Зоны трения. Контактные напряжения при осадке

Е.П.Унксову (1955 г.) впервые удалось экспериментально изучить характер распределения сил трения на поверхности образцов при осадке. Для этого он (совместно с В.М.Заварцевой) применил бойки из оптически активного материала, в котором по характеру высвечиваемых в поляризованном свете полос можно рассчитывать нормальные и касательные контактные напряжения. В зоне контакта авторы выделили три участка (рис 30, вид сверху), определяющиеся характером сил трения.

На периферийном участке I имеет место скольжение металла относительно бойков.

Рис. 30. Зоны трения и контактных напряжений при осадке.

Здесь контактные касательные напряжения изменяются по закону Амонтона - Кулона, то есть пропорционально нормальному напряжению:

.

Нормальное напряжение возрастает от периферии к центру по экспоненциальному закону. Эту зону Е.П.Унксов назвал зоной скольжения.

Центральная же часть образца называется зоной прилипания (зоны II и III). Диаметр ее примерно равен двойной высоте образца. Она состоит из двух участков.

Первая часть зоны прилипания называется участком торможения (зона II). Здесь перемещения металла относительно инструмента значительно заторможены, происходит уменьшение относительных сдвигов. Металл возле поверхности находится в пластическом состоянии, контактные силы трения достигают своего предельного значения

,

Рис. 31. Эпюра контактных напряжений при осадке (а) и векторная диаграмма контактных сил трения (б) на средних образцах

а нормальные напряжения продолжают нарастать по направлению к центру.

Вблизи центральной точки имеется участок III, радиус которого примерно равен высоте образца, на котором перемещение металла относительно инструмента практически полностью отсутствует (но в подповерхностном слое имеют место не только упругие, но и пластические деформации). Этот участок зоны прилипания выделяют в самостоятельную зону застоя. В зоне застоя касательные напряжения снижаются по линейному закону и в центре образца равны 0:

,

где r – радиус участка застоя. Нормальные напряжения в центре образца максимальны (рис. 31).

Так как в зоне прилипания металл практически не перемещается относительно бойков, то силы трения здесь имеют другую природу, чем в зоне скольжения. В зонах скольжения имеет место трение движения, а в зоне прилипания – трение покоя.

На рис 31а приведены эпюры распределения касательных и нормальных напряжений на поверхности контакта, полученные экспериментально. По всей контактной площадке силы трения t направлены к центральной точке, создавая дополнительные сжимающие напряжения в приконтактных слоях (рис 31б).

(Изображение сил трения выше и ниже нулевой оси свидетельствует о том, что при переходе через центральную точку силы трения меняют направление (знак). Нормальные напряжения сжимающие, поэтому должны изображаться отрицательными, но традиционно эпюру изображают вверх и обозначают нормальные напряжения p=-s_y.)

Было установлено, что при осадке образца, имеющего диаметр меньше половины высоты (высокие образцы, h/d>2), зона скольжения отсутствует, и всю контактную площадку занимает зона прилипания (рис. 32,а). Такой образец называется высоким. Напомним, что на высоком очаге деформации неравномерность деформации обусловлена непроникновением пластической деформации на всю высоту образца.

Наоборот, при малых высотах образца (низкие образцы), когда радиус значительно больше высоты (по некоторым данным, при R/h > 4), зона прилипания практически вырождается, и по всей контактной площадке господствуют зоны скольжения. Такие образцы относятся к разряду низких. На низких образцах напряжения на контактной площадке и в других сечениях по высоте практически одинаковы (рис 33,б) (при этом касательные напряжения в среднем слое меняют знак, как это можно понять из рассмотрения касательных напряжений на соответственных поверхностях выделенных кубиков у верхней и нижней поверхностей на рис.33,а). Можно принять гипотезу плоских сечений,

а) б)

Рис. 32. Эпюры касательных и нормальных контактных напряжений на высоком (а) и низком (б) очагах деформации.

согласно которой напряжения и деформации по высоте неизменны и любая прямая после деформации остаётся прямой (квадратная до деформации сетка становится прямоугольной после деформации) (рис 33).

Рис. 33. Координатная сетка после деформации на низких образцах (а) и эпюры напряжений (б)

На средних образцах, располагающихся примерно в интервале 4 > R/h >1/4, деформация распространяется на всю высоту. В центральных слоях она протекает более интенсивно, чем в приконтактных. Неравномерность деформаций по высоте не позволяет использовать гипотезу плоских сечений. При этом на контактной площадке развиты обе зоны – скольжения и прилипания. На рис 31 приведен средний образец.

Следует подчеркнуть, что в основе разделения образцов на высокие, средние и низкие лежит не его геометрические размеры, не отношение R/h, а характер деформации и влияния сил трения на деформацию. Геометрически точной границы разделения высоких, средних и низких образцов не существует, и приведенные выше значения R/h являются условными. Некоторые исследования показывают, что в интервале 1/4 < R/h < 1 еще велика роль неравномерности деформации от действия бойков, а при R/h >2 не всегда можно пренебрегать зонами прилипания. Необходимо учесть также, что в процессе осадки происходит смена типов очагов деформации. Так в начальный момент осадки возможен высокий образец. По мере уменьшения высоты он переходит в разряд средних, а затем и низких.

Рассмотренная выше картина распределения сил трения на среднем образце наблюдается в тонком приконтактном слое металла. По мере заглубления внутрь металла протяженность зоны прилипания, точнее, зоны затрудненной деформации, так как зоны прилипания существуют только на контактной площадке, уменьшается (рис. 34). Эта зона имеет вид конуса с вершиной на оси образца и основанием на контактной

Рис. 34. Характер затухания зон прилипания по высоте

площадке. В центральных слоях зона прилипания вырождается в осевую линию. Кстати, чтобы понять характер пластической деформации в зоне прилипания, лучше всего рассмотреть элементарный кубик именно на этой линии. Понятно, что он не может перемещаться относительно инструмента, но высотная и радиальная деформации его могут быть весьма значительными. Здесь протекает не только упругая, но и пластическая сдвиговая деформация разной интенсивности, хота перемещение металла относительно инструмента незначительно или отсутствует.

Имеются исследования, несколько иначе представляющие картину течения металла при осадке. Их авторы считают, что при начальной осадке зона прилипания всегда простирается на всю контактную площадь. В этой зоне имеет место трение покоя, которое имеет максимальное значение. Вглубь сечения зона прилипания простирается в виде конуса, деформации в котором могут быть только упругими. Этот конус является своеобразным продолжением инструмента, внедряемого в деформируемые объемы металла. По мере уменьшения высоты образца увеличивается диаметр контактной площадки, и примерно при их равенстве зона прилипания перестает увеличиваться. Дальнейшее увеличение площади контакта происходит за счет выхода боковой поверхности образца в зону контакта. Эти объемы металла скользят относительно поверхности инструмента, создавая зоны скольжения. В зоне скольжения действует трение движения, имеющее меньшее значение, чем трение покоя.

Однако более глубокие исследования, вскрывающие механизм пластической деформации в зонах скольжения и прилипания, опровергают основные положения приведенных представлений. Более подробно мы рассмотрим этот вопрос ниже применительно к прокатке.

Дата добавления: 2014-01-07