ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЦЕНКИ ШТАМПУЕМОСТИ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ В СТАНДАРТНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

При аттестации листовой стали доминирует система стандартизованных показателей, выявляемых в испытаниях на растяжение, вытяжку, твердость и дополняемых микроисследованием. Регулируемые при производстве листового проката, но не учитывающие конкретные условия штамповки, эти показатели не объясняют в ряде случаев ее результаты. В связи с этим оправданными представляются попытки использовать в оценке качества листа информацию, получаемую из диаграмм предельных деформаций [1]. Однако прямое использование диаграмм в аттестации промышленных партий стали затруднено изза сложности их построения. Проблемой является также стандартизация самого построения.

С целью решения этих вопросов предложены диаграммы штампуемости [2], характеризующие предельно допустимую данным металлом интенсивность деформации. Она связана со значениями показателя, определяющего жесткость ннапряженнодеформированного состояния при листовой штамповке (рис. 1). В этом случае при аттестации качества листовой стали достаточно ограничиться значением интенсивности, которое соответствует ординате минимума диаграммы. Как доказывает анализ работы [2] , вместо этой величины можно использовать значение деформации е в момент разрушения металла при нагружении его по схеме двухосной вытяжки, например, вытяжки сферы в испытании по Эриксену.

Испытания, проведенные на образцах промышленных партий металла для листовой штамповки, показали, что низкоуглеродистая сталь толщиной 0,8—1,2 мм характеризуется следующим распределением:

Выявлено также, что предварительное (перед испытанием на вытяжку) одноосное растяжение образца приводит к возрастанию е на 15—20%. В качестве примера на рис. 2 представлены результаты анализа штампуемости детали "панель двери", проводившегося с помощью диаграмм штампуемости и показателя Е.

Для определения е образец перед испытанием на вытяжку размечается сеткой окружностей диаметром D = 1,5—2 мм с помощью, например, самонаклеивающейся сетки [2]. Образец вытягивается по стандартной методике до разрушения, измеряются большие оси L эллипсов (деформированных окружностей), по которым прошла трещина. Это используется для вычисления показателя предельной пластичности е = In (L/D). При отсутствии самонаклеивающейся сетки или другого простого способа разметки окружностями малого диаметра для , определения показателя е можно воспользоваться корреляцией его с глубиной вытяжки в испытании по Эриксену (1е):е == 0,058(1е) 0,093 [2].

Результаты испытаний по Эриксену (1е, с) зависят от толщины образца. Поэтому утонение проб (для получения возможности использования их в испытании) неприемлемо и определение е в нем подходит для листа толщиной не более 2 мм. Для более толстого металла необходимо подбирать другие испытания, позволяющие нагружать металл до разрушения в условиях двухосной вытяжки.

Однако только одной оценки предельной пластичности металла недостаточно для прогнозирования результатов штамповки, так как реальные интенсивность и жесткость деформации зависят не только от механического воздействия на металл и технологических факторов штамповки, но и от свойств металла, характеризующих его поведение на начальных стадиях пластического деформирования. В анализах показателей этих свойств основная роль отводится пределу текучести с: чем они ниже, тем обширнее зона пластического деформирования и соответственно меньше степень локализации и концентрации деформаций. Вследствие этого, при одинаковой глубине вытяжки, штамповка металла с более низким пределом текучести сопровождается меньшими интенсивностями деформирования (рис. 1). Таким образом в большей степени используется ресурс пластичности, определяемый диаграммой штампуемости.

На степень использования ресурса пластичности влияют пластическая анизотропия и деформационное упрочнение стали.

Как показывает анализ работы [2], увеличение коэффициента пластической анизотропии R не отражается на интенсивности деформации при штамповке. Но показатель жесткости при этом смещается к отрицательным значениям (рис. 1), что означает увеличение запаса пластичности при штамповке, характеризующейся более высокой пластической анизотропией. Для измерения R в испытаниях на растяжение целесообразно использовать разметку образцов с помощью самонаклеивающейся сетки [2] . При этом важно отметить два момента: влияние пластической анизотропии, определяемое коэффициентом R, может проявиться лишь в случаях штамповки, когда по условиям деформирования показатель жесткости превышает значение абсциссы минимума на диаграмме штампуемости (рис. 1 и рис. 2); запас пластичности определяется пластической анизотропией металла в момент его разрушения. Поэтому наиболее информативными являются значения R, определяемые по деформациям в месте разрыва.

