Index of /rozprawy2/10314

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali. Rozprawa Doktorska. mgr inż. Michał. Wielgus. Własności mechaniczne wyrobów ciągnionych z dużą niejednorodnością akumulacji odkształcenia. Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz Majta. Kraków, 2010.

(2) W sposób szczególny pragnę w tym miejscu podziękować panu Prof. dr hab. inż. Januszowi Majta za nieocenioną pomoc, wsparcie oraz motywację do tworzenia nowatorskich rozwiązań naukowych a każdemu młodemu naukowcowi życzyłbym takiego promotora.. 1.

(3) SPIS TREŚCI. 1. Wprowadzenie............................................................................................................ 4 2. Stan zagadnienia......................................................................................................... 7 2.1. Niejednorodność odkształcenia ........................................................................ 7. 2.2. Własności mechaniczne wyrobów ciągnionych oraz ich niejednorodność ...... 9. 2.3. Niejednorodność własności mechanicznych wyrobów ciągnionych. ............. 15. 2.4. Wykorzystanie silnej akumulacji odkształcenia w celu uzyskania zmian w. mikrostrukturze oraz własnościach mechanicznych. .................................................. 16 3. Cel i teza pracy ......................................................................................................... 24 4. Badania własne......................................................................................................... 26 4.1. Ogólna charakterystyka kątowego wielostopniowego ciągnienia KWC. ....... 28. 4.2. Wybór materiałów badawczych ...................................................................... 43. 4.3. Obróbka cieplna .............................................................................................. 51. 5. Wyniki badań ........................................................................................................... 53 5.1. Siły ciągnienia podczas procesu KWC ........................................................... 53. 5.2. Badania własności mechanicznych ................................................................. 69. 5.3. Próba dwukierunkowego przeginania drutu ................................................... 77. 5.4. Ocena lokalnych wartości odkształcenia w drutach ciągnionych ................... 79. 5.5. Badania mikrostruktury .................................................................................. 83. 6. Symulacje komputerowe .......................................................................................... 90 7. Dyskusja wyników badań ........................................................................................ 96 8. Podsumowanie i wnioski.......................................................................................... 98 Literatura ................................................................................................................ 102. 2.

(4) SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ d 0, d k. - początkowa i końcowa średnica ciągnionego wyrobu,. E. - moduł Younga (moduł sprężystości wzdłużnej),. Fc. - siła ciągnienia,. h2. - wysokość stożka zgniatającego ciągadła,. L. - długość części kalibrującej ciągadła,. Rm. - wytrzymałość na rozciąganie,. R0,2. - umowna granica plastyczności,. S 0, S k vc. - powierzchnia przekroju początkowego i końcowego wyrobu, - prędkość ciągnienia,. z. - względny ubytek przekroju, gniot,. zc. - gniot całkowity,. zi. - gnioty częściowe,. α. - kąt skręcenia płyt lub kąt ciągnienia. β. - stożka smarującego. γ. - kąt stożka wyjściowego. εH. - odkształcenie jednorodne,. λ. - współczynnik wydłużenia,. R. - odległość osi ciągadeł od osi obrotu płyt lub promień nagniatania lub promień wygięcia drutu. ϕ. - odkształceniowy czynnik zbędności. εc. - odkształcenie całkowite. εi. - intensywność odkształcenia. σc. - naprężenie ciągnienia,. S1. - odchylenie od osi ciągnienia na wyjściu w stosunku do osi ciągnienia na wejściu. Sk a. - pole przekroju poprzecznego materiału wychodzącego z ciągadła lub odchylenie od osi ciągnienia podobnie jak S1 - odległość pomiędzy wkładkami w tarczach lub parametr potrzebny do wyznaczania geometrii ciągadeł. g1. - grubość klina górnego. g2. - grubość klina dolnego. sgmin. - przekrój w części kalibrującej. HV. - twardość wg Vickersa. SPD. - severe plastic deformation (odkształcenie z dużą akumulacją energii odkształcenia). ECAP. - Equal channel angular pressing - proces wyciskania przez kanał kątowy. ECAD. - Equal Channel Angular Drawing (kątowe wielostopniowe ciągnienie). KWC. - kątowe wielostopniowe ciągnienie. 3.

(5) 1. WPROWADZENIE Wśród czynników procesowych i materiałowych historia odkształcania, a zwłaszcza zmienna droga odkształcania oraz silne rozdrobnienie struktury, są szczególnie interesującymi ze względu na możliwość tworzenia nowych technologii i materiałów o bardzo korzystnych własnościach. Możliwość akumulowania maksymalnie dużego odkształcenia. oraz. nowoczesnych. kontrolowanie. technologii. jego. wytwarzania. niejednorodności materiałów. jest. kluczowe. ultradrobnoziarnistych. dla i. nanokrystalicznych. Przedstawione w pracy wyniki badań otrzymano dzięki zastosowaniu nowej technologii, która pozwoliła na kontrolowaną akumulację odkształcenia. Wykorzystana technologia powstała w wyniku zaadaptowania idei metody ECAD (equal channel angular drawing) oraz tradycyjnego ciągnienia przez matrycę. stożkową. w. zespolonym. układzie. ciągadeł.. Wyroby. ciągnione. charakteryzujące się zróżnicowanymi własnościami mechanicznymi otrzymane dzięki zastosowaniu silnej akumulacji odkształcenia z określoną niejednorodnością stanowią atrakcyjny materiał konstrukcyjny. Charakteryzują się one różnymi własnościami dla tego samego składu chemicznego oraz przy wykorzystaniu już stosowanych technik wytwarzania (przeróbka cieplno-plastyczna, procesy ciągnienia). W celu wytworzenia materiału badawczego który charakteryzuje się dużą niejednorodnością odkształcenia koniecznym było zaprojektowanie oraz zbudowanie nowego stanowiska badawczego. W efekcie powstało nowe urządzenie KWC (kątowe wielostopniowe ciągnienie), w którym dodatkowe odkształcenie skumulowane jest na drodze ciągnienia przez stożek zgniatający ciągadła a następnie ponowne jednostronne dogniatanie kątowe na wyjściu ze strefy odkształcenia. Nastawy urządzenia umożliwiają nieosiowe podawanie drutu, czyli wytworzenie warunków dla niejednorodnego odkształcenia podobnie jak w metodzie ECAD. Proponowany w niniejszej pracy proces ciągnienia z akumulacją odkształcenia uzyskaną dzięki zmiennej drodze odkształcania za pomocą urządzenia KWC jest procesem zupełnie nowym, nie posiadającym odpowiednika zarówno w kraju jak i na świecie (na podstawie wyników badań czystości patentowej). Bezpośrednim efektem zastosowania proponowanej technologii jest niejednorodny rozkład odkształcenia na przekroju poprzecznym ciągnionego wyrobu. W konsekwencji, wielkość całkowitego odkształcenia jest dużo większa od wynikającej z redukcji średnicy w tradycyjnym. 4.

(6) procesie ciągnienia. W rezultacie można uzyskać efekty zakumulowania energii odkształcenia, podobnie jak w przypadku technik SPD (Severe Plastic Deformation – przeróbka plastyczna z silną akumulacją odkształcenia). Dodatkowo w wyniku zastosowania obróbki cieplnej po ciągnieniu można kontrolować efekty umocnienia odkształceniowego w postaci podstruktury dyslokacyjnej. Niemniej, mikrostruktura gotowego wyrobu charakteryzuje się silną niejednorodnością tzn. warstwy zewnętrzne posiadają strukturę będącą efektem zmagazynowania dużej energii odkształcenia natomiast w warstwach bliższych osi, struktura pozostaje mniej umocniona. Dzięki zróżnicowaniu efektów umocnienia odkształceniowego oraz wielkości ziarna, taka niejednorodność odkształcenia umożliwia wytworzenie optymalnej. kombinacji. własności mechanicznych w wyrobach ciągnionych metodą KWC. Wykorzystanie stali i stopów jako materiału wsadowego do procesów ciągnienia profili okrągłych daje możliwość uzyskiwania wyrobów o tej samej średnicy, tym samym składzie chemicznym lecz o zróżnicowanych na przekroju poprzecznym własnościach. Istnieje wiele parametrów procesu ciągnienia, poprzez które możemy w znaczący sposób wpływać na zróżnicowanie własności końcowych wyrobu. Stopień redukcji średnicy, wielkość całkowitej, zmagazynowanej energii odkształcenia możemy kontrolować stosując odpowiednie wielkości gniotu całkowitego oraz gnioty częściowe czyli tzw. schemat ciągnienia. Kolejnym parametrem procesowym jest kształt strefy zgniatającej ciągadła m.in. kąt ciągnienia.. Zastosowanie ciągadeł łukowych - kąt. ciągnienia zmienia się w trakcie przechodzenia materiału przez strefę odkształcania ciągadła - daje dodatkowe możliwości kształtowania warunków odkształcania. Bardzo duży wpływ na przebieg procesu ciągnienia oraz kumulację odkształcenia mają warunki smarowania, a w efekcie tarcie. Prędkość ciągnienia, również ma istotny wpływ na własności końcowe wyrobu. Zastosowane w metodzie KWC nieosiowe wejście i wyjście materiału z ciągadła stanowią dodatkowe parametry procesu ciągnienia, a tym samym mają znaczący wpływ na końcowe własności wyrobu. Wytworzenie warunków ciągnienia, odpowiadających schematowi naprężeń charakterystycznemu dla czystego ścinania, w sposób istotny stwarza nowe warunki odkształcania w porównaniu ze standardowym procesem ciągnienia. W analizie wpływu wielkości odkształcenia na wielkość i rozkład naprężeń własnych istotne znaczenie ma całkowita wielkość gniotu oraz gnioty częściowe w poszczególnych ciągach. Zmienna droga odkształcenia powoduje dodatkowe kumulowanie wszystkich wyżej wymienionych parametrów. Im bardziej złożona droga odkształcania - bogatsza historia odkształcenia - tym większy. 5.

