Фактори, що впливають на рідинне тертя - лекції по ОМД
Фактори, що впливають на рідинне тертя
За інших рівних умов сила гідродинамічного тертя на два порядки менше тертя граничного і сухого. Прямо стан поверхонь на силу гідродинамічного тертя не впливає, і поняття «коефіцієнт тертя» в цьому випадку ввести не можна.
Очевидним є і природний критерій переходу від напівсухого тертя до гідродинамічного - це товщина мастильного шару. Він визначається критичною товщиною мастильного шару hкр. Якщо товщина шару менше критичної, безперервний шар мастила руйнується і починає працювати механізм напівсухого тертя, і навпаки. Зазвичай величину hкр пов'язують зі станом поверхонь пари тертя через середню висоту шорсткості hш.
Таким чином, чим грубіше поверхню, тим швидше настає перехід від гідродинамічного до граничного тертя.
При рідинному терті необхідна сила для подолання внутрішнього тертя шару мастила:
де - коефіцієнт в'язкості рідини, V - швидкість ковзання, h - товщина шару мастила.
В системі одиниць СІ абсолютна в'язкість вимірюється в пуаз. Таким чином, пуаз (Пз) визначається як сила в ньютонах, необхідна для того, щоб пластинка площею 1 рухалася з постійною швидкістю 1 см / с паралельно площині, розташованої на відстані 1 см від неї. На практиці частіше користуються в сто разів меншою одиницею (СПЗ). В'язкість, виражену в сантіпаузах, зазвичай позначають буквою z. В'язкість води при 20 ° С майже точно дорівнює 1 СПЗ. (Назва «пуаз» дано на честь французького фізика Жана Пуазейля.)
З формули видно, що рідинне тертя можливо тільки в русі. Якщо швидкість ковзання V = 0, то і T = 0, і = 0. При малих швидкостях сила тертя пропорційна швидкості. При великих швидкостях сила тертя пропорційна квадрату швидкості. При надзвукових швидкостях сила в'язкого тертя пропорційна третього ступеня швидкості.
Ця формула вірна тільки в тому випадку, якщо швидкість ковзання лінійно змінюється по товщині шару мастила. Насправді це не так. Тому для більш точних розрахунків необхідно брати проекцію швидкості у напрямку нормалі. Таким чином, щоб визначити напруга, що діє на метал, необхідно знати протягом мастила.
З формул видно, що сила і напруга тертя при рідинному терті не залежить від нормального тиску, але залежить від площі контакту на противагу сухого тертя. Сила тертя тим більше, чим більше в'язкість мастила. Однак, висока в'язкість необхідна для створення міцного нерозривного шару мастила. Чим більше питомий тиск при контакті, тим більшою в'язкістю повинна володіти мастило.
Вплив швидкості ковзання, як це видно з формул, при рідинному терті протилежно її впливу при сухому терті. Якщо при сухому терті сила тертя зменшується зі збільшенням швидкості, то при рідинному - навпаки зростає. Але при збільшенні швидкості більшу кількість мастила захоплюється в зону контакту, товщина шару мастила збільшується і сила тертя зменшується.
Тертя при різних видах ОМД
Тертя при прокатці
В даний час гарячу прокатку здійснюють в режимі сухого тертя. Холодна прокатка здійснюється із застосуванням мастил. При холодної прокатки листів і смуги товщиною до 2,5 мм на вході в осередок деформації діє гідродинамічний ефект, що нагнітає мастило. У крайок смуги він не діє і досягає максимуму в центрі смуги.
Поряд із завданням зниження тертя, мастило при холодної прокатки виконує і завдання охолодження прокочується смуги та валків, тобто відводить тепло, що виділяється в результаті пластичної деформації.
Прокатка без тертя неможлива, але тертя має бути помірним, щоб невиправдано не збільшується навантаження на прокатний стан.
Тертя під час волочіння.
При волочіння дроту і прутків використовується рідинне тертя. При волочінні труб на довгій оправці тертя з боку оправлення допомагає процесу деформації і його потрібно збільшувати в розумних межах. Тертя з боку волоки - опір деформації. І його потрібно зменшувати, використовуючи режим рідинного тертя.
