H U f i l t C T W O
LESZEK GODECKI
ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA ROZWARSTWIEŃ POWIERZCHNIOWYCH DRUTÓW SPRĘŻYNOWYCH
ZE STALI WYSOKOWĘGLOWYCH PODCZAS PRÓRY SKRĘCANIA
P O L I T E C H N I K A Ś L Ą S K A
ZESZYT NAUKOW Y Nr 316 - GLIWICE 1972
SPIS TREŚCI
1. W s t ę p ...3
2. Zjaw iska zachodzące przy skręcaniu drutów stalowych . . 4
3. W p ływ gniotów pojedynczych i gniotu sumarycznego na po datność do rozw arstw ień przy s k r ę c a n i u ...20
4. Zm iany strukturalne drutów ze stali w ysokow ęglow ych w p ro cesie c ią g n ie n ia ...26
5. W p ły w układu ciągów i kąta ciągnienia na podatność do roz w arstw ień przy s k rę c a n iu ...36
6. W p ły w odpusczania i prostowania na podatność do ro zw a r stwień w czasie s k rę c a n ia ... , 4 0 7. W p ływ naprężeń własnych na podatność do rozw arstw ień przy skręcaniu , 4 4 8. Om ówienie całości w yn ik ów b a d a ń ... 49
9. W nioski k o ń c o w e ...53
Z a k o ń c z e n i e ...55
L i t e r a t u r a ...58
T a b l i c e ... 61
POI.ITOCHMhA ŚLĄSKA
ZESZYTY NAUKOWE
^ . ^ 2 ) 5 2 5 o № 316
LESZEK GODECK1
ANALIZA PRZYCZYN POWSTAWANIA ROZWARSTWIEŃ POWIERZCHNIOWYCH DRUTÓW SPRĘŻYNOWYCH ZE STALI WYSOKOWEGLOWYCH POOCZAS PRÓRY SKRĘCANIA
PRACA HABILITACYJNA Nr 107
Przew ód habilitacyjny otw arto uj dniu 3 m arca 1970 r.
F ry d e ry k Staub
R E D A K T O R D Z IA Ł U A d o lf M a cie jn y
S E K R E T A R Z R E D A K C J I
W ito ld Gużkowski
REDAKTOR N A CZE LNY ZESZYTÓW NAUKOW YCH POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Dział W ydaw n ictw Politech n iki Śląskiej Gliw ice, ul. K ujaw ska 2
N a k ł 60-|-170 A r k w y d . 4 A r k . d r u k , 3,94 P a p i e r o f f s e t o w y k l . 111,70X100, 80 g O d d a n o d o d r u k u 4 . 10.1971 p o d p i s , d o d r u k u 11.12.1972 D r u k u k o ń . w s t y c z n i u 1972
z ™ . 1210 12.8.1971 C-22 C e n a z ł 5 , -
Skład, fotokopie, druk i oprawę
1. WSTJJP
Druty sprężynowe ze s t a l i węglowych stosowane do wyrobu sprężyn, pra
cujących w c ię ż k ic h warunkach zmęczeniowych, po prób ie skręcania n ie po
winny wykazywać sp ira ln ych rozw arstw ień powierzchniowych, a złom ic h po
w inien być g ła d k i i prostopadły do o s i drutu. Warunek ten je s t s z c z e g ó l
n ie u c ią ż liw y d la producentów drutu, ponieważ zagadnienie rozw arstw iania s ię drutów p rzy skręcaniu n ie je s t dotychczas w sposób w ysta rcza ją cy prze-, badane. Nie wiadomo dokładn ie, co je s t przyczyną rozw arstw iania i jak na
le ż y prowadzić proces tech n o lo giczn y, aby go uniknąć. L ite ra tu ra na ten temat j e s t uboga i w zasadzie ogran icza s ię do ogólnych uwag za czerp n ię
tych z p ra k ty k i ruchowej.
Problem rozwarstwień powierzchniowych drutów przy skręcaniu odgrywa • rów nież dużą r o lę przy opracowywaniu t e c h n o lo g ii produ kcji druhów o n a j
wyższych możliwych w ytrzym ałościach będących obecnie przedmiotem badań w ielu ośrodków naukowych i przemysłowych w ś w ie c ie .
Celem badań -omówionych w n in ie js z e j pracy było u d z ie le n ie odpowiedzi na dwa następujące podstawowe p yta n ia :
- jaka j e s t natura i ja k ie są przyczyny teo retyc zn e rozw arstw ienia s ię drutów w .c z a s ie próby skręcania?
- jak n a le ży prowadzić proces tech n o lo giczn y produ kcji drutów, aby unik
nąć rozw arstw iania s ię ich p rzy prób ie skręcania?
Przeanalizowano stan naprężeń i zjawiska występujące przy skręcaniu drutów oraz ch arakter krzywych skręcan ia. Zbadano wpływ gn iotu sumaryczne*
go, gniotów pojedynczych, układu ciągów , kąta c ią g n ie n ia i końcowej obrób
k i gotowych drutów (odpuszczanie i prostow an ie) na w łasn ości mechaniczne i podatność do rozw arstw ień powierzchniowych p rzy skręcaniu. Stwierdzono is t o tn y wpływ stru ktu ry drutu po c ią g n ie n iu , naprężeń własnych i zjawiska s ta rz e n ia na skłonność do rozw arstw ień.