(7) jest udział odkształceń postaciowych, a tym samym większy udział makrościnania wewnątrz ciągnionego wyrobu. Silnie przerobiony plastycznie materiał przy mniejszej redukcji średnicy, stanowi atrakcyjny produkt gotowy lub półprodukt do dalszej przeróbki plastycznej. Ścisłe określenie związków pomiędzy historią odkształcenia (wielkość gniotów częściowych, schemat ciągnienia itp.) a rozwojem mikrostruktury i własnościami wyrobu gotowego ma szczególnie duże znaczenie w procesie projektowania nowych obszarów zastosowań wyrobów ciągnionych.. 6.

(8) 2. STAN ZAGADNIENIA Wykorzystanie mechaniki ośrodków ciągłych oraz podstaw dyslokacyjnej teorii plastycznego płynięcia jest konieczne dla właściwej analizy podjętych w pracy problemów. Spośród wielu kluczowych czynników procesowych i materiałowych wpływających na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych wyróżnić można dwa najbardziej istotne, tj. niejednorodność odkształcenia, wynikające z tego umocnienie oraz rozdrobnienie mikrostruktury. Zdecydowana większość prezentowanych w literaturze badań nad własnościami mechanicznymi wyrobów ciągnionych dotyczy materiałów jednofazowych, ewentualnie umocnionych wydzieleniowo lub roztworowo. Prezentowane wyniki badań najczęściej uzyskiwano w procesach ciągnienia z osiowosymetryczną. niejednorodnością. odkształcenia.. W. obecnych. badaniach. szczegółowej analizie poddano niejednorodność odkształcenia jako efekt złożonego schematu stanu naprężenia. W celu zachowania jednoznacznej oceny uzyskiwanych wyników, bez konieczności uwzględniania oddziaływania dodatkowych poza umocnieniem odkształceniowym źródeł umocnienia np. pochodzących od różnych składników strukturalnych w pracy jako podstawowy materiał badawczy zastosowano stal niskowęglową w postaci walcówki. Przyjęty materiał badawczy charakteryzuje również bardzo szeroki zakres możliwych zastosowań przemysłowych. Jako materiał referencyjny zastosowano w niektórych badaniach walcówkę miedzianą.. 2.1 NIEJEDNORODNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA. Charakterystyczna dla wyrobów ciągnionych niejednorodność odkształcenia jest przyczyną nierównomiernego rozkładu własności na ich przekroju poprzecznym. Obecność określonej niejednorodności odkształcenia i jej efektów w wyrobach ciągnionych wynika z charakteru plastycznego płynięcia materiału tzn. przepływu przez zwężającą się matrycę. Zróżnicowany rozkład odkształcenia pociąga za sobą zróżnicowanie w mikrostrukturze i w efekcie we własnościach mechanicznych, średnich i lokalnych. Wynika to z faktu zróżnicowania umocnienia odkształceniowego materiału, co z kolei jest wynikiem różnic w lokalizacji odkształcenia. Wykorzystując powyższe zależności w badaniach doświadczalnych można określić zarówno jakościowo, jak i ilościowo niejednorodność odkształcenia oraz niejednorodność. 7.

(9) własności. ci. Na niejednorodność niejednorodno odkształcenia decydujący cy wpływ ma charakter plastycznego płynięcia ęcia materiału materiał przez ciągadło. Najczęściej ciej wykorzystuje się si tutaj badania doświadczalne, wiadczalne, np. analizę analiz zmiany kształtu i wymiarów siatki koordynacyjnej naniesionej na przekroju wzdłużnym, wzdłu ciągnionego wyrobu Rys. 2..1. Zmiany kształtu elementów kwadratowych wskazują wskazuj na występowanie wewnątrz trz ciągnionego materiału odkształceń postaciowych, gdyż gdy odkształcenia te są związane zane ze zmianą zmian kątów prostych. Obecność ść elips, których osie są s nachylone pod pewnym kątem k do osi ciągnienia, gnienia, jest dowodem na występowanie wyst wewnątrz trz materiału zjawiska tzw. makrościnania, cinania, w którego wyniku następuje nast obrót myślowo lowo wyodrębnionych wyodr elementów (tzn. obrót osi elipsy jest spowodowany makrościnaniem). makro cinaniem). Podobnego lecz silniejszego w efektach zjawiska należy nale oczekiwać również podczas ciągnienia ci w proponowanym w niniejszej pracy nowym urządzeniu urz do kątowego towego wielostopniowego ciągnienia gnienia (KWC). Każde Każ odkształcenie postaciowe związane zane jest ze ścinaniem, lub inaczej z makrościnaniem, cinaniem, w odróżnieniu odró od ścinania występuj ępującego wewnątrz pojedynczego ziarna materiału lub w komórce elementarnej sieci krystalicznej.. Rys. 2.1 Schemat zmian kształtu siatki koordynacyjnej przy ciągnieniu gnieniu pełnego profilu okrągłego okr przez stożkowe ciągadło [1,2,3].. 8.

(10) W konwencjonalnym procesie ciągnienia elementy kwadratowe i kołowe siatki leżące w osi wyrobu nie wykazują odkształceń postaciowych, nie występuje tam więc zjawisko makrościnania. W zastosowanej nowej metodzie KWC strefa ta może być inaczej zlokalizowana na przekroju poprzecznym. Elementy kwadratowe i kołowe leżące poza osią materiału (szczególnie w pobliżu powierzchni) ulegają dodatkowym odkształceniom postaciowym w wyniku ścinania (makrościnania), które towarzyszy wymuszonemu przepływowi materiału przez ciągadło. Dodatkowe odkształcenia postaciowe są tym większe, im większy jest kąt ciągnienia i współczynnik tarcia. W literaturze odkształcenie postaciowe noszą często nazwę zbędnych. Urządzenie KWC daje możliwość stopniowania kumulacji odkształceń zbędnych oraz jego zróżnicowania na przekroju poprzecznym drutu. Odkształcenia zbędne są wynikiem sumowania się odkształceń związanych z wewnętrznym makrościnaniem występującym na granicach obszaru odkształcenia plastycznego i w jego wnętrzu. Są one przyczyną niejednorodności odkształcenia, co z kolei powoduje niejednorodność własności gotowego wyrobu. Podstawowym problemem do rozwiązania pozostaje właściwa ocena ilościowa pomiędzy tymi niejednorodnościami, zwłaszcza uzyskanymi w efekcie różnych historii odkształcenia.. 2.2 WŁASNOŚCI. MECHANICZNE. WYROBÓW. CIĄGNIONYCH. ORAZ. ICH. NIEJEDNORODNOŚĆ. Skład chemiczny metali i ich stopów oraz zmiany w mikrostrukturze będące efektem przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej są podstawowymi źródłami zróżnicowania własności mechanicznych. Podczas projektowania procesu ciągnienia głównym. celem. tworzonej. technologii. jest. uzyskanie. wyrobu. końcowego. charakteryzującego się odpowiednią kombinacją własności wytrzymałościowych i plastycznych. Odkształcenie plastyczne zachodzące poniżej temperatury rekrystalizacji (przeróbka plastyczna na zimno) powoduje wystąpienie zjawiska umocnienia (zwanego również umocnieniem odkształceniowym). Umocnieniem nazywa się całokształt zmian własności materiału w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno. Zmianie ulegają więc własności mechaniczne i fizyczne. Ograniczając się do własności mechanicznych, można. stwierdzić,. że. wzrost. umocnienia. powoduje. wzrost. własności. 9.

(11) wytrzymałościowych (naprężenia uplastyczniającego, wytrzymałości na rozciąganie, twardości), pogarszają się natomiast własności plastyczne, (wydłużenie, przewężenie, udarność). Zjawiska umocnienia materiałów metalicznych poddawanych przeróbce plastycznej są dobrze znane i. szczegółowo opisywane w literaturze [4,5,6,7].. Odkształcenie plastyczne jest ściśle związane z trwałym przemieszczeniem się dyslokacji. Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wiele zjawisk, które utrudniają dalszy proces plastycznego płynięcia, a mianowicie: •. rośnie gęstość dyslokacji,. •. tworzą się dyslokacje osiadłe, które hamują przemieszczanie się dyslokacji w płaszczyznach poślizgu,. •. następuje rozdrobnienie ziarn.. Wszystko to sprawia, że maleje droga swobodnego ruchu dyslokacji i w miarę wzrostu odkształcenia (a tym samym wzrostu umocnienia) należy przykładać coraz większe naprężenia, aby doprowadzić do dalszego odkształcenia plastycznego. Jak już wspomniano podstawowym parametrem procesu ciągnienia, determinującym własności mechaniczne wyrobów gotowych o danym składzie chemicznym, jest wielkość odkształcenia. Obowiązuje tutaj ogólna zasada: im większe odkształcenie, tym wyrób ma wyższe własności wytrzymałościowe i tym gorsze własności plastyczne. Na niejednorodność odkształcenia oraz własności mechaniczne wpływa też bardzo wyraźnie obróbka cieplna materiału zarówno przed ciągnieniem i po ciągnieniu, a także te parametry procesu, które powodują wzrost całkowitego odkształcenia (przy zadanym gniocie) na skutek wystąpienia odkształceń zbędnych [8]. Podstawowymi parametrami procesowymi wpływającymi na niejednorodność odkształcenia są: •. kąt ciągnienia,. •. tarcie na powierzchni styku metal-ciągadło.. Niejednorodność. odkształcenia. jest. podstawową. przyczyną. powstawania. niejednorodności własności na przekroju poprzecznym ciągnionych wyrobów. Na skutek występowania dodatkowych odkształceń postaciowych (odkształceń zbędnych), osiągających zwykle największą wartość na powierzchni wyrobu, mamy do czynienia z tzw. umocnieniem dodatkowym. Wyodrębnione warstwy materiału wykazują różne własności ze względu na różny stopień umocnienia, będący z kolei wynikiem niejednorodności odkształcenia. Umocnienie wynikające z odkształcenia jednorodnego (czyli z redukcji średnicy), wystąpi jedynie w osi ciągnionego wyrobu. W miarę. 10.