К последнему необходимо добавить, что, как показывает анализ работы 12J, значения R в месте разрыва значительно ниже значений этого коэффициента в зоне равномерной деформации, но определенно коррелируют с ними.

Деформационное упрочнение создает предпосылки для развития устойчивой деформации за счет естественного перемещения очагов локальных деформаций в направлении механического воздействия на металл [1]. При этом с первых этапов пластического течения происходит "сглаживание" пиков деформаций и чем большую склонность к деформационному упрочнению проявляет металл (чем выше показатель упрочнения л), тем в большей мере имеет место это явление. Соответственно при одинаковой вытяжке листовой заготовки в реальной штамповке уровень достигаемых при этом реальных деформаций получается тем ниже, чем выше показатель п. Можно сказать, что чем более высокими значениями п характеризуется металл, тем в меньшей мере исчерпывается в штамповке ресурс его пластичности, определяемый диаграммой штампуемости (рис. 1). Проявлением влияния деформационного упрочнения выступает зависимость между показателем п и относительным равномерным удлинением 6, т.е. п = 1п(1 + 6). Практическая реализация этой формулы позволит значительно упростить оценку склонности стали к деформационному упрочнению в аттестационных испытаниях листа. Однако для этого требуется обеспечить одинаковые условия фиксирования участка равномерной деформации в каждом из проводимых испытаний. Разметка образцов с помощью самонаклеивающейся сетки позволяет легко решать эту задачу: достаточно, например, во всех испытаниях выделять участок протяженностью, соизмеримой с шириной образца, одинаково отстоящий от мест «зажима и разрыва. Среднее удлинение, вычисленное по измерениям нескольких эллипсов на этом участке, представляет значение 5, определяющее склонность стали к деформационному упрочнению.

В отсутствии самонаклеивающейся сетки измерения локальных деформаций в испытаниях на растяжение могут проводиться с использованием разметки образцов рисками [2].

В таблице представлена система показателей качества листовой стали при стандартных механических испытаниях. Выделенные нормы показателей относятся к стали, предназначенной для штамповки с высокой интенсивностью деформаций, и установлены при лабораторных испытаниях и наблюдениях за штамповкой. Как показывает практика, на отдельных партиях металла допустимы отклонения от этих норм по одному из показателей в пределах 10%.

Таким образом, в одной системе объединяются механические показатели, характеризующие поведение металла в условиях экстремальных деформаций Е, R, определяющие ресурс пластичности металла, и показатели, характеризующие поведение металла на стадии устойчивых деформаций 5, o', определяющие степень возможного использования этого ресурса при реальной штамповке. В различных видах штамповки значение каждого из этих показателей может проявляться поразному. Так, при гибке, когда плоское напряженное состояние и локальность деформации по контуру гибки сохраняются в течение всего периода деформирования, показатель анизотропии R полностью теряет смысл, роль показателей п и o' существенно ограничивается, а штампуемость определяется показателем предельной пластичности е.

Очевидно, что только одно такое нормирование свойств металла не учитывает реально существующую в листовой стали структурную микронеоднородность и соответственно неоднородность механических показателей. В связи с этим целесообразным представляется в дополнение к механическим показателям нормирование микроструктуры стали — по форме, расположению и размерам зерен феррита, цементита, перлита и неметаллических включений. Показателем стабильности механических свойств, можно полагать, является однородность твердости, измеряемая, как это принято в аттестации листовой стали, с небольшими нагрузками на индентор.

Проблема оценки предельной пластичности в стандартных испытаниях листовой стали может быть решена, не прибегая к построению диаграмм предельных деформаций, оставляя эту неподходящую для аттестационных испытаний проката процедуру исключительно для решения технологических задач штамповки.

Предложена рациональная система механических показателей в аттестации листовой стали, повышающая достоверность оценки штампуемости за счет учета предельной пластичности металла, без усложнения анализа и с сохранением условий для его стандартизации.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994