Całość badań z o s ta ła szczegółowo omówiona w 9 sprawozdaniach autora z prac naukowo-badawczych Centralnego Laboratorium Przemysłu Wyrobów Meta
lowych w Zabrzu [ i ] do [ 9 ] .
Część badań z o s ta ła opublikowana w A n g lii w czasopiśm ie "Wire In du stry"
[10] do [14] i w "B iu le ty n ie Technicznym ZPWM" [15] do [19] .N in ie jsza pra
ca stanowi zwarte kompleksowe u ję c ie c a ło ś c i badań z ogólnym omówieniem wyników.
3
Badania przeprow ad ził autor w Centralnym Laboraïo-'iuw Przemysłu Wyro
bów Metalowych w Zabrzu, w Katedrze Mechaniki Techniczne; i w Katedrze Metaloznawstwa Wydziału Mechanicznego Technologicznego P o lit e c h n ik i Ślą
s k ie j oraz w BISRA (B r it is h Iron and S te e l Research A s s o c ia tio n ) i w
"S p rin g Research A s s o c ia tio n " w S h e ffie ld w c z a s ie pobytu w A n g lii na s t y pendium naukowym ONZ.
2. ZJAWISKA ZACHODZĄCE PRZY SKRĘCANIU DRUTÓW STALOWYCH
2.1 . Rodza.ie złomów przy skręcaniu
T eo ria skręcania pryzmatycznych sztywnych prętów na następujących za łożen ia ch :
a ) W szystkie tworzące pręta doznają jednego i tego kąt 7 (r y s . 1 ).
b) Każdy p rzek ró j poprzeczny pręta obraca s ię względem sw ojej o s i w sto sunku do przekroju sąsiedniego o kąt skręcenia 'P . W ielkość tego kąta je s t proporcjonalna do w ie lk o ś c i momentu skręcającego Mg oraz do od
l e g ł o ś c i między obu przekrojam i (r y s . 1 ).
c ) P rzek ro je poprzeczne po skręceniu pręta o kąt ^ p o zosta ją p ła s k ie i normalne do o s i p ręta .
d) O d le g ło ś c i między sąsiednim i przekrojam i w cza sie skręcania n ie ulega
ją zmianie (o d le g ło ś ć dx na ry s . 1 ).
W dowolnym punkcie przekroju poprzecznego pręta powstają w c z a s ie skrę
cania naprężenia styczne określone wzorem:
K
^ = T T • ę (1 )
o ’
Oprócz naprężeń stycznych d z ia ła ją cy ch w przekrojach poprzecznych wystę
pują równocseśnie naprężenia styczne w przekrojach podłużnych, zgodnie z prawem równości naprężeń stycznych w płaszczyznach wzajemnie prostopad-
okrągłych opiera s ię
samego skręcenia o
łych (r y s . 2 ). Poprzeczne i wzdłużne p rze k ro je są płaszczyznami w których występuje c zy s te ś cin a n ie . W płaszczyznach tych n ie d z ia ła ją naprężenia normalne.
s Ms
Rys. 2. Rozkład naprężeń p rzy skręcaniu prętów okrągłych
Naprężenia normalne 6 natomiast d z ia ła ją w przekrojach ukośnych i o s ią g a ją najw iększe w a rto ś ci w przekrojach nachylonych do o s i p ręta pod kątem 45°. Na element ABCD (r y s . 2 ), w ycię ty na pow ierzchni p rę ta , d z ia ł a j ą wzdłuż je g o krawędzi bocznych ty lk o naprężenia styc zn e. Natomiast w płaszczyznach nachylonych do o s i p ręta pod kątem 45° naprężenia styczne równają s ię ze ro , a w a rto ś ci maksymalne o s ią g a ją naprężenia normalne.
--- o ---
P o d ręczn ik i w ytrzym ałości m ateriałów ro z ró ż n ia ją przy skręcaniu na o- g ó ł t r z y ro d za je złomóws
a ) złom p oślizgow y poprzeczny, b) złom tzw . "kruchy",
c ) złom " s t r z ę p ia s t y " .
Rye. 3. Złom poprzeczny poślizgow y drutów sprężynowych
5
Złom poślizgow y poprzeczny w ystępuje w p ła s zc zy źn ie p rosto p a d łej do o s i p rób k i, a w ięc w p ła szczy źn ie d zia ła n ia największych poprzecznych na
prężeń tnących r p . Na ry s . 3 przedstawiono wygląd złomu drutu sprężyno
wego z badań autora o dobrych własnościach plastyczn ych . Jest to typowy złom p oślizgow y wywołany naprężeniami T . Drut ma gładką pow ierzchnię i g ła d k i prostopadły do o s i drutu złom. Tego rodzaju złom odpowiada wymaga
niom stawianym p rze z normy na druty sprężynowe.
Złom zwany kruchym przeb iega wzdłuż l i n i i śrubowej, n achylonej do o s i próbki pod kątem 45°, a zatem le ż y w p ła szczy źn ie występowania maksymal
nych naprężeń normalnych 6 . Złom kruchy występuje w m ateriałach ta k ich , jak ż e liw o , s t a l zahartowana i t p .