(12) oddalania się od niej rosną odkształcenia zbędne, wzrasta tym samym intensywność odkształcenia i materiał ulega coraz większemu umocnieniu. W warstwach zewnętrznych można więc oczekiwać poprawy własności wytrzymałościowych i pogorszenia się własności plastycznych. W urządzeniu KWC mamy czynienia ze szczególnie dużym niejednorodnym odkształceniem na przekroju poprzecznym stąd w warstwach zewnętrznych można spodziewać się dodatkowego zróżnicowania własności wytrzymałościowych i plastycznych. Dodatkowymi czynnikami powodującymi niejednorodność własności m.in. [1]: •. rozkład temperatury w obszarze odkształcenia,. •. tekstura powstająca w trakcie ciągnienia,. •. różnice w wielkości ziarna wynikające z historii odkształcenia i z zabiegów obróbki cieplnej.. Pomiar własności mechanicznych wyrobów jest trudny. Najczęściej do wyznaczania lokalnych własności mechanicznych wyrobów oraz ich zróżnicowania stosuje się pomiar twardości. Istnieje kilka metod pomiaru twardości. W niniejszej pracy wykorzystano metodę pomiaru twardości Vickersa. Zastosowanie małych obciążeń wgłębnika, umożliwia zlokalizowanie odcisku na możliwie niewielkiej powierzchni. Wielu autorów uważa, że twardość jest jednoznaczną funkcją intensywności naprężenia wywołującego odkształcenie plastyczne. Natomiast związek między twardością a intensywnością odkształceń plastycznych wynika z hipotezy o jednej krzywej wzmocnienia. Inni autorzy uważają, że twardość jest jednoznaczną funkcją intensywności odkształceń i nie zależy od sposobu w jaki te odkształcenia otrzymano [9]. Wyznaczenie lokalnych wartości całkowitego zastępczego odkształcenia ( ) na podstawie pomiaru twardości HV, wymaga uprzedniej konstrukcji krzywej:. = ( ). (2.1). zwanej często krzywą twardości. Konstruuje się ją doświadczalnie, najczęściej poprzez jednoosiowe zastosowaniem. rozciąganie różnych. lub. beztarciowe. wielkości. jednoosiowe. odkształceń.. Mierząc. ściskanie następnie. próbek. z. twardość. odkształconych próbek można skonstruować krzywą = ( ) [10]. Dla przykładu na Rys. 2.2 zaprezentowano rozkłady twardości dla różnych badanych schematów ciągnienia stali austenitycznej 1H18N9T.. 11.

(13) Rys. 2.2 Rozkłady twardości twardoś HV5 wzdłuż promienia ciągnionych prętów tów (przekroje poprzeczne) w zale zależności od gniotu z i kąta ciągnienia 2α [10].. We wszystkich badanych przypadkach widać wida nierównomierność twardości na przekroju. Nierównomierność Nierównomierno ta maleje wraz ze wzrostem zastosowanego gniotu. Kąt K ciągadła 2α wpływa ływa na twardość twardo na przekroju prętów. tów. Widoczny jest wzrost twardości twardo na przekroju przy użyciu ciu ciągadeł ci o większym kącie 2α.. Natomiast twardość twardo w osi badanych prętów tów nie jest uzależniona uzale od kąta ciągadła 2α.. Wniosek ten potwierdza teoretyczne przesłanki, które mówią, mówi że w osi ciągnionych gnionych wyrobów o przekroju kołowym. całkowite. zast zastępcze. odkształcenie. ( ). jest. równe. odkształceniu. jednorodnemu ( ),, które wynika ze zmiany przekroju ciągnionego ci gnionego pręta: pr . ε = 2 ln . (2.2). . Zależność zachodząca ca w osi ciągnionych ci prętów = , wynika z faktu, że w osi nie występują odkształcenia zbędne, zb które są wynikiem wewnętrznego trznego makrościnania. makro Na podstawie otrzymanych wyników z pomiarów twardości twardo ci można moż skonstruować wspomnianą wcześniej niej krzywą krzyw twardości (Rys. 2.3):. 5 = ( ). (2.3). 12.

(14) Rys. 2.3 Krzywa twardości dla stali 1H18N9T [10].. Na Rys. 2.3 przedstawiono wyznaczoną doświadczalnie krzywą twardości w układzie twardość HV5 – intensywność odkształcenia. Otrzymana krzywa twardości może posłużyć do wyznaczania lokalnych wartości całkowitego zastępczego odkształcenia w wyrobach ciągnionych o przekroju kołowym. Istnieje wiele metod pozwalających na stworzenie krzywej twardości. Spośród najbardziej rozpowszechnionych wymienić należy: •. próba ściskania,. •. próba jednoosiowego rozciągania,. •. metody mieszane.. Jak już wspomniano najczęściej krzywa twardości przedstawiana jest jako zależność twardości od intensywności odkształcenia:. = ( ). (2.4). Niemniej, można przedstawić również zależność twardości od intensywności naprężenia: 5 = ( ). (2.5). 13.

(15) Zastosowanie wzoru 2.5 pozwala na wykorzystanie rzeczywistych procesów przeróbki plastycznej do oceny niejednorodności odkształcenia i własności mechanicznych. Przykładem jest wykorzystanie procesu ciągnienia profili okrągłych. Koncepcję krzywej twardości otrzymanej z procesu ciągnienia przedstawiono w pracy [11]. Koncepcja ta wykorzystuje fakt, że w osi ciągnionych wyrobów o przekroju kołowym występuje odkształcenie jednorodne. Pomiary twardości można wykonywać zarówno na przekroju poprzecznym, jak i wzdłużnym. Uzyskanie przekroju wzdłużnego jest bardzo czasochłonne, lecz przekrój taki daje więcej punktów pomiarowych w osi. Wykonanie badań na przekroju poprzecznym jest szybsze, lecz może prowadzić do zawyżania wyników na skutek konieczności wykonywania pomiarów w najbliższej odległości od środka próbki. Jest to istotne z powodu wzrostu odkształceń zbędnych wraz z oddalaniem się od osi próbki. Opisuje to następująca zależność:. ϕ =. εc εH. (2.6). gdzie: – odkształcenie całkowite,. – odkształcenie jednorodne,. – odkształceniowy czynnik zbędności. Dla przykładu, w pracy [11] do budowy krzywej twardości wykorzystano trzy procesy odkształcania, różniące się schematami stanu mechanicznego: •. jednoosiowe rozciąganie,. •. jednoosiowe ściskanie,. •. proces ciągnienia.. Na podstawie uzyskanych wyników zbudowano krzywe twardości dla każdego ze schematów i dla porównania zestawiono je na jednym wykresie (Rys. 2.4):. 14.

(16) Rys. 2.4 Zestawienie krzywych twardości twardo uzyskanych w różnych nych procesach odkształcania [11].. Na wykresach przedstawionych na Rys. 2.4 widać, żee krzywe twardości twardo z próby ściskania i rozciągania gania mają maj niemalżee taki sam przebieg, natomiast wyniki uzyskane z procesu ciągnienia sąą wyraźnie wyra inne. Przedstawiona metoda „krzywej twardości” twardo ci” zastosowana do oceny niejednorodności niejednorodno odkształcenia i własności własności mechanicznych jest stosunkowo prostą, prostą nie obarczoną istotnymi błędami dami oraz pozwalającą pozwalaj na jednoznaczną ocenęę związków zwi pomiędzy odkształceniem a umocnieniem w procesie ciągnienia. ci. 2.3 NIEJEDNORODNOŚĆ IEJEDNORODNO WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH WYROBÓW CIĄGNIONYCH CI .. Własności ci mechaniczne danego materiału można mo określić poprzez wykorzystanie szeregu prób wytrzymałościowych wytrzymało takich jak: próby statycznego tatycznego jednoosiowego rozciągania lub ściskani ciskania, próby ścinania, skręcania cania lub pomiary twardości. twardo Tym co determinuje własności ści ci mechaniczne od strony procesu odkształcania odkształc jest przede wszystkim wielkość ść zadanego odkształcenia. Ogólnie, im większe wi ksze odkształcenie odkszt tym wyższe są własności ści wytrzymałościowe wytrzymało ciowe i tym mniejsze własności własnoś plastyczne. W przypadku wyrobów ciągnionych cią na własności ci mechaniczne wpływają wpływaj następujące parametry procesu: •. kąt ciągnienia,. •. schematy ciągnienia ągnienia (rozkład i wielkość wielko gniotów częściowych), ch),. •. tarcie,. •. obróbka cieplna ciągnionego ci materiału.. 15.

(17) Najczęściej wraz ze wzrostem własności wytrzymałościowych (Rm, R0,2) wynikających ze wzrostu gniotu obserwujemy obniżenie własności plastycznych (A, Z). Badania własności mechanicznych, przeprowadzane najczęściej jako próba jednoosiowego rozciągania, informują nas o średnim poziomie własności mechanicznych w próbce o określonych wymiarach. W statycznej próbie rozciągania wyznacza się średnią wartość określonej własności, pomijając zupełnie fakt możliwości istnienia niejednorodności efektów wcześniejszego odkształcania na przekroju poprzecznym. Jest oczywiste, że stopień niejednorodności odkształcenia rzutuje na uzyskiwane w pomiarach wartości własności mechanicznych. Na przykład zmieniając kąt ciągnienia zmieniana jest również powierzchnia tarcia pomiędzy materiałem a ciągadłem, a to z kolei zmienia warunki plastycznego płynięcia. W efekcie uzyskana niejednorodność odkształcenia pociąga za sobą niejednorodność własności mechanicznych i w końcu wynikową wartość mierzonych własności mechanicznych badanych wyrobów.. 2.4 WYKORZYSTANIE. SILNEJ AKUMULACJI ODKSZTAŁCENIA W CELU UZYSKANIA. ZMIAN W MIKROSTRUKTURZE ORAZ WŁASNOŚCIACH MECHANICZNYCH.. Istnieje wiele metod, które umożliwiają kumulację bardzo dużych odkształceń plastycznych w strukturze metali i stopów. Najczęściej metody te zaliczane są do tzw. metod SPD (ang. Severe Plastic Deformation) czyli metody wykorzystujące silną akumulację odkształcenia. Niektóre z stosowanych metod SPD przedstawiono w Tabela 2.1. Metody te stosuje się w celu uzyskania mikrostruktury ultra drobnoziarnistej, która. podwyższa. własności. wytrzymałościowe. oraz. poprawia. niektóre. własności. technologiczne uzyskiwanych wyrobów [12,13,14,15,16]. Jedną z dominujących cech charakteryzujących metody SPD jest silna akumulacja efektów odkształcenia oraz jego niejednorodności. Tabela 2.1 Zestawienie różnych metod SPD (ang. Severe Plastic Deformation). Nazwa procesu. Schemat. ECAP [17,18,19,20,21,22,23] ang. Equal channel angular pressing - proces wyciskania przez kanał kątowy.. 16.

