Исследования реологических свойств сталей 20 и 45 в калиброванном прокате, как заготовке для получения образцов с объемной наноструктурой

Распределения скоростей деформации при пластометрических испытаниях образцов из стали 20 и стали 45, находящихся в исходном состоянии (до термообработки и РКУП) приведены на рисунках 2.2 (а, б) соответственно.

Как следует из рисунка, кривые распределения скоростей деформации не имеют существенного (статистически значимого) отклонения от среднего значения скорости деформации (в установившемся режиме процесса осадки) практически для всех образцов исследуемых сталей и для всех диапазонов скоростей деформации. Максимальное отклонение от среднего уровня наблюдается на образцах №4 и 5 стали 20 (см. рисунок 2.2 а), при этом суммарное возмущение не превышает 22%, что является приемлемым для их введения в массив оценочных данных и свидетельствует об однородности НДС.

а	б

Рисунок 2.2 - Распределения скоростей деформации по образцам сталей 20 (а) и

45 (б), находящихся в исходном состоянии

Диаграммы деформирования, построенные без учета упругости для сталей 20 и 45, находящихся в исходном (до термообработки и РКУП) состоянии приведены на рис. 2.3. При построении диаграмм деформирования, представленных на данном рисунке, использовался весь массив экспериментальных значений без дифференциации по уровням скоростей деформации.

Высокая плотность расположения точек в поле экспериментальных данных свидетельствует о низкой дисперсии и достаточно высокой статистической достоверности полученных результатов как для сталей 20 (см. рис. 2.3 а), так и для сталей 45 (см. рисунок 2.3 б). Характер поведения кривых, представленных на рис. 2.3 типичен для рассматриваемой группы материалов. Деформационный предел прочности для сталей 20 и сталей 45 находится на уровне 72% и 63%, соответственно.

Низкий разброс экспериментальных значений определяет отсутствие значимого влияния скоростей деформации на сопротивление деформации рассматриваемых сталей. Об этом свидетельствуют также специально проведенные исследования о выявлении вязких свойств в рассматриваемых сталях.

При проведении данных исследований использовались два подхода. Первый - решение задачи «в среднем» (когда реализовывался процесс усреднения скоростей деформации и сопротивления деформации по образцам с построением поля значений в координатах «средняя скорость деформации – среднее значение сопротивление деформации»). Линейная аппроксимация осуществлялась по методу наименьших квадратов с использованием программы Microsoft Excel.

а

б

Рисунок 2.3 - Диаграммы деформирования по образцам сталей 20 (а) и 45 (б),

находящихся в исходном состоянии

Вторым методом является дифференциальный подход, при котором массив экспериментальных значений группировался по диапазонам скоростей деформации в интервалах 0...5 с^-1; 5…10 с^-1 и 10…15 с^-1. При этом в каждом из указанных диапазонах производилась группировка значений по степеням деформаций в интервалах 0…10%; 10…20%; 20…30%; 30…40%; 40…50%; 50…60% и 60…70%.

Результаты исследований наличия вязких свойств в стали 20 и стали 45 по первому и второму методам представлены на рисунках 2.4 и 2.5 соответственно.

а	б

Рисунок 2.4 - Влияние средних значений скоростей деформации по образцам на средние значения сопротивления деформации для сталей 20 (а) и 45 (б),

находящихся в исходном состоянии

Как следует из приведенных рисунков, максимальное (5,5%) увеличение сопротивления деформации наблюдается на сталях 45 при изменении скорости деформации с 4 до 12 с^-1. Для стали 20 такое увеличение не превышает 4% при изменении скорости деформации с 4 до 14 с^-1. Причем, для исследуемых сталей наиболее значимое влияние скорости деформации на сопротивление деформации оказывает при больших степенях обжатия, превышающих 50%. Следовательно, существенного (статистически значимого) влияния скорость деформации на значения сопротивления деформации для рассматриваемой группы материалов при 20 ˚С не оказывает и при проектировании технологических процессов калибрования и волочения вязкой составляющей можно пренебречь.

Известно, что более интенсивному упрочнению подвержены стали с более высоким содержанием углерода, при этом их сопротивление деформации также выше, чем у менее углеродистых сталей. Аналогичный характер поведения сталей 20 и 45 был получен и в ходе проведения настоящих пластометрических исследований, о чем свидетельствуют результаты, сопоставленные на рисунке 2.6.