Jak podano pow yżej, naprężenia tnące d z ia ła ją n ie ty lk o w p ła szczy źn ie p rosto p a d łej do o s i p róbk i, a le również w płaszczyznach do n ie j równoleg
ły ch . Wynika stąd możliwość powstawania t r z e c ie g o rodzaju złoimi przy skrę
caniu o kierunku wzdłużnym. Tego rodzaju złom je s t ch arakterystyczny dla drewna [2 0 ], a le może powstawać również na próbkach metalowych o struktu
rze w łó k n is te j, wyraźnie zarysowanej tek stu rze i t p . Jest to w ięc również złom poślizgow y, a le wywołany naprężeniami T w.
Rys. 4. Spiraln e rozw arstw ien ie drutu sprężynowego po próbie skręcania
W n iek tórych pracach z zakresu ciągarstw a drutów spotyka s ię pogląd, że sp ira ln e rozw arstw ienia widoczne na pow ierzchni próbek drutów po pró
b ie skręcania (r y s . 4) są pęknięciam i kruchymi. Jest to pogląd ca łk ow icie n iesłu szn y. Już sama obserwacja wzrokowa kierunku przebiegu rysy w stosum ku do kierunku d z ia ła n ia momentu skręcającego wyklucza powstawanie j e j pod wpływem ro zcią ga ją cyc h naprężeń normalnych 61.]. Na r y s . 5a przedsta
wiono poglądowo pęk n ięcie kruche wywołane naprężeniami głównymi,a na ry s.
5b p rze b ie g ry sy s p ir a ln e j w ystępującej przy skręcaniu drutu. Widać wy
ra ź n ie , że p ęk n ięcie widoczne na pow ierzchni drutu po próbie skręcania n ie mogło być wywołane naprężeniami głównymi.
Powstawanie rozw arstw ień powierzchniowych przy skręcaniu drutów może n astąpić w yłącznie pod wpływem wzdłużnych naprężeń T w, jak przedstawiono na ry s . 5o, Pod wpływem d z ia ła n ia tych naprężeń powstaje pierw sze pęknię
c ie rów n oległe do o s i drutu. P ęk n ięcie to n astępnie wygina s ię zgodnie z kierunkiem d z ia ła n ia momentu skręca ją cego i p rzech odzi w rysę sp ira ln ą .
Rys. 5
a ) schemat pęk n ięcia kruchego wywołanego naprężeniami rozcią ga ją cym i 6^, b) schemat p ęk n ięcia sp ira ln eg o drutów po prób ie skręcan ia, c ) schemat po^.
wstawania pęk n ięcia sp ira ln eg o p rzy skręcaniu drutów
Rys. 6. M akrozdjęcis początków tw orzenia e ię rysy po 2-3 obrotach. Wdłuż- ny kierunek p ęk n ięc ia . Głębokie tra w ie n ie . Pow. x 5
Za początkoł^ym wzdłużnym charakterem rozw arstw ienia przemawia poza tym fa k t , że pierw sze p ęk n ięc ie następuje zaraz na początku próby skręcania po wykonaniu pierw szych paru obrotów, gdy kąt J je s t je s z c z e bardzo ma
ł y . W przypadku drutów badanych p rzez autora o średn icy 1,2 b lic z b a * r ę - ceń H próbek o d łu g o śc i pomiarowej 1 ■ = 120 mm s ię g a ła 40, gdy natomiast
SU, v
7
pierw sze pęk n ięcie drutów rozw arstw iających s ie obserwowano ju ż po “1 do 3 obrotach. Kąt $ w yn osił wtedy zaledw ie 0,02 do 0,05 rad (1 ,5 do 2 ,5 ° ).
Ha ry s . 6 przedstawiono makrozdjecia początków tw orzen ia s ie rysy na próbkach drutu po 1 do 2 obrotach. Widaó wyraźnie wzdłużny p rze b ieg po
czątku ry sy . Na r y s . 7 natomiast przedstawiono zgład poprzeczny drutu w p e łn i rozwarstwionego.
Rys. 7. Drut rozwarstwiony ca łk o w icie po p rób ie skręcan ia. Zgład poprzeca-' ny n ietra w ion y. Pow. i 120
Reasumując dotychczasowe wywody można s t w ie r d z ić , że w c z a s ie próby skręcania drutów sprężynowych złom może powstać albo w p ła s z c z y źn ie pro
s to p a d łej do o s i drutu, albo w p ła s zc zy źn ie ró w n o leg łej do o s i drutu.
Złom prostopadły wywołują naprężenia tTp, a złom w p ła szczy źn ie równoleg
ł e j do o s i drutu naprężenia tTw. W obu przypadkach mamy do czyn ien ia ze złomem poślizgowym.