(18) HPT [24] ang. High-pressure torsion - proces skręcania pod ciśnieniem. CEC [25] ang. Cyclic extrusion compression - proces cyklicznego wyciskania. MF ang. Multiaxial forming - proces wieloosiowego kucia. TE [26] ang. Continuous SPD processes – procesy ciągłe z dużą akumulacją odkształcenia ARB [27] ang. Accumulative roll bonding - proces pakietowego walcowania blach. RCS [28] ang. Repetitive corrugation and straightening - proces powtarzającego się fałdowania i prostowywania. CSPD [29] ang. Continuous severe plastic deformation - procesy ciągłe akumulacji odkształcenia. ECAP Conform [30].. I-ECAP [31], ang. Incremental deformation processes przyrostowy sposób wyciskania przez kanał kątowy.. 17.

(19) a) Conshearing [32], b) ECAD [33,34]. ang. Equal Channel Angular Drawing ciągnienie przez kanał kątowy.. a). b). Szczególnie istotną w procesach SPD jest zmienna droga odkształcenia która pozwala na uzyskanie szeregu efektów strukturalnych w materiale poddawanym odkształceniu. Na Rys. 2.5 przedstawione są przykładowe drogi odkształcania w procesach ECAP. Kontrolowanie parametrów charakteryzujących drogę odkształcania w efekcie daje możliwość kontrolowania własności wyrobu końcowego. Wykorzystuje się w tym wypadku mechanizmu tzw. rekrystalizacji „in situ” tzn. efekt rozdrobnienia ziarna wynikający z silnej akumulacji energii odkształcenia [35,36]. Możliwość uzyskania podobnych efektów w procesie ciągnienia profili okrągłych stało się podstawą dla metody ECAD, a w konsekwencji do zaprojektowania urządzenia KWC będącego efektem realizacji niniejszej pracy. Przykładowe drogi odkształcania w procesach SPD zostały przedstawione na rys. 2.5.. Rys. 2.5 Schematy czterech możliwych dróg odkształcania kęsa między kolejnymi przepustami w matrycy podczas procesu wyciskania przez kanał kątowy ECAP [37,38,39,40].. Dobór parametrów, narzędzi, drogi odkształcania oraz wykorzystanie wyników analizy teoretycznej zjawisk zachodzących w silnie odkształcanych materiałach, w tym również ultradrobnoziarnistych [35,36] pozwala zaprojektować proces ciągnienia, którego efektem jest uzyskanie materiału o określonych własnościach mechanicznych i plastycznych. Efekty procesów odkształcania metodami SPD, w tym przede wszystkim metody ECAD stanowiły bezpośrednią inspirację do zaprojektowania i stworzenia. 18.

(20) przedstawionej w dalszej części pracy nowej technologii ciągnienia tj. metody kątowego wielostopniowego ciągnienia - KWC.. METODY ECAD. Metoda ECAD (ang. Equal Channel Angular Drawing) - kątowe wielostopniowe ciągnienie polega na ciągnieniu profilu okrągłego przez kanał kątowy. Przykładowe, rozwiązanie metody ECAD przedstawiono na Rys. 2.6 [41]. Urządzenie do ciągnienia profilu okrągłego posiada matrycę z ciągłym, kątowym kanałem odkształcania, z odgiętym pod kątem 90° względem linii ciągnienia kanałem wejściowym. W kątowym kanale odkształcania następuje zarówno zmiana średnicy profilu jak i jednostronne nagniatanie materiału narożem wewnętrznym zagięcia. Zależność intensywności odkształcenia od czasu uzyskaną w symulacji ECAD, gdzie odkształcenie mierzone było w trzech wybranych punktach na przekroju poprzecznym, stąd trzy krzywe, przedstawiono na wykresie (Rys. 2.6).. Rys. 2.6 Wykresy zależności intensywności odkształcenia [41].. Inne rozwiązanie przedstawiono na Rys. 2.7 [42]. Przedstawione tutaj urządzenie z zespołem matryc mających kanały odkształcania zagięte pod kątem prostym lub rozwartym. Rysunek ten przedstawia równocześnie sposób doprowadzania jak i wyprowadzania materiału z matrycy.. 19.

(21) Rys. 2.7 Rozwiązania konstrukcyjne procesu ECAP [42].. W każdym kolejnym przejściu przej materiału przez matrycę próbka jest obracana wokół osi o 90°,, czego efektem jest obwodowe ujednorodnienie rozkładu zakumulowanych odkształceń i wynikowej mikrostruktury materiału. Często Cz sto wykorzystywane jest również rozwiązanie przedstawione rzedstawione na Rys. 2.8. ω. Rys. 2.8 Zespół dwóch ciągadeł ci obrotowych względem siebie [43]. [. Zespół dwóch ciągadeł gadeł zamocowanych w równoległych tarczach przylegających przylegaj czołami do siebie [43].. Oczka ciągadeł ci tworzą ciągły gły kanał odkształcania, o charakterze stożkowym. kowym. Jedno lub oba ciągadła ci wprowadzane są w ruch obrotowy względem wzgl osi obrotu przechodzącej cej w płaszczyźnie płaszczy przylegania ciągadeł gadeł przez oś o kanału, ale usytuowanej mimośrodowo środowo względem wzgl osi si symetrii oczek zarówno ciągadła ci wejściowego ciowego jak i wyjściowego. wyj Oddziaływania nakładających cych się si poprzecznie względem. linii. ciągnienia ągnienia. -. obwodowo-obrotowego obrotowego. nacisku. mimo mimośrodowej. powierzchni oczka oraz malejącego malej cego przekroju poprzecznego oczek ciągadeł cią - wywołują przeginanie, destabilizację destabilizacj struktury i lokalizację plastycznego płynięcia płyni w pasmach. 20.

(22) ścinania cinania ze skutkiem znaczącego znacz cego rozdrobnienia i poprawy własności własno plastycznych materiału. Najbardziej zbliżonym zbli do metody wykorzystanej w niniejszej pracy jest proces ECAD opisana np. w pracy [44]. Ogólny schemat urządzenia dzenia oraz przykładowe wyniki symulacji komputerowej przedstawionego procesu ECAD pokazano na rys. Rys. 2.9 oraz na rysunkach 2.10, 2.11, i 2.12.. a). b). Rys. 2.9 a) - Symulacja procesu ECAD przy wykorzystaniu MES, b) – rzeczywisty proces ciągnienia ci przez kanał kątowy (ECAD). [44]. a). b). Rys. 2.10 10 Wyniki symulacji a) pierwszy ciąg, b) drugi ciąg. [44 44]. a). b). c). Rys. 2.11 Rozkład odkształcenia na przekroju poprzecznym drutu. Pierwszy ciąg ąg – a), drugi ciąg – b), ciąg kalibrujący [44].. 21.

(23) a). b). Rys. 2.12 Rozkład naprężenia ężenia na przekroju poprzecznym drutu, pierwszy ciąg - a) oraz drugi ciąg – b) [44].. Wyniki. z. przeprowadzonych. bada badań. wskazują,. żee. całkowite. odkształcenie. zakumulowane w próbce w procesie ECAD jest niemal trzykrotnie większe wi [44,34] w porównaniu z konwencjonalnym procesem ciągnienia, ci tzn. można żna przyjąć przyj ze przy tej samej redukcji średnicy rednicy w wyrobie gotowym zmagazynowana została 3-krotnie 3 większa energia odkształcenia (Tabela 2.2). Na Rys. 2.10, 2.11, 2.12 wyraźnie wyraź widoczny jest nierównomierny rozkład odkształcenia oraz naprężenia enia na przekroju poprzecznym i wzdłużnym nym. materiału.. Ta. nierównomierno nierównomierność. wynika. z. kształtu. matrycy. i. nierównomiernym udziale naprężeń napr ścinających cych podczas odkształcenia plastycznego próbki co wykorzystywane jest w metodach m SPD.. Niejednorodne odkształcenie odk powoduje zróżnicowanie nicowanie własności własno mechanicznych wyrobu. Jak wiadomo silna kumulacja umulacja odkształcenia może spowodować rozdrobnienie mikrostruktury mikros materiału. Zaletą prezentowanej metody jest fakt, fakt żee wsad do procesu ECAD ma niemal te same wymiary co materiał uzyskany po procesie ECAD a równocześnie równocze równocześ materiał jest poddawany dużym ym odkształceniom ścinającym. Większa ksza akumulacja odkształcenia może być źródłem ródłem uzyskania mikrostruktury ultra drobnoziarnistej.. Tabela 2.2 Zestawienie wartości odkształcenia dkształcenia całkowitego w procesie ECAD oraz w konwencjonalnym procesie ciągnienia. [44].. ECAD Konwencjonalne ciągnienie. εH. 0.58. ≈ 0.20. Opisane powyżej ej zespoły ciągadeł ci gadeł jak dotychczas stosowane były tylko do materiałów łatwo odkształcalnych na zimno, takich jak aluminium lub miedź mied i o stosunkowo. 22.