а

б

Рисунок 2.5 - Зависимость сопротивления деформации от степени деформации по диапазонам скоростей для сталей 20 (а) и 45 (б), находящихся в исходном состоянии

Рисунок 2.6 - Поля экспериментальных значений зависимости сопротивления деформации от степени деформации для сталей 20 (темные квадраты) и 45 (светлые треугольники),

находящихся в исходном состоянии

Как следует из рисунка, со значений относительной деформации 50% (для стали 20) и 55% (для стали 45) наблюдается увеличение дисперсии значений сопротивления деформации, что свидетельствует о переходе материала в режим неоднородной деформации (при испытаниях на растяжение данный момент соответствует началу образования шейки на образце). Соответствующие данной относительной деформации значения сопротивления деформации можно считать временным сопротивлением , которое для стали 20 находится в диапазоне 776…836 МПа. Среднее значение временного сопротивления составляет для данного материала 808 МПа. Для стали 45 диапазон значений временного сопротивления соответствует 939…1003 МПа, а среднее значение временного сопротивления составляет 959 МПа.

Важнейшим преимуществом испытания образцов на сжатие является применение не идеализированной (как для случая испытаний на растяжение), а более реальной схемы напряженного состояния, а также учет некоторой неоднородности деформации, которая всегда присутствует (в том или ином виде) в действующих процессах обработки материалов давлением. В связи с этим, в ходе проведения эксперимента определялась величина сопротивления деформации, соответствующая деформационному пределу прочности при испытаниях на сжатие. Данная характеристика является максимальным значением, характеризующим прочностные свойства материала, и учитывает влияние шаровой компоненты тензора напряжений (гидростатической составляющей), присутствующей при сжатии в околоосевом объеме осесимметричного образца. Данная величина была обозначена как (предельное значение прочности) и для рассматриваемых групп материалов составила в среднем 1009 МПа (для стали 20) и 1056 МПа (для стали 45).

Одним из важнейших показателей, характеризующим реологические свойства материалов, является модуль упрочнения (), определяемый как тангенс угла наклона касательной к кривой деформационного упрочнения в любой точке с определенной степенью деформации. В общем случае, модуль упрочнения есть величина переменная, зависящая от характера кривой деформационного упрочнения и степени деформации. Для упрощения процедуры определения модуля упрочнения, а также исходя из анализа кривых диаграмм деформирования, была предложена и осуществлена процедура линеаризации с построением аппроксимирующих линейными функциями зависимостей - . При этом, как следует из рисунка 2.3, в кривых деформационного упрочнения можно условно выделить 3 характерные области, а именно:

- область интенсивного упрочнения при малых степенях деформации (характеризуемая модулем упрочнения ), верхний предел которой ограничен значением 10% (для данной группы сталей);

- область низкомодульного упрочнения, соответствующая однородному напряженно-деформированному состоянию (НДС), характеризуемая модулем упрочнения , и ограниченная слева верхним пределом области интенсивного упрочнения при малых степенях деформации (10%), а также (справа) значением степени деформации, при которой начинается неоднородное НДС (55%);

- область интенсивного упрочнения при высоких степенях деформации (характеризуемая модулем упрочнения ), нижний предел которой ограничен значением степени деформации, при которой начинается неоднородное НДС (55%), а верхний предел ограничен максимальной степенью деформации исследуемых материалов.

Данный подход позволил применить традиционные и хорошо зарекомендовавшие себя процедуры линеаризации с построением в программе Microsoft Excel аппроксимирующих прямых по характерным областям кривых деформационного упрочнения. Результаты исследований представлены на рисунке 2.7. Значения модулей упрочнения по рассматриваемым областям для исследуемых марок сталей представлены в таблице 2.1.

Рисунок 2.7 - Линейная аппроксимация характерных участков диаграмм

деформирования для сталей 20 и 45, находящихся в исходном состоянии

Таблица 2.1 - Значения модулей упрочнения по характерным областям кривых деформационного упрочнения сталей 20 и 45 в исходном состоянии

Марка стали	Значения модулей упрочнения по областям
Сталь 20	1,54	1,02	1,49
Сталь 45	1,55	1,08	1,48

Применение трехуровневой модели (по трем выявленным областям кривых деформационного упрочнения) в алгоритме определения параметров калибрования и волочения заготовки может существенно усложнить процедуру расчета за счет введения дополнительных ограничений и граничных условий. В связи с этим важной задачей проводимых исследований является построение единых уравнений состояния, которые строились путем аппроксимации полей точек экспериментальных данных полиномами 3-го порядка. Аппроксимация реализовывалась с помощью метода наименьших квадратов в программе Microsoft Excel.

Результаты аппроксимации представлены на рисунке 2.8, а уравнения состояния для сталей 20 и 45 имеют вид (2.7) и (2.8) соответственно:

, (2.7)

. (2.8)

Рисунок 2.8 - Построение уравнений состояния при аппроксимации кривых деформационного упрочнения для сталей 20 и 45, находящихся в исходном состоянии

Приведенные уравнения имеют достаточную статистическую значимость (ошибка по критерию R² не превышает 15%) для проведения дальнейших расчетов маршрутов калибрования и волочения, а также прогнозирования свойств готовой проволоки и металлопродукции.