2 .2 . Charakter krzywych skręcania drutów
Próbki drutów do badań wytrzymałościowych na skręcanie ró ż n ią s ie za
sadniczo od normalnie stosowanych próbek toczonych z główkami do mocowa
n ia w szczekach maszyny w ytrzym ałościow ej. W próbkach toczonych długość pomiarowa wynosi 5 do 20 średn ic p róbk i. Natomiast w przypadku drutów dłiH gość pomiarowa wynosi 50 do 200 średnic d r u t u ., Stosowanie tak smukłych próbek wpływa w sposób bardzo is to tn y na ich zachowywanie s ie w cza sie skręcan ia. 0 i l e skręcanie sztywnych, k ró tk ich próbek toczonych z o s ta ło dość dobrze przebadane i opisane w podręcznikach w ytrzym ałości materiałói<f to zagadnienie skręcania wysmukłych próbek drutów n ie z o s ta ło dotychczas prawie zu pełn ie zbadane i brak danych tak doświadczalnych jak i t e o r e t y c y nych na ten tematy
Na początku p. 2.1 podano teo retyc zn e z a ło żen ia dla skręcania sztyw
nych prętów okrągłych. Szereg jednak danych doświadczalnych wskazuje, że
za ło żen ia t e eą ważne ty lk o w s t r e f i e odkształceń sprężystych , a wraz z pojawieniem s ię stanu p la styczn ego występuje b a rd zie j złożon y rozkład na
prężeń. W s z c z e g ó ln o ś c i d o tyczy t o w io tk ic h próbek drutów. Przypuszczenia t e może p o tw ie rd z ić »
a ) brak s t a ło ś c i stosunku Te/Re [2 , 4, 23, 24, 25, 2 o ],
b ) zmiana d łu g o śc i próbki w c z a s ie skręcania przy dużych odkształceniach [7 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30],
c ) wybaczanie s ię próbek drutu po pierw szych obrotach i następnie wypro
stowywanie s ię po dalszych £7, 12, 26] .
S ta ło ś ć stosunku T./Rg je s t cechą ch arakterystyczn ą m ateriałów iz o tropowych. Stosunek ten powinien równać s ię 0,5 do 0,58 w za le ż n o ś c i od p r z y ję t e j h ip o te z y w ytężen iow ej. Druty cią gn io n e, jako typowe m a teria ły anizotropow e, n ie wykazują s t a ło ś c i stosunku T e /Re i d la te g o podstawowe za ło ż e n ia t e o r i i skręcania w ic h przypadku mogą mieć ty lk o ch arakter p rzy b liż o n y .
Dotychczas w lit e r a t u r z e spotykamy s ię z o p in ią , ?e próbki m e ta li p o dawane dużym odkształceniom plastycznym p rzy skręcaniu u le g a ją wydłużeniu) W iele uwagi p o ś w ię c ili temu zagadnieniu S w ift . [28] , Ha da i ]29] 1 Stuwe
[3 0 ]. W przypadku drutów stalowych ciągnionych ma m iejsce zu pełn ie odwrotu ne zjaw isko - w ystępuje mianowicie skracanie s ię próbek. Zjawisko t o zo
s ta n ie dok ła d n iej omówione w p. 2 .3 .
W każdym r a z ie , czy t o wydłużanie s ię , czy skracanie s ię próbek świad
czy o b a rd z ie j złożonym s ta n ie naprężeń, n iż to podają podstawowe t e o r ie skręcan ia. Zmiana d łu g ośc i próbki musi pociągnąć za sobą zmianę o d le g ło ś c i pomiędzy dwoma poprzecznymi przekrojam i, a t o je a t sprzeczne z pod
stawowym założeniem t e o r i i skręcania sztywnych prętów.
Wybaczanie s ię próbek drutu i następne ic h wyprostowywanie s ię świad
czy rów n ież, że stan naprężeń p rzy skręcaniu drutów je s t znacznie bar
d z ie j skomplikowany n iż p rzy skręcaniu k ró tk ich sztywnych próbek.
---- O ---
Celem badań przeprowadzonych p rzez autora i omówionych w n in iejszym r o z d z ia le było porównanie charakteru krzywych skręcania drutów sprężyno
wych u lega ją cych i n ie u lega ją cych rozw arstw ieniu w c z a s ie próby skręca
n ia . A n a liz ie poddano krzywe skręcania wykonane przy badaniu w łasn osci wj*
trzym ałośoiowych na skręcanie drutów omówionych w r o z d z ia le 3.
Ha r y s . 8 i 9 przedstawiono przykładowo wg badań autora k ilk a rz e c zy w istych wykresów skręcanis drutów n ierozw arstw iających s ię i rozw arstw ia
jących s i ę w c z a s ie skręcan ia. Ha ry s . 8 przedstawiono krsywe okręcania drutów rozw arstw iających s ię nr I I I / 4 , I I I/ 5 i I I I / 6 oraz porównawczo l a y wą skręcania drutu n iero zw a rstw ia ją eego s ie n r 1/12. Próbki I I I / 4 i 1/1t stanowią druty po tym sąmym g n io c ie sumarycznym równym ok. 80%, a le c ią g -
9
2 4 6 8 Ł 42 44 46 48 20 22
Ns - obroty
Rys. 8. Rzeczyw iste krzywe skręcania drutów sprężynowych wg badań autora
nione z różnymi gniotam i pojedynczymi (32% i 13% odpow iednio). Na ry s. 9 pokazano początkowe o d cin k i krzywych skręcania drutów rozw arstw iających s ie n r II/ 6 i II I / 4 i drutu n iero zw a rstw ia ją ceg o s ię 1/12. W szystkie dru
t y po tym samym g n io c ie sumarycznym ok. 80%.
