 40 мкм и микротвердость 1570-1735 МПа. Дополнительная интенсивная деформация кручением с Ек = 1,38 несколько уменьшила размер зерна (35 мкм) и увеличила микротвердость (1600-1785 МПа). Вместе с этим, последующее за кручением повторное волочение образца до диаметра 1,54 мм с деформацией
Ев - 0.59, почти не меняя размер зерна (33 мкм), существенно увеличило микротвердостъ стали до величин 2050-2300 МПа.
Образцы из инвара с диаметром 1,58 мм, подверженные холодному волочению с Ев - 3,52. имели средний диаметр зерна в поперечном сечении 12 шш и микротвердостъ 1880-1980 МПа. После кручения с Ек - 1,00 микротвердость и размер зерна не изменились. Вторичное холодное волочение с Ев - 0,99 вызвало рост микро твердости до 2115-2245 МПа и уменьшение величины зерна до 7 мкм.
Полученные данные подтверждают существующие представления [5] о том, что ЭБ заметен тем сильнее, чем меньше размер зерна в исследуемом материале и выше его прочностные свойства.
Несмотря на низкие значения <5 и малое число циклов испытании на изгиб (от 3 до 12) проволока при простом и комбинированном нагружении без промежуточных отжигов выдержала весьма большую остаточную деформацию: Ев + Е к =5,07 и 3,36 с с ответств еннн о для сплава 36 H и стали Ст. 2. Даже остатки разрушенных при кручении образцов подвергались повторному волочению с уменьшением диаметра на 1-1,5 мм, что подтверждает мнение о зависимости предельных деформаций до разрушения от схем нагружения [7]. Достаточные значения ЕВ+Ек означают, что с учетом пересчета по формулам (1-3), исходную проволоку диаметром 8,0 мм из инвара можно волочить без отжигов до диаметра 0,63 мм. а проволоку из стали Ст.2 диаметром 4,0 мм - до диаметра 0,75 мм. Фактически волочением вхолодную, без отжигов, с вытяжкой за проход f.t= 1.12-1,38 изготовили проволоку из инвара и стали Ст. 2 диаметрами соответственно 0,97 и 1,04 мм.
Выводы
1. Кручение проволоки из стали Ст.2 и сплава 36Н, предварительно подвергнутой волочению, вызывает падение временного сопротивления разрыву образцов при испытаниях на растяжение (эффект Баушингера).
2. Эффект Баушгатгра проявляется при всех, в том числе больших величинах деформации волочением Ев и кручением Ек. Он тем заметнее, чем меньше Еи и выше Ек .
Библиографический список
1. Л.CJ 779425 СССР, МКМ 5 B21C9/Ö0. Способ подготовки катанки к волочению и устройство для его осуществления./С. В. Запасов, В.Н.Конышев, С.Е.Якимов. - Бюллетень изобретений, 1992, № 45.
2. Ковка и штамповка: Справочник: Том 3, Холодная объемная штамповка./Под ред. Г. А. Навроцкого. - М.: Машиностроение, 1987.-384с.
V A.C. 1756004 СССР. МКИ 5 В21 F35/00. Способ изготовления винтовой пружины из проволоки.! А.И.Карнаух. О С,Xycuô. И.И.Андриииова Бюллетень изобретений, 1992, № 31. 4. Полу хин Г1.М., Гун Г.Я.. Гai кип A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник.-М.: Металлургия, 1976.-488 с. Грачев C.B. Термическая обработка и сопротивление сплавов повторно-му нагружению,- М.: Металлургия, 1976.- 152 с.
6. Цель Г.Д. Технологическая механика. - М.: Машиностроение, 1978 - 174 с.
7. Огородников В.Л. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. - Киев: Высшая школа, 1983.- 175 с.
8. Пресняков A.A. Локализация пластической деформации.- M.: Машиностроение, 19S3.- 56 с-
С1 Тихонов А С. Эффект сверхпластичности металлов и сплавов. - М.: Наука, 197S. - Е42. с.
10 Третьяков A.B.. Зюзи.ч В.И. Механические свойства металлов и сплавов при
обработке давлением. 2-е изд.- М.: Металлургия. 1973,- 224 с. il. Васильев Д.М.// - Некоторые проблемы прочности твердого тела. - М.; Издательство АН СССР. 1959. - С.37-48.
