Механические свойства двухслойной стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА И ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 539.374; 621.983

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДВУХСЛОЙНОЙ СТАЛИ

М.В. Грязев, С.С. Яковлев, О.В. Пилипенко

Приведены результаты экспериментальных исследований определения анизотропии механических свойств двухслойной стали 12Х3ГНМФБА +08Х13. В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов предложено их оценивать, как свойства слоев основного и плакирующего материала. Даны необходимые механические характеристики исследованного материала.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, механические характеристики, анизотропия, коэффициент анизотропии, напряжение, деформация, кривая упрочнения, двухслойный материал.

Расчет напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых параметров и предельных возможностей формоизменения процесса вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов возможен только при наличии информации о характеристиках механических свойств и параметров кривых упрочнения исходной заготовки [1, 2]. Эти величины для конкретного материала определяются экспериментально.

В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов, когда механические свойства двухслойных листов оценивают свойствами материала основного слоя [3], предложено их оценивать, как свойства основного и плакирующего слоев материала. Анизотропия механических свойств листовой горячекатаной стали 12Х3ГНМФБА, плакированной слоем стали 08Х13, оценивали по свойствам материала основного и плакирующего слоев. Для этого вырезали образцы из металла со снятым плакирующим слоем толщиной 5о=3 мм и со снятым основным слоем 5о=1 мм. Образцы с разной исходной толщиной 50 изготавливали фрезерованием. Пропорциональные образцы выре-

зались в соответствии с ГОСТ 11701-84 (при 50 < 3 мм) и ГОСТ 1497-84

(при 50 > 3 мм) в пределах одного листа под углами 0, 45 и 90° к направлению прокатки по шесть штук каждого вида. Точность размеров образцов обеспечивалась их обработкой в специальных шаблонах.

Схема раскроя листов и вырезки образцов приведена на рис. 1.

Предварительно перед испытаниями на образец в зоне расчетной длины ¡0 наносилась делительная сетка со стороной квадрата 10 мм. Делительная сетка с точностью до 0,025...0,03 мм наносилась алмазным инден-тором на измерительном микроскопе УИМ-21 по методике, изложенной в работах [4-5]. До и после испытаний размеры ячеек образцов измерялись на том же микроскопе.

Растяжение образцов, вырезанных под углами 0, 45 и 90° к направлению прокатки, осуществлялось на универсальной испытательной машине «Тшйюп 5982».

направление прокатки

(3=90° (3=45° Р=0°

Рис. 1. Схема раскроя листов и вырезки образцов для испытания на анизотропию механических свойств листового материала

Величина коэффициента анизотропии образца, вырезанного под углом а, находилась по формуле [4]

Яр=е Ь1 е г. (1)

Деформации по ширине еь , длине и толщине е2 определялись соответственно по выражениям

еь = 1п(^/Ь0); е1 = ^/¡0); е г =-еь ~е1,

где Ь1 и ¡1 - размеры ячейки соответственно поперек и вдоль образца после разрыва; Ь§ и ¡0 - ее начальные размеры ячейки.

Среднее значение коэффициента анизотропии в плоскости листа

ЯСр вычислялось так:

Яср = (+ Я45 + ¿90)/3

Степень плоскостной анизотропии механических свойств оценивалась величиной 1 я [5, 6]:

1Я = К

Я

Я

(2)

vmax -'татг

где Яmax и - максимальное и минимальное значения коэффициента анизотропии в плоскости листа.

В табл. 1 приведены экспериментальные значения коэффициентов анизотропии Яр, степени анизотропии 1 я и отношений параметров анизотропии С/ Р, И/ Р и Ы/ Р для исследуемого материала. Отношения параметров анизотропии С/ Р, И/ Р и Ы/ Р определяли по формулам [5, 6]

И = Р

С _ ¿90 ;

р Я0 '

N.