'Ry3. 9. R zeczyw iste krzywe skręcania drutów wg badań a u to ra .P o czą tk i krzy
wych •
Z przedstawionych rysunków wyraźnie w idać, że krzywe skręcania drutów rozw arstw iających s ię i n ierozw arstw iających ró żn ią s ię zasadniczo między sobą. Krzywe skręcania drutów n ierozw arstw iających s ię mają p rze b ie g r e gu larn y, bez żadnych załamań, od początku próby aż do w ystąpienia złomu.
W szystkie próbki o regularnym przebiegu krzywej skręcania m iały zawsze po zakończeniu próby gładką bez rys sp iraln ych pow ierzchnię i g ła d k i p rosto
padły do o s i drutu złom.
Krzywe skręcania drutów u legających rozw arstw ieniu ch arakteryzują s ię gwałtownym załamaniem krzyw ej (spadkiem momentu sk ręca ją ceg o) zaraz po pierwszych obrotach. Ten gwałtowny spadek momentu skręcającego występuje w c h w ili utworzenia s ię ry s y . Ma on zawsze m iejsce albo w s t r e f i e odkształ
ceń sp rężysto -p la styczn ych , albo zaraz na początku s t r e fy odkształceń pla
stycznych.
Po w ystąpieniu załamania krzywe skręcania mają p rze b ie g falow y świad
czący o okresowym ro zp rze s trze n ia n iu s ię ry s y . Odcinek wzrostu f a l i odpo
wiada skręcaniu s ię próbki bez powiększania s ię ry sy . Próbka na tym od
cinku umacnia s ię do w a rto ś c i, przy k tó r e j moment sk ręcają cy osiąga pewną w artość krytyczn ą , po przekroczeniu k t ó r e j następuje ponowne pęk n ięcie i ro z p rz e s tr z e n ie n ie s ię rysy na dalszym odcinku p róbk i. Cykl ten powtarza
11
s ie aż do c h w ili ro z p rz e s tr z e n ie n ia s ię rysy na c a -j.ą długość próbki od s z c z e k i do s z c z e k i.
Po ro z p rz e s trz e n ie n iu s ie rysy na ca łą długość próbki następuje dalsze j e j skręcan ie połączone z bardzo intensywnym wzrostem momentu skręcające
go aż do w ystąpien ia złomu poprzecznego. W tym o k resie skręcania n ie mamy już do czyn ien ia z próbką jednorodną, a le z próbką rozwarstwioną w posta
c i jak gdyby dwóch półokrągłych drutów. Następuje więc wzajemne skręcanie dwóch c ię g ie n , a n ie jednego, c z y l i zu pełnie nowe odrębne zjaw isko.
Na o g ó ł można więc ro z ró ż n ić przy skręcaniu drutów rozw arstw iających s ię następujące t r z y s t r e f y :
a ) s t r e fa skręcania równomiernego aż do utworzenia s ię ry sy,
b) s t r e fa cy k liczn ego ro z p rz e s trz e n ia n ia s ię rysy na ca łą długość próbk i, c ) s t r e fa wzajemnego skręcania dwóch rozwarstwionych c z ę ś c i próbki połą
czonego z silnym wzrostem momentu skręcającego.
2 .3 . Zmiana d łu g o śc i drutów przy skręcaniu
W p. 2.1 podano, że podstawowym założeniem w t e o r i i skręcania prętów okrągłych je s t s ta ło ś ć o d le g ło ś c i między sąsiednim i przekrojam i, a więc z a ło ż e n ie , że długość próbki w cza sie skręcania n ie u lega zm ianie. W r z e c z y w is to ś c i mamy do czyn ien ia ze zmianami d łu g o ś c i, a w przypadku drutów z dość znacznymi. Większość dotychczasowych prac na ten temat podaje, że próbki m e ta li w c z a s ie skręcania u le g a ją wydłużeniu.
Kunda [26] badając druty ciągn ione ze s t a l i w yżej węglowych zaobserwo
wał zu pełn ie inne zja w is k o » Próbki drutów p rzy skręcaniu zamiast wydłużać s ię u le g a ły skróceniu. Kunda n ie zajmował s ię b l i ż e j tym problemem, a le je g o empiryczne s p o strzeżen ie było ca łk o w icie sprzeczne z dotychczasowymi poglądami na ten temat. Tylko Timoshenko £27] podaje, że w przypadku ma
te r ia łó w bardzo ela styczn ych , jak np. gumy, można zaobserwować przy skrę
caniu skracanie s ię próbek, a n ie ich wydłużanie.
Autor n in ie js z e j pracy s t w ie r d z ił jednoznacznie wydłużanie s ię drutów stalowych skręcanych bezpośrednio po obróbce c ie p ln e j (w yżarzan ie, paten
tow anie, u lepszan ie cie p ln e i t p . ) , a skracanie s ie drutów ciągnionych. Dru-1 t y skracały s ię tym in ten sy w n iej, im b y ły b a rd z ie j umocnione i b y ły pod
dane większemu gn io to w i sumarycznemu. Badania te z o s ta ły szczegółowo omó
wione w [7J.