(24) dużych średnicach. Geometria kanału odkształcania w matrycy jest niezmienna – co w sposób istotny utrudnia dobór optymalnych warunków procesu ciągnienia i uzyskania wymaganych właściwości materiału. Alternatywą dla tego typu ograniczeń może okazać się urządzenie KWC, które pozwala, jak to zostanie wykazane w dalszej części pracy, na ciągnienie drutów stalowych w szerokim zakresie parametrów odkształcenia. W urządzeniu KWC podobnie jak w ciągadle ciśnieniowym składającym się z dwóch lub trzech ciągadeł zamkniętych w szczelnej obudowie [8,45,46,47] występuje bardzo korzystne zjawisko prostego przeciwciągu własnego. Urządzenie KWC nie umożliwia jednak wytworzenia warunków ciśnieniowego podawania smaru do strefy odkształcenia natomiast zwarty układ i osiowe ułożenie dwóch lub trzech ciągadeł jest zbliżone w obu rozwiązaniach. Być może w przyszłości korzystne będzie zmodyfikowanie urządzenia KWC tak by mogło ono stanowić ciśnieniowe wielostopniowe ciągadło do ciągnienia intensywnie umacniających się stali.. 23.

(25) 3. CEL I TEZA PRACY Przeprowadzone. badania. literaturowe. oraz. analiza. związków. pomiędzy. niejednorodnością zakumulowanego odkształcenia a parametrami procesowymi i materiałowymi oraz uzyskiwanymi własnościami mechanicznymi, pozwalają na sformułowanie celu i tezy pracy.. Celem pracy jest wykazanie, że bardzo duże niejednorodne odkształcenie w istotny sposób wpływa na zmiany zachodzące w mikrostrukturze wyrobów ciągnionych, mechanizmy odkształcenia oraz własności mechaniczne. Cel pracy zostanie osiągnięty, gdy zostanie przedstawiona technologia ciągnienia pozwalająca na wykorzystanie wpływu zmiennej drogi oraz wielkości odkształcenia w celu zmiany własności mechanicznych wyrobów ciągnionych.. Tezę pracy stanowi stwierdzenie, że istnieje możliwość wpływania na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych poprzez drogę odkształcania oraz wynikającą z tego niejednorodność odkształcenia.. Teza pracy będzie udowodniona gdy zostanie zaprojektowane, zbudowane i wykorzystane mechanicznych. stanowisko. badawcze. wyrobów. umożliwiające. ciągnionych. z. kontrolowanie. wykorzystaniem. własności. niejednorodności. zakumulowanego odkształcenia. Dokonując oceny odkształcenia plastycznego w warunkach odkształcania w urządzeniu KWC (kątowe wielostopniowe ciągnienie) w celu udowodnienia tezy należy przeprowadzić analizę wpływu ustawień tego urządzenia (drogi odkształcenia) na niejednorodność odkształcenia oraz niejednorodność struktury. Biorąc pod uwagę powyższe,. określony. został. zakres. badań. teoretycznych. i. doświadczalnych. przedstawiony schematycznie na Rys. 3.1.. 24.

(26) Obróbka cieplna Czas i temperatura wyżarzania. Materiał wsadowy. Zmienna droga odkształcenia Konstrukcja urządzenia, kształt matrycy. Niejednorodność odkształcenia. Mikrostrukturalne efekty odkształcenia. Własności mechaniczne wyrobów ciągnionych. Akumulacja odkształcenia Sposób odkształcenia. Rys. 3.1 Obszar badań nad oddziaływaniem niejednorodnej akumulacji odkształcenia oraz zmiennej drogi odkształcenia na proces ciągnienia ci oraz badany materiał.. 25.

(27) 4. BADANIA WŁASNE Przeprowadzone badania literaturowe pozwoliły na dokonanie oceny stanu zagadnienia oraz sformułowanie wytycznych dla zaprojektowania i zbudowania urządzenia z zespołem ciągadeł do ciągnienia profili okrągłych z silną akumulacją efektów odkształcenia w warstwie przypowierzchniowej. Zbudowane urządzenie pozwoliło na opracowanie nowej metody kątowego wielostopniowego ciągnienia KWC, co z kolei umożliwiło badania nad wpływem niejednorodności odkształcenia na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych. W efekcie przeprowadzono serię badań doświadczalnych, które pozwoliły na realizację celów pracy oraz udowodnienie przyjętej tezy. Odkształcanie na zimno oraz obróbka cieplna ciągnionych wyrobów stalowych pociąga za sobą zmiany w ich mikrostrukturze, a w rezultacie kształtuje nowe własności. W odkształconym materiale kumulują się efekty różnych procesów mikrostrukturalnych związanych z mechanizmami umocnienia. W konsekwencji ocena przydatności wyrobu gotowego staje się trudna, a otrzymywane wyniki często niejednoznaczne. Otwierają się jednocześnie nowe możliwości dla kształtowania mikrostruktury i własności. Gdy obciążymy siłami zewnętrznymi metaliczne ciało ciągłe to zauważymy, że odkształca się ono sprężyście i plastycznie, w większości przypadków w sposób niejednorodny, a skutki obserwujemy w skalach makro, mikro i nano. Ta niejednorodność jest jednym z głównych źródeł zróżnicowania własności mechanicznych.. Wśród. czynników. procesowych. i. materiałowych. historia. odkształcania, a zwłaszcza zmieniająca się droga odkształcania oraz silne rozdrobnienie struktury są szczególnie interesującymi ze względu na możliwość tworzenia nowych technologii i materiałów o bardzo korzystnych własnościach. Możliwość akumulowania maksymalnie dużego odkształcenia oraz kontrolowanie jego niejednorodności jest kluczowe. dla. nowoczesnych. technologii. wytwarzania. materiałów. ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych. Opracowanie odpowiednich procesów odkształcania oraz poznanie związków pomiędzy ich parametrami a rozwojem mikrostruktury w skali mikro, jest szczególnie interesujące dla inżynierii materiałowej. W rozwiązywaniu tego typu problemów występuje konieczność adaptacji i modyfikacji podstawowych praw obowiązujących w mechanice ośrodków ciągłych. Koniecznym jest również zastosowanie analizy wieloskalowej. Wykorzystanie silnej akumulacji odkształcenia (SPD - severe plastic deformation) jest efektywną techniką, służącą do. 26.

(28) uzyskiwania silnie rozdrobnionej struktury w metalach i stopach, w celu poprawy ich własności mechanicznych i fizycznych [48,14,16]. Zaproponowana nowa metoda KWC umożliwia przeprowadzenie badań oraz bezpośrednią obserwację związków pomiędzy niejednorodnością odkształcenia a własnościami mechanicznymi wyrobu ciągnionego. Przyjęte do realizacji w niniejszej pracy zadania podzielone zostały na dwie grupy: I. zaprojektowanie oraz budowa urządzenia do kątowego wielostopniowego ciągnienia – KWC, II. zrealizowanie badań doświadczalnych z wykorzystaniem urządzenia KWC w celu udowodnienia tezy pracy. Przeprowadzenie. badań. doświadczalnych. wymagało. zaprojektowania. oraz. wykonania odpowiedniego stanowiska badawczego. Mając do dyspozycji ciągarkę ławową należało zaprojektować urządzenie pozwalające na stosowanie zmiennej drogi odkształcenia w procesie ciągnienia a następnie zespolić je z ciągarką ławową. Ogólnie przygotowanie stanowiska badawczego obejmowało następujące etapy realizacji: Stanowisko badawcze: •. zespolenie urządzenia z ciągarką ławową,. •. zapewnienie możliwości zmiany ustawień,. •. opracowanie układu smarowania.. Narzędzie: •. dobór kształtu ciągadeł,. •. dobór promieni nagniatania,. •. wybór materiałów badawczych,. •. dobór zakresu średnic materiału wsadowego,. •. przygotowanie powierzchni wsadu.. •. Realizacja wybranych schematów ciągnienia (schematy gniotów. Materiał:. Proces:. częściowych, usytuowanie ciągadeł względem siebie), •. obróbka cieplna.. 27.

(29) 4.1 OGÓLNA. CHARAKTERYSTYKA KĄTOWEGO WIELOSTOPNIOWEGO CIĄGNIENIA. KWC. Podstawową cechą zastosowanego w badaniach doświadczalnych urządzenia KWC jest możliwość zastosowania różnych parametrów odkształcania a w konsekwencji różnego schematu naprężenia oraz możliwość zmiany niejednorodności odkształcenia w szerokim zakresie. Zalety metody oraz wyrobów ciągnionych wytworzonych z wykorzystaniem metody KWC związane są z: •. możliwością wytwarzania dużych ilości materiałów o ściśle określonej średnicy i podwyższonych średnich własnościach mechanicznych,. •. kontrolowanym rozkładzie zmian mikrostrukturalnych na przekroju poprzecznym (w wyniku niejednorodności bardzo dużego odkształcenia, zastosowanego w kolejnych ciągach),. •. opóźnieniem inicjacji pęknięć w warstwach przypowierzchniowych. oraz. wzrost odporności na korozję [49,50]. Zastosowanie złożonych schematów naprężenia oraz odkształcenia w procesie ciągnienia metodą KWC umożliwia wykorzystanie niejednorodnego odkształcenia a w konsekwencji możliwym jest wytworzenie warunków charakterystycznych dla metod SPD pozwalających w połączeniu z procesem wyżarzania na uzyskanie niejednorodnej mikrostruktury (struktury bimodalnej) zmieniającej własności wytrzymałościowe i technologiczne. Badania z wykorzystaniem urządzenia KWC prowadzone były w trzech obszarach problemowych związanych z realizacją celu pracy: •. stanowisko badawcze,. •. projekt i konstrukcja urządzenia,. •. proces kątowego wielostopniowego ciągnienia KWC.. STANOWISKO BADAWCZE Badania doświadczalne procesu kątowego wielostopniowego ciągnienia wykonano na stanowisku zbudowanym w Katedrze Przeróbki Plastycznej Metali na Wydziale Inżynierii. Metali. i. Informatyki. Przemysłowej. Akademii. Górniczo-Hutniczej.. Urządzenie do kątowego wielostopniowego ciągnienia metalowego profilu okrągłego umożliwia prowadzenie procesu ciągnienia dla różnych schematów odkształcenia. Stanowisko do badań było wyposażone w układ komputerowej rejestracji siły ciągnienia - . Plan badań doświadczalnych obejmował ciągnienie z określonymi. 28.