Р

Я45 +

1 +

¿90

Я0

(3)

Таблица 1

Значения коэффициентов анизотропии и величин отношений

параметров анизотропии

Материал Яа при угле вырезки образца р, град. Яср 1Я Отношение параметров анизотропии

0 45 90 И/Р с/р Ы/Р

Сталь 12Х3ГНМФБА 1,05 1,10 0,85 1,00 0,250 0,850 0,809 2,894

Сталь 08Х13 0,55 0,48 0,66 0,56 0,321 0,550 1,200 2,156

Значения экспериментальных величин Яр, 00 2р, опц р, Ер, овр, 8р, ур, 8 рр для испытанных материалов приводятся в табл. 2. Для получения наиболее достоверных результатов по определению равномерного относительного удлинения 8 р использовалась та часть разорванного образца, в которой ячейка была наиболее удалена от очага локальной деформации (места разрыва).

Изменение пределов текучести 00,2 р в зависимости от угла вырезки образцов по отношению к направлению прокатки показано на рис. 2, а. Кривые построены на основе расчетов величины 002р по

уравнению [5, 6]

о 2Р=°290 (! + Нр)/

■ 2п С 2п Н бш2 р + соб2 Р+ + Р Р

+

N

С .И

2 2 Бт р СОБ р

(4)

2--1---4—

V Р Р Р

где о590 - предел текучести материала образца, вырезанного в направле нии, перпендикулярном направлению прокатки.

Экспериментальные значения этих величин обозначены значками.

Таблица 2

Механические характеристики исследуемых материалов

от угла вырезки образцов

Материал Р, град. О0^ МПа Опц, МПа Е, МПа Ов, МПа

Сталь 12Х3ГНМФБА 0 1,05 535,0 538,5 447,3 87792,5 622,2

45 1,10 500,0 503,9 397,3 78238,2 561,6

90 0,85 510,0 510,0 417,0 84879,1 595,5

Сталь 08Х13 0 0,55 435,0 439,3 534,6 98763,0 534,6

45 0,48 472,0 468,5 578,6 98859,3 578,6

90 0,66 465,0 465,0 589,9 109934,9 589,6

Материал Р, град. 5, % У, % 5 р, %

Сталь 12Х3ГНМФБА 0 28,7 52,0 6,8

45 23,3 59,9 8,1

90 26,0 51,1 5,78

Сталь 08Х13 0 27,5 54,8 11,1

45 26,0 52,4 10,3

90 25,0 51,7 9,5

Примечание. В числителе приведены экспериментальные значения Оо 2р, в знаменателе - значения, вычисленные по выражению (4).

На рис. 2, б показано изменение величин коэффициентов анизотропии Яр и условного предела текучести 00 2р, полученных экспериментально (обозначенных точками) по выражению [5, 6]

Яз =

н

+

N

с . н

2 — -1---4

Р Р Р

7 7

sin Ь cos Ь

■ 2п С 2 о

Sin2 В + cos2 В Р

(5)

Для исследуемых материалов установлено хорошее согласование (с погрешностью в среднем до 5 %) экспериментальных и расчетных (4), (5) значений пределов текучести и коэффициентов анизотропии, что позволяет рекомендовать эти зависимости для вычисления пределов текучести и коэффициентов анизотропии в любых направлениях относительно направления прокатки (при известных отношениях параметров анизотропии С/Р, Н/Р и ЩР) (см. табл. 1).

560

МПа{

520 500

а

0.2Р

480 460

420 400

1

/ /

-4»

- •

—г:

\ Ч

т " \

\

а

10 20 30 40 50 60 70 градус 90 б

Рис. 2. Зависимости изменения коэффициентов анизотропии Яр (а), пределов текучести 00 2р (б) от угла вырезки образцов : кривая 1 - сталь 12Х3ГНМФБА; кривая 2 - сталь 08Х13

Выполненные экспериментальные исследования позволили рассчитать константы кривых упрочнения

01к = 010,2, + Ок{г1к)Пк , к = 1,2,

(6)

которые представлены в табл. 3. Константы кривой упрочнения (6) для исследуемых материалов определялись путем обработки индикаторных диаграмм «сила - путь» в области равномерной деформации с учетом постоянства объема материала на базовой длине образца. Экспериментальные

константы и щ находились с использованием методики нелинейного оценивания параметров.