Na r y s . 10 przedstawiono b a r d z ie j•ch arakterystyczne w yniki. Wszystkie druty po obróbce c ie p ln e j, n ie z a le ż n ie od j e j rod za ju , w ydłużały s ię przy skręcaniu. W ielkość wydłużenia była tym w iększa, im m a teria ł był miększy i wytrzymywał w iększą lic z b ę skręceń. U w szystkich tych drutów po próbie skręcania złom b y ł g ła d k i, a powierzchnia n ie wykazywała sp iraln ych ro z
warstw ień. Można w ięc przypuszczać, że ąuasi-izotropow a struktura materisrt łów p o lik ry s ta lic z n y c h sp rzyja wydłużeniu s ie próbek przy skręcaniu.
Skr<tc*K»,-V% » » • :
Rys. 10. Zmiana d łu gości drutów p rzy skręcaniu. L = 100 d. Obciążenie osiowe 2# Fffl
Druty obrobione c i e p l n i e :
1. Żarzony; 0,1# c; Rm
2. Żarzonyj 0,8# C; Rm
3. Patentowany; 0,6# c; Rm 4. U le p s z .c ie p l. 0,6# c; Rm
= 360 N/mm2
= 550 N/mm2
=1150 N/mm2
=1700 N/mm2
13
Druty w sta n ie ciągnionym zachowywały s ie r ó ż n ie , w za le ż n o ś c i od stop
n ia p rze ró b k i p la s ty c z n e j, gatunku s t a l i i rodzaju u p rzed n iej obróbki c ie p ln e j. Druty ze s t a l i n iskow ęglow ej, stosunkowo słabo u tlen ion a (próba 1c) i druty na i g ł y ze s t a l i wysokoweglowej (0,8% C ), o stru k tu rze cemen
tytu kulkowego po uprzednim żarzen iu zmiękczającym (próba 3c) w pierw szej f a z ie skręcania sk ra ca ły s i e , a następnie u le g a ły wydłużeniu. Druty po dużym stopniu p rze ró b k i p la s ty c zn e j skracały s ie od początku do końca pr<S-V by (próby 2c, 4c, 5 c ). N a jin tensyw niej skracały s ie druty sprężynowe ze s t a l i p e r lit y c z n e j, bardzo s i l n i e umocnione i wykazujące s p ir a ln e ro z w arstw ienia po próbie skręcan ia. Z t e j s e r i i badań można przypu szczać, że skróceniu w c z a s ie skręcania u le g a ją druty ciągn ione o wyraźnej budowie w łó k n is te j p ow stałej na skutek dużego przerobu w c z a s ie c ią g n ie n ia .
W m a teria le p o lik ry sta liczn y m ąuasi-izotropowym , np. w drutach s t a lo wych po obróbce c ie p ln e j, w c z a s ie skręcania pierw sze p o ś liz g i powstaną w ziarnach o płaszczyznach p o ślizgu zgodnych z płaszczyznam i d z ia ła n ia ma
ksymalnych naprężeń stycznych, a wiec zarówno w kierunku poprzecznym jak i wzdłużnym do o s i drutu (r y s . 11a, b ). W miarę zwiększania stopnia od
k s zta łc e n ia p o ś liz g i bedą powstawać w p ozostałych ziarnach o innym u kie
runkowaniu płaszczyzn p o ś liz g u (r y s . 11c, d ). Ziarna o płaszczyznach po
ś liz g u usytuowanych pod kątem 45° do o s i drutu n ie bedą s ie w ogó le od
k s z ta łc a ć , ponieważ n ie występują w n ich żadne naprężenia styczne (ry s „ 1 1 f).
Przy za łożen iu , że ziarna o d k szta łca ją s ie bez obrotu, a ty lk o na sku
tek poślizgów wywołanych naprężeniami Tp lub naprężeniami Tw,to w przy
padku a ) n ie wystąpią żadne s ta ty sty c zn e zmiany wymiarów podłużnych ani poprzecznych, natomiast w przypadkach b, c , d w ystąpi tendencja do wydłu
żania s ie próbki.
W p ro ce sie skręcania jednak t y lk o w przypadku a ) może n ie występować o b ró t. We w szystkich innych przypadkach o d k szta łcen ie połączone je s t z obrotem. Na ry s . 11e przedstawiono schemat odkształcania s ie ziarna pod wpływem równoczesnego d z ia ła n ia naprężeń JTp i Xw, połączonego z obro
tem zgodnym z kierunkiem d z ia ła n ia momentu sk ręca ją cego. Ten ro d za j od
k s zta łca n ia s ie z ia m prowadzi do wydłużania s ie próbk i.
W drutach ciągnionych po bardzo dużym stopniu p rzeró b k i p la s ty c zn e j o wyraźnej budowie w łó k n is te j p o ś l i z g i są ła t w ie js z e i b a rd zie j prawdopodebi ne w kierunku wzdłużnym n iż w poprzecznym. Tendencja ta s z c z e g ó ln ie wyraa-i n ie występuje w drutach sprężynowych ze s t a l i p e r lit y c z n e j, w których jak
zosta n ie omówione w r o z d z ia le 4, p o ś liz g i w fe r r y c ie w kierunku poprzecz
nym do p ły te k cementytu odgrywają przy skręcaniu znacznie m niejszą r o le n iż p o ś liz g i w kierunku wzdłużnym.