Тертя при куванні і штампуванні.
Зусилля деформації істотно перевищує опір металу деформації. Це пояснюється тим, що шорсткі штампи чинять опір розтіканню металу, тобто забезпечують високу силу тертя. При куванні максимальне тертя зосереджено ближче до центру інструменту. А в самому центрі має місце прилипання. Гальмівний вплив дотичних напружень розтіканню металу при куванні можна істотно зменшити, якщо розгорнути дотичне напруження на 90 градусів, ввівши поряд з поступальним рухом штампа його обертання навколо осі диска. Якщо швидкість обертання буде істотно більше швидкості вертикального зсуву штампа, то горизонтальна складова сили тертя істотно не перешкоджати розтіканню металу в сторони. В цьому випадку сила опади може бути істотно зменшена.
Холодне штампування виробляють із застосуванням мастил. Останнім часом ефективно стали застосовувати рідинної режим тертя. Гідромеханічна витяжка полягає в тому, що стиснення рідини в порожнині матриці пуансоном з виробом призводить до її прориву між матрицею і виробом з утворенням шару, що забезпечує рідинне тертя.
^
нерівномірність деформації
При рівномірній (однорідної) деформації напружений стан у всіх точках тіла однаково, компоненти тензора напружень і напрямок головних осей не змінюються при переході від однієї точки тіла до іншого, площини і прямі лінії в тілі не змінюються.
При нерівномірної (неоднорідною) деформації напружений стан і деформація різні в різних частинах тіла. При ОМД деформація завжди нерівномірна. Однак, при вирішенні практичних завдань деформацію приймають рівномірної по всьому об'єму тіла або тіло розбивають на окремі обсяги, в межах яких деформацію можна прийняти рівномірної.
^
Основні причини нерівномірності деформації:
невідповідність форми інструменту формі тіла, що деформується;
зовнішнє тертя;
неоднорідність фізичних властивостей тіла, що деформується.
Нерівномірність деформації при обробці тиском в більшості випадків небажана, тому що призводить до появи додаткових напружень в процесі деформації, які знижують пластичність, підвищують необхідне зусилля, спотворюють форму тіла. Нерівномірність деформації призводить до залишковим напруженням і неоднорідності властивостей готових виробів.
Вплив форми інструменту і заготовки на нерівномірність деформації
У більшості процесів ОМД форма заготовки відрізняється від форми готового виробу, яка визначається формою інструмента. Зазвичай форма заготовки простіше форми вироби, що призводить до неоднакового обтисненню окремих частин заготовки, тобто до нерівномірної деформації. Так при штампуванні форма штампу і поковки відрізняються від форми заготовки; при прокатці фасонних профілів форма калібрів відрізняється від форми заготовки. Тільки в деяких процесах ОМТ форма інструменту збігається з формою заготовки (кування, прокатка листа, волочіння дроту).
Н еравномерное обтиснення веде до неоднорідності структури, особливо на заключних стадіях обробки. В результаті нерівномірної деформації в різних частинах вироби утворюються зерна різної величини, з'являються додаткові напруги. Якщо розподіл напружень, викликаних зовнішніми силами (основних), викличе така зміна форми, якому буде перешкоджати цілісність тіла, то в різних частинах тіла з'являться додаткові напруги різних знаків.
Наприклад, при прокатці хрестоподібного профілю з прямокутної заготовки центральна частина обжимается незначно, а краю отримують велику обтиснення. Зовнішні сили створюють схему всебічного стиснення: по вертикалі від зусиль обтиску, по горизонталі - від опору тертя. Якби ділянки 1 і 2 могли деформуватися незалежно. Вони б отримали різну витяжку. Але вони являють собою єдине ціле. Слабообжімаемий ділянку стримує витяжку сільнообжімаемих ділянок, а вони в свою чергу збільшують його витяжку. В результаті довжина всіх ділянок виходить однаковою. На ділянці 1 виникнуть додаткові напруги розтягнення, а на ділянці 2 - стиснення.
Основні напруги, підсумовуючись з додатковими, складають підсумкові напруги. Додаткові напруги можуть бути досить великими, порівнянними з основними і робити істотний вплив на схему напруженого стану.