(30) gniotami jednostkowymi, które zostały przedstawione w Tabela 4.2. Zastosowano również różne warianty prowadzenia procesu ciągnienia. Do badań wykorzystano ciągarkę ławową (jednołańcuchową) do ciągnienia prętów i rur (Rys. 4.1). W ciągarkach tego typu przemieszczenie materiału odbywa się w sposób prostoliniowy. Elementem przekazującym siłę ciągnienia jest łańcuch. Do ramy ciągarki ławowej zostało zamontowane urządzenie KWC.. Rys. 4.1 Ciągarka ławowa jednołańcuchowa z zamocowanym urządzeniem do kątowego wielostopniowego ciągnienia – KWC.. PROJEKT. I. KONSTRUKCJA. URZĄDZENIA. DO. KĄTOWEGO. WIELOSTOPNIOWEGO. CIĄGNIENIA.. Proces kątowego wielostopniowego ciągnienia realizowano dla różnych układów usytuowania ciągadeł. Poszczególne schematy ciągnienia (gnioty częściowe) oraz usytuowanie ciągadeł względem siebie (ułożenia tarcz oporowych względem siebie) jednoznacznie determinowało warunki realizacji odkształcania w urządzeniu KWC. Proponowany sposób realizacji procesów ciągnienia z wykorzystaniem urządzenia do kątowego wielostopniowego ciągnienia KWC umożliwia oprócz kontrolowania niejednorodności odkształceń również akumulację odkształceń postaciowych. Jest to efekt często uzyskiwany w procesach SPD np. ECAE oraz ECAD. Wzrost całkowitego odkształcenia tj. wzrost odkształceń postaciowych przy stałej wartości odkształceń jednorodnych. Efekt ten uzyskuje się na drodze jednoczesnego wykorzystania czterech źródeł odkształcenia tj. poprzez: •. zginanie,. •. redukcję średnicy,. •. skręcanie,. oraz podobnie jak w metodzie ECAD przez: •. ścinanie z nagniataniem (Rys. 4.2).. 29.

(31) Rys. 4.2 Charakterystyczne strefy w których występowały wyst powały dodatkowe odkształcenia 1,2,3,4 miejsca gdzie drut jest odkształcany przez zginanie. Strefa nagniatania, zginanie drutu, skręcanie skręcanie oraz redukcja przekroju.. ZESPOLENIE URZĄDZENIA DZENIA Z CIĄGARKĄ CI ŁAWOWĄ Urządzenie do kątowego ątowego wielostopniowego ciągnienia ci należało żało zespolić zespoli z ciągarką ławową. Proces ciągnienia gnienia prowadzony był na mokro. Urządzenie dzenie KWC w połączeniu poł z ramą ciągarki ławowej tworzyło szczelny układ. Piasta (3) (Rys. 4.3) na której osadzono całe urządzenie dzenie KWC zespolona została z ramą ram ciągarki garki ławowej za pomocą pomoc zacisków (20). W urządzeniu dzeniu KWC zasadniczym elementem są s trzy jednakowe tarcze 1’, 1’’,1’’’ na których montowane są s ciągadła (Rys. 4.3 i Rys. 4.4).. Tarcze poprzez sworzeń sworze centrujący cy (2) zamocowane są s do piasty (3), piasta przylega do płyty oporowej ciągarki ci ławowej (8). Pomiędzy ędzy piastą piast a płytą oporową ciągarki garki ławowej montowana była gumowa uszczelka, a na wyjściu wyj z urządzenia do płyty oporowej ciągarki zamontowano gumową osłonę uszczelniającą uszczelniaj (10). Zastosowanie zacisków (20) umożliwiało umo sprawne i szybkie montowanie i demontowanie urządzenia urz dzenia KWC do płyty oporowej ciągarki ci ławowej (9).. 30.

(32) a). b). c). d). Rys. 4.3 Urządzenie do kątowego ątowego wielostopniowego ciągnienia ci KWC. Drut – 1, tarcze (płyty) oporowe 1’, 1’’, 1’’’, sworzeń centrujący centrują – 2, piasta dystansowa – 3, nakrętka zaciskowa – 4, śruba kontrująca – 6, płyta oporowa ciągarki garki ławowej – 8, rama ciągarki ławowej – 9, osłona uszczelniająca uszczelniają – 10, przykrywka pierwszego ciągadła - 19, zacisk mocujący mocuj urządzenie KWC do ramy ciągarki garki ławowej – 20, śruba dociskająca zacisk – 21, opaska zaciskowa podtrzymująca podtrzymuj misę olejową - 22. Widok izometryczny od strony wejścia drutu do urządzenia urz – a), widok na wyjściu z urządzenia – b),, rzeczywisty wygląd wygl urządzenia - c) i d).. Aby uniemożliwić wypadnięcie wypadni ciągadła z tarczy 1’ zastosowano przykrywkę (19), która blokuje ciągadło gadło w tarczy. Urządzenie z zespołem ciągadeł gadeł umożliwia umo podobnie jak w metodzie ECAD utworzenie kanału odkształcania w którym oś o ciągnionego wyrobu zmienia swój kierunek względem wzgl linii ciągnienia.. 31.

(33) Rys. 4.4 Przekrój poprzeczny eczny przez urządzenie urz 1’,1’’,1’’’ - trzy jednakowe tarcze (płyty), (płyty) 2 – oś obrotu, 3 piasta dystansowa, 4 – nakrętka nakrę oraz wałek centrujący, 5 i 6 – oś śruby kontrującej, ącej, 8 – płyta oporowa ciągarki ławowej, 9 rama ciągarki ci ławowej [51] [52].. Na Rys. 4.5 przedstawiono przedstawi schemat układu schodkowego ciągadeł gadeł w widoku z boku.. Rys. 4.5 Zestaw ciągadeł gadeł usytuowanych w układ schodkowy, 1’, 1’’, 1’’’ – tarcze rcze oporowe (płyty), 13’, 13’’, 13’’’ – obudowy ciągadeł, ągadeł, 14 – wkładka ciągadła z węglika spiekanego, a – odległość pomiędzy kolejnymi wkładkami.. W porównaniu z metodą ECAD to rozwiązanie daje możliwość ść zmiany kształtu strefy odkształcenia (kanału kątowego). ką Proces ciągnienia gnienia realizowany w urządzeniu urz KWC ma na celu uzyskanie silnej akumulacji odkształcenia w warstwie przypowierzchniowej profilu okrągłego. głego. Istota rozwiązania rozwi polega na tym, że ciągadła gadła o łukowym kształcie strefy zgniatającej cej osadzone są s mimośrodowo (Rys. 4.5) w co najmniej dwóch tarczach przylegających cych czołowo do siebie i łożyskowanych ło yskowanych na wspólnej osi obrotu. Względne Wzgl położenie ciągadeł gadeł blokowane jest śrubami zaciskowymi. Ciągadła gadła zamocowane są s w tarczach z zachowaniem stałego odstępu odst pomiędzy dzy czołowymi powierzchniami powierz po. 32.

(34) stronie wyjścia cia i wejścia wejś sąsiadujących ciągadeł. gadeł. Budowa zespołu z tarczami przekręconymi względem ędem siebie o wybrany kąt k umożliwia liwia tworzenie kanału odkształcenia wyznaczonego ciągadłami ci gadłami o osiach równoległych i usytuowanych w układach: schodkowym, korbowym oraz współosiowym - posobnym. Zmienna droga odkształcania określona ślona kątowym k ciągnieniem gnieniem wielostopniowym stwarza warunki jednostronnego dogniatania w wyniku ugięcia ugi cia profilu na wyjściu wyj i wejściu sąsiadujących ciągadeł (Rys. 4.3). Jak to przedstawiono na (Rys. 4.5) tarcze t przylegają do siebie. Regulację położenia położ kątowego ciągadeł ułatwiają wykonane na tarczach obwodowo rozmieszczone rozmieszczon zęby (Rys. 4.6). Wykonane zęby służą żą do przekręcania przekr tarcz, przy użyciu yciu odpowiedniego klucza nastawnego (pazurkowego) a jednocześnie jednocze umożliwiają przeprowadzeni śrub rub zaciskowych, otwory (5), blokujących blokuj tarcze w położeniach eniach o odpowiednim kącie k względem osi urządzenia dzenia (kierunkiem ciągnienia), ci skokowo przestawionych o podziałce miedzy wrębami wr w tym wypadku co 15°. 15 Ciągadła gadła mocowane są w wykonanych na czołowych powierzchniach tarcz owalnych gniazdach o osi wzdłużnej żnej nej ukierunkowanej promieniowo. Pozycja ciągadła ci cią ustalana jest przy pomocy klinów wewnętrznego wewn i zewnętrznego (Rys. 4.6).. Oba kliny skojarzone są s w pary, w których suma ich grubości grubo i średnicy zewnętrznej ciągadła ągadła stanowi wymiar długości gniazda.. Rys. 4.6 Tarcza z gniazdem. Kanały rozprowadzające rozprowadzaj ce olej oraz otwory do zadawania okre określonego kąta skręcenia tarcz względem dem siebie – 7, gniazdo ciągadła – 12, ciągadło gadło wraz z zestawem klinów, obudowa ciągadła - 13’, wkładka z węglika wę spiekanego – 14, g1, g2 – grubość klinów górnego i dolnego, średnica obudowy – d, wysokość ść gniazda która jest sumą sum grubości klinów oraz średnicy rednicy obudowy ciągadła. ci. 33.