W przypadku poślizgów wywołanych wzdłużnymi naprężeniami Tw naprężenia poprzeczne Tp mogą spowodować obrót zia rn a , jak przedstawiono na rya.12,
i к
•\
r * Л
• \ -л
" Л с\
_______
---
v_Д---—
ЛTp
Tw
tp
Tw T w
Rys. 11. Schematy odkształcania s ię zia rn k rysta liczn y ch p rzy s k r ę c a n i u
prowadzący do skrócenia s ię p róbk i. Długość boków ab i dc po o b ro cie po
z o s ta je bez zmiany, a więc o d le g ło ś ć l g musi być m niejsza od 1Q.
Rys. 13. Schemat odkształceń p rzy skręcaniu drutu a ) p rzy s t a ł e j d łu g ości p róbk i, b) p rzy skracaniu s ię próbki
Rozpatrzmy te r a z zjaw isko skracania s ię próbek przy skręcaniu z innego punktu w idzen ia. Gdy założymy s ta ło ś ć o d le g ło ś c i dx (r y s . 13a) między dwo*
ma przekrojam i, t o w c z a s ie skręcania n astąpi wydłużenie włókna ac (w łók
no ac p rzem ieści s ię w p o ło że n ie a * c ). Długość włókna a*c po skręceniu próbki o kąt J w yn iesie >
+ a 'a2 ( 2 )
a*a = JT . d . N8
ac Lo
Wydłużenie włókna ao m ateriałów plastyczn ych wytrzymujących dużą l i c z bę skręceń może osią ga ć bardzo duże w a rto ś c i. Rozpatrzmy dla przykładu, ja k ie byłoby w ydłużenie włókna ac dla badanych p rzez autora drutów sprę
żynowych o średn icy 1,2 mm na d łu g ośc i pomiarowej LQ = 120 mm. Druty nie- rozw arstw ia ją ce s ię wytrzymywały p r z e c ię t n ie ok. 30 skręceń, a druty roz
w arstw iające s ię ok. 20 skręceń. Kąt J i wydłużenie £ac włókna ac wy
n io s ło b y w takim r a z ie :
Druty dobre: Nsu = 30; 3* = 4 3 °; a ’ c = 165 mm; 8aa = 37%
Druty z ł e : N0U = 20; 3 2 °; a*c = 141 mm; e ao = 18%.
Można przypu szczać, że włókna ac sta w ia ją opór p rzeciw wydłużaniu s ię i element abcd n ie b ęd zie s ię odkształcać jak przedstawiono na r y s . 13a, a le n a stą p i skrócen ie o d le g ło ś c i dx i od k szta łcen ie elementu b ęd zie ta
k ie jak na ry s . 13b. Załóżmy w ięc h ip o te ty c z n ie , przeciw n ie n iż poprzed
n io , że włókna ac są c a łk o w icie sztywne i n ie u le g a ją wydłużeniu w cza sie skręcania (a c = 120 mm = c o n s t). Skrócenie analizowanych p rzez nas drutów sprężynowych o śred n icy 1,2 mm w takim przypadku w yn iosłoby:
Druty dobre: Ngu = 30; skrócenie 67%; 3* « 7 0 ° ; Druty z ł e : Nsu = 20; skrócenie 22,5%; 3* *** 39°-
W r z e c z y w is t o ś c i, jak wynika z badań au tora, skrócenie próbek drutów n iero zw a rstw ia ją cych s ię p rzy skręcaniu dochodzi do 1,5%, a drutów u lega jących rozw arstw ieniu może dochodzić do 6,0%, a więc znacznie mniej n iż wynikałoby z za ło żen ia sztyw ności w łókien ac. Wynika z te g o , że włókna ac w c z a s ie skręcania w ydłużają s ię p la s ty c z n ie sta w ia ją c jednak równocześ
n ie pewien opór prowadzący do skracania s ię p rób k i. Wydłużanie t o u dru
tów plastyczn ych n ierozw arstw ia ją cych s ię p rzy skręcaniu następuje przede wszystkim na skutek wzdłużnych przem ieszczeń plastyczn ych . W drutach ro z
w arstw iających s ię natomiast następuje wzdłużne ś c ię c ie zasadniczo zmie
n ia ją c e obraz i warunki skręcan ia. Następuje wzajemne skręcanie dwóch p ół
okrągłych c ię g ie n prowadzące do znacznie w iększego skrócenia próbki drutu.
17
2.4. Skręcanie połączone z rozciąganiem
Polska Horma PN-66/M-80003, jak również normy innych krajów przewidują przeprowadzanie próby skręcania przy zastosowaniu o b cią żen ia osiowego n ie przekraczającego 2% s i ł y zryw ającej badany drut. W praktyce ruchowej pa
nuje pogląd, że obcią żen ie osiowe przyłożon e do skręcanej próbki powoduje zum iejszenie lic z b y skręceń i przyczyn ia s ię do powstawania. rozw arstw ie
nia powierzchniowego.