Примусова витяжка ділянки 1 викликає перетікання металу з сільнообжімаемих ділянок 2 в ділянку 1. При сільновираженние нерівномірності обтиску метал ділянки 1 може відстати від валків, а метал на ділянках 2 спрямуватися в сторони (вимушене розширення). Додаткове напруження утяжки може викликати розриви, поперечні тріщини на ділянці 1 і хвилі на ділянці 2.
Нерівномірність деформації виникає і тоді, коли інструмент або заготовка не мають осі симетрії, наприклад, в валках змінного діаметру.
^
Вплив зовнішнього тертя на нерівномірність деформації
Зовнішнє тертя ускладнює ковзання тіла, що деформується по інструменту. Дія його поширюється неоднаково за обсягом тіла, воно найбільш сильно поблизу поверхні контакту і мінімально всередині тіла. Це призводить до нерівномірності деформації. Наприклад, при куванні зразок приймає бочкообразную форму через дії сил тертя. В результаті їх дії поблизу контактної поверхні утворюється зона утрудненою деформації, що поширюється на деяку глибину і має форму конуса.
Максимальний ступінь деформації і твердість спостерігається в центрі зразка. Найменша - у зонах утрудненою деформації, середня - в бічних (бочкоподібних) частинах заготовки.
При великому відношенні висоти заготовки до його діаметру утворюється подвійна бочкообразность з циліндричним ділянкою між двома бочками. Дія сил тертя загасає в межах двох бочкоподібних потовщень і в середній частині по висоті є лінійна схема стиснення.
Нерівномірність деформації в результаті тертя призводить також до появи додаткових напружень і може привести до зміни схеми напруженого стану в окремих частинах тіла. Так при куванні з моменту утворення бочкоподібності бічні поверхні частково виходять із зони безпосереднього обтиску і починають зазнавати додаткових напруги розтягнення. А у внутрішній зоні з'являються додаткові напруги стиснення. Цим пояснюється поява тріщин по утворюючим циліндра.
Нерівномірність деформації, обумовлена зовнішнім тертям може бути несиметричною. Так при куванні зразка між плитами з різною якістю обробки поверхні циліндричний зразок прийме форму близьку до трапеції в осьовому перерізі: підстава поблизу полірованій поверхні буде ширше, ніж поблизу шорсткою.
^
Вплив неоднорідності властивостей на нерівномірність деформації
Неоднорідність властивостей може бути макроскопічної (нерівномірне прогрівання, з'єднання різних металів в одному злитку) або мікроскопічної (неоднорідність властивостей кристалів).
При нерівномірному нагріванні нагріті шари як більш м'які деформуються в більшій мірі, ніж холодні. Це призводить до появи додаткових напружень стиску в зовнішніх шарах і розтягування у внутрішніх. При великому перепаді температур по перетину злитка, значною мірою деформації і малої пластичності металу додаткові напруги розтягнення можуть викликати розриви внутрішніх шарів.
При деформації тіла, складеного з металів з різними механічними властивостями, в м'яких шарах з'являються додаткові напруги стиснення, а в твердих - розтягування. Якщо тверді шари мають знижену пластичність, то в них відбудуться розриви.
При мікроскопічної неоднорідності додаткові напруги виникають не в усьому тілі, а в межах групи зерен (доп. Напруги 2 роду), або окремих зерен (3 роду).
Анізотропія механічних властивостей кристалів приводь до нерівномірної деформації, навіть якщо інші причини для цього відсутні.
залишкові напруги
Залишкові (внутрішні) напруги врівноважуються всередині тіла і присутні в ньому без додатка зовнішнього навантаження. Внутрішні напруги можуть виникнути в результаті фазових перетворень при нерівномірному нагріванні або охолодженні. Залишкові напруги в більшості випадків небажані, тому що вони погіршують властивості металів.
Якщо при експлуатації виробу напруги від зовнішнього навантаження співпадуть за знаком із залишковими, то результуючі напруги можуть перевищити допустимі. При неправильної технології обробки тиском залишкові напруги можуть досягати значень, близьких до межі плинності і тоді незначні навантаження можуть привести до руйнування вироби.