(35) Zastosowanie klinów dodatkowo zwiększa zwi liczbę wariantów prowadzenia procesu oraz stopnia akumulacji odkształcenia. kształcenia. Jeżeli Je ciągadło będzie dzie usytuowane bliżej bli osi trzpienia centrującego cego wówczas przy założonym zało kącie skręcenia 15° odkształcenie będzie b mniejsze w porównaniu gdy zwiększymy zwi odległość R ciągadła gadła od osi sworznia centrującego. Rozwiązanie ązanie takie umożliwia umo dodatkową regulację położenia poło wzdłuż promienia osadzenia ciągadła cią w tarczy. Istnieje również możliwość liwość płynnej regulacji kąta skręcenia płyt, umożliwiają umoż to wyfrezowane otwory regulacyjne (7). (7) Badania dla różnych kątów skręcenia cenia płyt prowadzono prowadzon dla 6°, 10°, 12° i 15° a wyniki przedstawiono w dalszej części ci tego rozdziału. rozdziału Zastosowane rozwiązanie zanie konstrukcyjne urządzenia urz wraz z zespołem ciągadeł ągadeł umożliwia umo dobór różnych nych parametrów procesu ciągnienia ci a tym samym m zmiennej drogi odkształcenia. Na Rys. 4.7 przedstawiono widok trzech tarcz z śrubami rubami zaciskowymi umieszczanymi w otworach regulacyjnych.. Rys. 4.7 Trzy tarcze (płyty) - 1’,1’’,1’’’; 2 - trzpień centrujący, 6 - śruby ruby zaciskowe, 7 – otwory regulacyjne, 13’,13’’ 13’’,13’’’ – ciągadła gadła łukowe, 17 i 18 kanały rozprowadzające rozprowadzaj olej.. Ciągadła gadła 13’,13’’,13’’’ zamocowane są s mimośrodowo rodowo na promieniu R w tarczach 1’,1’’,1’’’ ,1’’’ z utrzymaniem odstępu odst pomiędzy dzy powierzchniami wyjścia wyj i wejścia sąsiadujących ciągadeł gadeł 13’, 13’’ i 13’’’. Rys. 4.8 przedstawia rzeczywisty układ ciągadeł ci w urządzeniu dzeniu KWC w trzech rzutach przy kącie skręcenia cenia płyt względem wzgl siebie α = 15°.. 34.

(36) a. 13''. 13'''. 1' 1'' 1''' R. 13'. d2. d1. dk. d1. d2. β. d0. b. s1. dk. α α. s2 dk. c d2. d1. d0. Rys. 4.8 Rzeczywisty układ ciągadeł łukowych w urządzeniu KWC, widok z boku - a), widok z przodu b), widok z góry – c). Kontrolowane parametry procesu kątowego wielostopniowego ciągnienia: s1, s2, d1, d2, d3, α, R.. W drugim i trzecim ciągadle proces ciągnienia odbywa się z przeciwciągiem, przez co zmniejsza się siłę nacisku metalu na ścianki ciągadła a tym samym przyczynia się to do zmniejszenia zużycia ciągadeł. Na Rys. 4.9 przedstawiono rozpatrywane w badaniach, różne możliwe układy usytuowania ciągadeł w urządzeniu, zastosowane w procesie ciągnienia profilu metalowego z silną akumulacją efektów odkształcenia w warstwie przypowierzchniowej. Istotne parametry procesu to kąt skręcenia płyt α oraz parametr R czyli odległość osi ciągadeł od osi obrotu płyt. Dodatkowo w urządzeniu KWC można zamontować ciągadła o różnych średnicach części kalibrującej odpowiednich do zaprojektowanego wcześniej schematu gniotów, d0, d1, d2, d3 itd. W przypadku procesu dwuetapowego dodatkowo d4, d5, d6 itd. Istnieje bowiem możliwość prowadzenia wieloetapowego procesu ciągnienia z wykorzystaniem urządzenia KWC. Proces dwu. 35.

(37) etapowy - drut przechodzi dwa razy przez urządzenie, urz dzenie, trzy etapy - drut przechodzi trzykrotnie przez urządzenie. ądzenie. Ustawienie kąta ta determinuje dodatkowe parametry takie jak s1 i s2 oraz kąt β.. a). b). c). d). Rys. 4.9 Możliwe liwe warianty prowadzenia procesu a) układ posobny, b) jedno ciągadło ci obrócone względem dem dwóch pozostałych, c) układ schodkowy, d) układ korbowy.. ZAPEWNIENIE MOŻLIWO LIWOŚCI ZMIANY USTAWIEŃ Urządzenie dzenie KWC umożliwia umo stopniowanie akumulacji odkształcenia dzięki dzi możliwości ci zastosowania wielu kombinacji parametrów ustawień ustawie (Rys. 4.8). Jak już wcześniej niej wspomniano wykonane na obwodzie tarcz uzębienia uz enia służą do regulacji kąta skręcenia tarcz względem ędem siebie i jednocześnie jednocze nie do blokady wybranego położenia poło kątowego α przy pomocy śrub zaciskowych. Blokowanie tarcz śrubami zaciskowymi może być wykonane wyłącznie wył w położeniach eniach ustawianych skokowo o kąt k odpowiadający cy podziałce pomiędzy pomi zębami. W zależności ci od położenia położ kątowego α poszczególnych tarcz stworzona strefa odkształcania wyznaczona jest osiami ciągadeł ci co umożliwia liwia uzyskiwanie różnych ró dróg odkształcania. nia. Podczas procesu zachodzi również proces skręcania ęcania wokół własnej osi ciągnionego ci gnionego wyrobu i jest on uzależniony uzale m.in. od zastosowanego układu ciągnienia ci i stopnia skręcenia α.. Przeginanie profilu pomiędzy sąsiadującymi cymi ciągadłami ci gadłami 13’ i 13’’ oraz 13’’ i 13’’’ następuje nast w różnych płaszczyznach, pochylonych względem wzgl siebie pod kątem β (Rys. 4.8).. OPRACOWANIE UKŁADU SMAROWANIA SM Wymagane w procesie ciągnienia ci gnienia doprowadzenie oleju do powierzchni roboczych ro ciągadeł spełniają wykonane na powierzchniach czołowych tarcz rowki oraz kanały olejowe. Konstrukcja urządzenia urz oraz zwarty układ ciągadeł (Rys. 4.7) wymusiły zastosowanie w procesie ciągnienia ci gnienia płynnego smaru technologicznego. Zastosowany. 36.

(38) smar należało ało doprowadzić doprowadzi do trudnodostępnych pnych stref odkształcenia. Ciągadła Ci w urządzeniu KWC są bardzo blisko siebie a tarcze ściśle przylegająą jedna do drugiej. Ten fakt uniemożliwiał liwiał zastosowanie smaru suchego. Stąd St d podczas prowadzonych badań bada procesu ciągnienia gnienia jako środek ś smarujący zastosowano olej roślinny ślinny a dokładniej olej rzepakowy. Zastosowany smar spełniał dodatkowo następujące nast ce funkcje: •. skutecznie chłodził ciągadła ci i druty,. •. wypłukiwał zabrudzenia, szlamy i drobne cząstki cz ciągnionego ągnionego materiału pomiędzy zy kolejnymi strefami odkształcania odkształca ciągadeł.. Proces ciągnienia gnienia był przeprowadzony na zimno. Aby zapewnić zapewnić odpowiednie warunki smarowania na powierzchniach owierzchniach czołowych tarcz 1’,1’’,1’’’ (Rys. 4.77) wykonano rowki (17) oraz poosiowe kanały olejowe (18) doprowadzające ce olej do strefy odkształcania. odkształc Również przednia część ęść obudowy ciągadła gadła została w odpowiedni sposób sfrezowana aby ułatwić dopływ oleju do każdego ka z ciągadeł. Jak już wcześniej śniej wspomniano na czołowej ściance ciance miski olejowej (Rys. 4.4) (11) i na tylnej powierzchni płyty oporowej ciągarki ławowej (8) zamocowano gumowe osłony (Rys. 4.3) (10) ( uszczelniające połączenia urządzenia dzenia KWC z płytą oporową ciągarki ławowej. Osłony te zapewniały szczelny, zamknięty ty układ.. NARZĘDZIE ciągarskie garskie zwane ciągadłem ci które jest zasadniczym elementem urządzenia urz KWC różnicujemy nicujemy ze względu wzgl na kształt strefy odkształcenia (Rys. 4..10).. a). b). c). d). Rys. 4.10 Kształty strefy zgniatającej zgniataj ciągadeł oczkowych: stożkowy – a), wklęsły wklęsł – b), łukowy - c), sigmoidalny – d), [45,53].. DOBÓR KSZTAŁTU CIĄGAD ĄGADEŁ Ze względu du na złożoną złoż drogę odkształcania w kanale kątowym ątowym utworzonym z trzech ciągadeł gadeł należało dobrać dobra odpowiedni kształt ciągadeł. gadeł. Stąd St jednym z ważniejszych niejszych zagadnień związanych z procesem ciągnienia gnienia w urządzeniu urzą KWC było. 37.