Таблица 3

Константы кривых упрочнения исследуемых материалов

Материал а,0,2к, МПа Ок, МПа пк

Сталь 12Х3ГНМФБА 520,2 496,04 0,435

Сталь 10Х13 432,5 512,05 0,498

Обработка экспериментальных данных осуществлялась в предположении изотропного упрочнения анизотропного материала [4, 5], что позволило значительно упростить обработку опытных данных и сократить объем экспериментальных исследований при построении единой кривой упрочнения.

Принимая в качестве базовых экспериментальные данные

а 590 = а 59о(89о) при растяжении плоских образцов в направлении оси у, рассчитывались величины интенсивности напряжения и интенсивности

деформации ее по выражениям

а, = 1 1

3А0( Я>0 +1)

- а59О ; е, =

2( ко + ко ^90 + К90) V

2( ко + ко К90 + К90) е

3К0( К9О +1)

где а59о , £90 - сопротивление материала пластическому деформированию

и степень логарифмической деформации при растяжении образца в направлении оси у .

Аналогично в качестве базовых данных могут быть приняты результаты экспериментальных исследований, полученных при растяжении

плоских образцов, вырезанных под углами 0 и 45° по отношению к направлению прокатки (оси х).

Сопоставление экспериментальных данных об изменении сопротивления материала пластическому деформированию ав зависимости

от степени логарифмической деформации е^ при Ь = 0,45° с расчетными

позволило судить о справедливости принятой выше гипотезы об изотропном упрочнении анизотропного материала при пластическом формоизменении. Максимальная величина расхождения теоретических и экспериментальных данных не превышала более 5 %.

Приведенные выше экспериментальные данные могут быть использованы при расчете напряженного и деформированного состояний, силовых параметров исследуемого двухслойного материала в процессе пластического формоизменения.

Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-519 р_центр_а.

Список литературы

1. Трегубов В.И., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Технологические параметры вытяжки с утонением стенки двухслойного упрочняющегося материала // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. № 1. С. 29 - 35.

2. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Математическая модель операции вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в конической матрице // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 66-76.

3. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с

4. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.

5. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.

6. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956.

408 с.

Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, mpf-tula@rambler.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пилипенко Ольга Васильевна, д-р техн. наук, проф., ректор, mpf-tula @rambler. ги, Россия, Орел, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс

ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES TWO-PLY STEEL 12H3GNMFBA + 08H13

M.V. Gryazev, S.S. Yakovlev, O.V. Pilipenko

The experimental results determine the aniso-tropy of the mechanical properties of two-layer steel 12H3GNMFBA + 08H13 are presented. In contrast to the known methods for determining the mechanical properties of two-layer materi-als asked to evaluate them as properties of the base material and the cladding layers. The necessary mechanical properties of the material tested are given.

Key words: experimental study, a mechanical-sticks, anisotropy, anisotropy factor, stress, strain, curve uprochneniya, two-layer material.

Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, the rector, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pilipenko Olga Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, the rector, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Orel, State University — Education-Science-Production Complex

УДК 539.374; 621.983

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ В РЕЖИМЕ ПОЛЗУЧЕСТИ

С.С. Яковлев, О.В. Пилипенко, А. А. Пасынков, В.И. Платонов

Приведены основные уравнения и соотношения для анализа последующих операций изотермической комбинированной вытяжки полых осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных материалов в конической матрице в режиме ползучести. Показано влияние анизотропии механических свойств заготовки на силовые режимы последующих операций изотермической комбинированной вытяжки полых осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных материалов в режиме ползучести.

Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, технологические параметры, температура, матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение.

Последующие операции изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных изделий обычно выполняются на конических матрицах по двум вариантам [1 - 5]: из полой заготовки с неутоненными стенками (заготовка получена вытяжкой без утонения); из полой заготовки с уто-