Залишкові напруги з плином часу частково знімаються, що може привести до зміни розмірів тіла і викривлення. Залишкові напруги знижують корозійну стійкість металу. Це призводить до місцевого роз'їданню, псування поверхні і концентрації напружень поблизу пошкоджених місць.
Залишкові напруги визначають механічним і рентгенографічних методами.
^
Методи усунення залишкових напруг
Основний метод - запобігання їх появи правильним режимом обробки, при якому нерівномірність зводиться до мінімуму, а додаткові напруги знімаються в процесі деформації і не призводять до появи залишкових напружень.
Для досягнення цього всю нерівномірну деформацію необхідно здійснювати в початковій стадії обробки, особливо при гарячій ОМД. У цих умовах полегшується перебіг металу з сільнообжімаемих частин в слабообжімаемие, пластичність металу висока. Додаткові напруги не призводять до руйнувань і поступово зменшуються в процесі деформації в результаті рекристалізації. Температура повинна бути однаковою, коефіцієнт тертя мінімальний, температура не повинна відповідати тим-ре міжфазного переходу.
Іноді додатково створюють нерівномірність деформації, щоб вона компенсувала інші види напруг. Наприклад, під час гарячої прокатки біметалічною катанки (сталь-мідь) для зменшення різниці міцності властивостей шарів подстужівают мідну оболонку. І нерівномірність деформації, обумовлена різницею фізичних властивостей міді і стали, усувається різниця між температурами.
Якщо не можна уникнути появи залишкових напруг (наприклад, при холодній ОМД), то їх можна зняти додаткової обробкою. Зазвичай це - термообробка після ОМД. Напруги 1-го і 2-го роду зазвичай повністю знімаються при рекристалізації.
Залишкові напруги можуть бути зняті і механічним способом: поверхневою обробкою тиском (обкаткою, обдування сталевим дробом, правкою листів за допомогою правильних роликів).
^
Список літератури
Основи теорії пружності і пластичності 3
Пружна і пластична деформація 3
Дефекти в кристалах 3
Зміцнення металу при холодній деформації (наклеп) 5
Зміна властивостей наклепаного металу при нагріванні 5
Теорія деформацій і напружень 6
Величини, що характеризують деформацію тіла 6
Закон сталості обсягу 7
Усунутий обсяг 7
Загальний випадок деформації 7
Швидкість деформації 8
Правило найменшого опору 9
Величини, що характеризують напружений стан тіла 10
Головні нормальні і головні дотичні напруження 12
Октаедричні напруження 13
Зв'язок між напруженнями і деформаціями 14
Зв'язок узагальненого напруги з узагальненої деформацією 15
Плоский напружений і плоске деформований стан 15
Опір деформації і пластичність 18
Поняття опору деформації і пластичності 18
Методи оцінки пластичності 18
Фактори, що впливають на опір деформації 19
Фактори, що впливають на пластичність металу 19
Умова пластичності 21
Умова пластичності для лінійного напруженого стану 21
Умова сталості максимального дотичного напруження (умова пластичності Сен-Венана) 21
Енергетичне умова пластичності (умова пластичності Губера - Мізеса - Генки) 21
Окремі випадки умови пластичності 22
Вплив механічної схеми деформації на зусилля деформування і пластичність 22
Тертя при ОМД 23
Особливості тертя при ОМД 23
Види тертя. Фізико-хімічні особливості тертя 23
Механізм сухого тертя 23
Механізм граничного тертя 23
Механізм рідинного тертя 24
Мастило при ОМД 24
Фактори, що впливають на сухе і граничне тертя 25
Вплив твердості металу і зовнішнього тиску 25
Фактори, що впливають на рідинне тертя 27
Тертя при різних видах ОМД 27
Нерівномірність деформації 28
Основні причини нерівномірності деформації: 28
Вплив форми інструменту і заготовки на нерівномірність деформації 28
Вплив зовнішнього тертя на нерівномірність деформації 28
Вплив неоднорідності властивостей на нерівномірність деформації 29
Залишкові напруги 29
Методи усунення залишкових напруг 29
Список літератури 30