(39) zaprojektowanie takiego kształtu strefy zgniatającej zgniataj ciągadeł, gadeł, aby wyeliminować wyeliminowa efekt skrawania materiału, zacierania i aby umożliwić umo realizację procesu przy kątowym ustawieniu ciągadeł. gadeł. Ponieważ Poniewa ciągniony gniony profil nie jest podawany osiowo do każdego ka z ciągadeł, istnieje możliwo żliwość skrawania materiału i przyspieszonego ich zużycia. Z tego powodu w badaniach zastosowano ciągadła ci gadła łukowe. Odkształcenie ciągnionego ci materiału odbywa sięę w strefie zgniatającej zgniataj cej o specjalnie zaprojektowanym łukowym kształcie. Dobór odpowiedniego dla danej drogi odkształcania odkształc nia geometrii ciągadeł ci był jednym z ważnych nych etapów procesu projektowania urządzenia urz dzenia KWC. Dla potrzeb badań należało ało zaprojektować geometrię ciągadeł. Podobnie jak w pracy [54] rozpatrywano wpływ kształtu części ęści roboczej i kalibrującej kalibruj ciągadła na siłę ciągnienia ągnienia oraz własności własno mechaniczne drutów okrągłych. okr Profil ciągadła gadła oczkowego charakteryzuje się si występowaniem powaniem czterech stref, których optymalny kształt i rozmiar dobierany jest na podstawie określonych lonych zależności. zale Na Rys. 4.11 przedstawiono ono profil ciągadła oczkowego z podziałem na charakterystyczne strefy odkształcenia występujące wyst na przekroju ciągadła, gadła, strefa 1 – stożek smarujący, cy, prawie zawsze ma kształt stożka sto ściętego, służyy do podawania smaru do strefy zgniatającej zgniataj – stożek stoż roboczy, a kąt stożka smarującego cego wynosi zazwyczaj 2β=60° 2 (Rys. 4.12).. Rys. 4.11 Profil ciągadła ągadła oczkowego z podziałem na strefy; 1 – smarująca, ca, 2 – zgniatająca, 3 – kalibrująca, 4 – wyjściowa. [8,55].. Strefa 2 zgniatająca – stożek roboczy, jest najważniejszą częścią ęścią kanału roboczego ciągadła, a tworząca ściany bocznej tej strefy w zależności zale ci od przeznaczenia ciągadła ci może przybierać różne żne kształty Rys. 4.10. W praktyce ciągarskiej garskiej najczęściej najcz stosuje się ciągadła gadła o strefie zgniatającej zgniataj w kształcie stożka o kącie 2α (Rys. 4.12 12) natomiast rzadko stosowana strefa zgniatająca zgniataj ca o kształcie łukowym jest stosowana w ciągadłach ci do drutów bardzo cienkich, ciągnionych ci gnionych z bardzo małymi gniotami. Ważnym Wa elementem strefy zgniatającej cej jest długość, długo która pozostaje w stałej proporcji do innych elementów kanału roboczego. Strefa 3 – część kalibrująca, ca, ma za zadanie nadanie wymaganej. 38.

(40) dokładności wymiarów i kształtu ciągnionemu drutowi. Strefa 4 – wyjściowa - stożek wyjściowy może mieć zróżnicowany kształt. Najczęściej strefie tej nadaje się kształt stożka ściętego o kącie 2γ (Rys. 4.12). Niektórzy producenci ciągadeł stosują kształt kulisty wklęsły lub wypukły, a nawet strefę kalibrującą zakończają małym zaokrągleniem. Suma długości wszystkich stref składa się na całkowitą długość kanału roboczego ciągadła oczkowego. Na potrzeby badań zaprojektowano 9 ciągadeł łukowych i trzy ciągadła stożkowe. Ciągadła stożkowe w toku badań wykorzystywane były jako ciągadła kalibrujące. Wstępnie zaprojektowane były do porównania z standardowym procesem ciągnienia. Pierwsze przejście drutu przez urządzenie - trzy ciągadła ustawione w osi porównywano z procesem ciągnienia przez pojedyncze ciągadło przy zachowaniu jednakowego całkowitego stopnia gniotu. Charakterystyczne wymiary potrzebne do zaprojektowania ciągadeł stożkowych przedstawione zostały na (Rys. 4.12). Kształt i wymiary wsadu są podstawą dla procesu projektowania ciągadeł. Podczas projektowania kształtu ciągadeł należy określić wymiary przekroju narzędzia wg określonych norm oraz katalogu producenta [55]. Do zaprojektowania ciągadeł stożkowych a pośrednio łukowych niezbędne jest określenie parametru a dobranego na podstawie średnicy drutu wsadowego oraz planowanych gniotów. = . (4.1). gdzie: − przekrój w części kalibrującej. Wyznaczony parametr a mieścił się w zakresie 3,0 < a < 8,0 stąd na podstawie katalogu producenta ciągadeł [55] określono typ ciągadła jako IV.. 39.

(41) Rys. 4.12 Przekrój poprzeczny ciągadła ci stożkowego kowego oczkowego oraz charakterystyczne wymiary ciągadła.. Ciągadło gadło łukowe charakteryzuje się si stożkiem zgniatającym cym o zmiennym nachyleniu tworzącej mającej cej kształt łuku. Tworząca Tworz stożka zgniatającego cego ma nachylenie zmienne stądd przy odpowiednich warunkach smarowania dla każdego ka dego stopnia zgniotu drut stykający się podczas dczas ciągnienia ci z krzywizną powierzchni stożka stoż zgniatającego uzyskuje zawsze dobre własności własno [56].. W celu zaprojektowania ciągadeł ci łukowych należało określić następujące następuj charakterystyczne wymiary na przekroju prz wzdłużnym ciągadła (Rys. 4.13).. Rys. 4.13 Konstrukcja ciągadła ci gadła łukowego wg Siebla, E., Ludwiga N., Melchiora P P. [56,57].. W celu wyznaczenia parametrów niezbędnych niezb dnych do zaprojektowania ciągadeł ci należało skorzystać z wzorów przedstawionych poniżej poni – zależności 4.1 do 4.5. 4. Współczynnik wydłużenia λ, określany ślany z długości długo ciągnionego drutu wzorem:. 40.

(42) λ=. l l. (4.2). lub z prawa stałej objętości zależność: λ=. S S. (4.3). Gniot z, (zwany również względnym ubytkiem przekroju) !=. − " " =1− . (4.4). a dla drutu o przekroju kołowym %" ' 1 ! = 1−$ & =1− % λ. (4.5 ). gdzie: S0, Sk – przekrój poprzeczny początkowy i końcowy drutu, d0, dk – średnica początkowa i końcowa drutu, l0, lk – długość początkowa i końcowa ciągnionego drutu.. PROMIENIE NAGNIATANIA Nieosiowe ułożenia ciągnionego drutu, w standardowym procesie ciągnienia uważa się za niedopuszczalne gdyż niesie to za sobą nierównomierne zużycie otworu ciągadła. To co w konwencjonalnym procesie jest niepożądane, wykorzystuje się w urządzeniu KWC w celu regulowania stopnia niejednorodności odkształcenia na przekroju poprzecznym w warstwach powierzchniowych drutu. Przy standardowym procesie ciągnienia przy użyciu ciągadeł stożkowych w warunkach nieosiowego ciągnienia drutu następuje lokalizacja odkształcenia tworzy się pierścień gniotowy oraz zachodzi szybsze zużycie ciągadła co przedstawiono na Rys. 4.14 [56].. 41.

(43) Rys. 4.14 Nieosiowe i osiowe położenie poło ciągadła w stosunku do ciągnionego gnionego materiału [56].. Natomiast w urządzeniu dzeniu KWC dzięki dzi zastosowaniu ciągadeł gadeł łukowych, zmniejszono stopień zużycia ycia powierzchni przy nieosiowym podawaniu drutu, wyeliminowano bowiem efekt skrawania materiału a zachowano zachowano efekt lokalizacji odkształcenia. Na Rys. 4.15. przedstawiono idee urządzenia urz KWC z wykorzystaniem ciągadeł gadeł łukowych. h1. ,7 R5. dk. 5,7. 50°. α. R22,8. r2. r1. ,7 R5. α. r1. 22,8. r2. 12. 4. 4 20. I. II. III. IV 0,2H. 0,2H h1=0,6H. h2=0,4H. H. a). b). c). ągadeł: - ogólna geometria ciągadła łukowego – a),, (wg Siebela, Ludwiga i Rys. 4.15 Kształt ciągadeł: Melchiora) [56],, ciągadło cią ( ∅5,7) – b),, przykładowy układ ustawienia ciągadeł cią – c).. 42.

(44) W zastosowanym do badań urządzeniu KWC promienie nagniatania są ściśle związane z. geometrią. ciągadeł. oraz. warunkami. odkształcenia. w. procesie. kątowego. wielostopniowego ciągnienia a wynikają pośrednio z konfiguracji ustawienia płyt względem siebie. W niniejszej pracy optymalizacja ustawień oparta była na uzyskanych końcowych własnościach mechanicznych wyrobu a pośrednio wynikała z faktu jakie nastawy będą powodować maksymalnie duże naprężenia styczne, a w efekcie odkształcenia postaciowe. Rys. 4.16 przedstawia przekrój wzdłużny ciągadła obrazujący jednostronne nagniatanie profilu w urządzeniu KWC.. 2. R. d. 1. Rys. 4.16 Promienie nagniatania - jednostronne nagniatanie profilu; 1- drut, 2 wkładka z węglika spiekanego ciągadła łukowego oczkowego, d – średnica początkowa drutu, R – promień nagniatania.. 4.2 WYBÓR MATERIAŁÓW BADAWCZYCH. Podstawowym materiałem badawczym wytypowanym do badań była walcówka w stanie po walcowaniu na gorąco o średnicy d0 = 6,5 mm ze stali niskowęglowej o następującym. składzie. chemicznym:. 0,06C/0,37Mn/0,01Si/0,14Cu/0,07Cr/0,06Ni.. Bezpośrednio przed ciągnieniem walcówkę poddano śrutowaniu w celu uniknięcia wpływu jakości powierzchni na uzyskiwane wyniki. Zabieg śrutowania powodował mały gniot naskórkowy, który w czasie ciągnienia wywołał wadę powierzchni drutu nazywaną „pomarańczową skórką”. Taka powierzchnia okazała się jednak korzystna gdyż spowodowała lepsze „zabieranie” smaru przez materiał. Dodatkowo do badań wykorzystano jako reprezentanta innej grupy materiałowej drut miedziany o średnicy d0 = 6,4mm, (99,99% czystej miedzi). Wybór materiałów badawczych tj. stali niskowęglowej i miedzi miało na celu umożliwienie śledzenia rozwoju struktur. 43.