Rys. 14. Stan naprężeń w próbce ro zc ią g a n e j i skręcanej
Ha ry s . 14 przedstawiono stan naprężeń panujący w próbce skręcanej i równocześnie ro z c ią g a n e j. Rozpatrzmy t r z y możliwe przypadki;
a) = O; a T g > 0 - c zy s te ścinanie
b) 6„ > Oj O a T 3 — 0 - jednoosiowe ro zcią ga n ie
c ) 6Q > Of i > 0 - układ zło żo n y, skręcanie połączone z ro z c ią g a niem.
Ad a ) 6n = O T > 0
,
oPrzypadek czystego ścin a n ia . Złom może powstać albo pod kątem 90 do o s i drutu pod wpływem poprzecznych naprężeń tnących, albo w p ła s zc zy źn ie rów n o leg łej do o s i drutu pod wpływem wzdłużnych naprężeń tnących.
Ad b ) 60 > 0 T s = 0
Przypadek jednoosiowego ro z c ią g a n ia . Złom następuje w p rzekrojach na
chylonych pod kątem 45° do o s i drutu pod wpływem naprężeń stycznych =
= 1/2 6G; Naprężenia styczne T s ą wywołane naprężeniami normalnymi Ad c ) (?0 > 0 TB > 0
Układ zło żo n y. Skręcanie połączone z rozciąganiem . W za le ż n o ś c i od wza
jemnej w ie lk o ś c i Ts i 6 0 może n astąpić ś c ię c ie pod kątem oC = 90° lub 0C= 180°, gdy Ts > 6 0, albo ś c ię c ie pod kątem oi = 45°, gdy T8C 6Q- Gdy ró żn ice między r g i 6 0 są nieznaczne, ś c ię c ie n astąpi w płaszczyznach pośrednich.
Rozpatrzmy zjawiska występujące w warstwach powierzchniowych, w któ
rych d z ia ła ją najw iększe naprężenia T 0. Naprężenie redukowane 6 „ e(j w za
le ż n o ś c i od p r z y ję t e j h ip o tezy wytężeniowe w y n ie s ie :
\
- wg h ip o te z y najw iększych naprężeń stycznych;
« r e d = f e f 7 7 r f ; (3 )
- wg h ip o te z y e n e r g ii o d k szta łcen ia postaciow ego:
6red + 3 T s ' (4 )
Rozważmy, jak b ędzie s ie zmieniać w artość n iszczą cego naprężenia skrę
cającego T 3 P ° p rzy ło że n iu w zra sta jącego ob cią żen ia osiowego 6"0 wg oby
dwu h ip o te z . Załóżmy m a teria ł o w ytrzym ałości na ro z c ią g a n ie Rm = 6 r e £ =
= 100 jedn ostek. Na ry s . 15 przedstawiono p rze b ie g krzywych T g = f ( 6 0 ) ,
Rys. 15. W ielkość naprężenia skaręcającego T_ w z a le ż n o ś c i od obciążenia osiowego 6Q.
przy 6red = con st, obliczon ych wg wzorów (3 ) i ( 4 ) . Z przebiegu krzywych można wyciągnąć następujące w n iosk i:
a ) Obciążenie osiowe 6 0 aż do w a rto ś ci ok. 20% n ie ma p rak tyczn ie w ię
kszego wpływu na w ielk o ść n iszczą cego naprężenia skręcającego T g , awięc prawdopodobnie i na lic z b ę skręceń. Stosowane więc w praktyce o bciąże
n ie osiowe 6 Q 4: 2% Rffl n ie ma p rak tyczn ie żadnego znaczenia.
b) Przy obciążeniach Qq powyżej 20% Rjjj następuje spadek n iszczącego naprę
żen ia skręcającego- T s -
Obciążenie osiowe może p rzy sp ies zy ć i obniżyć n iszczą c e naprężenia tną
ce T p przy skręcaniu drutu, a w ięc ma wpływ na powstawanie złomu w p ła szczy źn ie p rosto p a d łej do o s i drutu.
Natomiast o b ciążen ia osiowe n ie mają żadnego wpływu na powstawanie zło- -mu w p ła szczy źn ie ró w n o leg łej do o s i drutu, wywołanego naprężeniami wzdłua--
19
nymi T w. A więc o b ciążen ia osiowe n ie mogą mieć również żadnego wpływu na analizowane w pracy rozw arstw ienia powierzchniowe w c z a s ie skręcan ia, bę
dące niczym innym jak złomem wzdłużnym wywołanym naprężenifc.ni T .
3. WPŁYW GNIOTÓW POJEDYNCZYCH I GNIOTU SUMARYCZNEGO NA PODATNOŚĆ DO ROZ
WARSTWIEŃ PRZY SKRĘCANIU
3 .1 . Wprowadzenie
Dotychczas uważa s i ę , że na podatność do rozwarstwień w cz a s ie próby skręcania is t o tn y wpływ mają: w ielk o ść gniotu sumarycznego (G „ ), w ielk ość
r s
gniotów po.iedvnczvch fG ) i jakość przygotowania pow ierzchni drutu do
cesu c ią g n ie n ia , następujące ewentualne przyczyny z ł e j ja k o ś c i drutów sprężynowych po prób ie sk ręca n ia :
a ) z łe przygotowanie pow ierzchni drutu b) odwęglenie powierzchniowe
c ) za duże. g n io ty pojedyncze
d ) zbyt duży lub zbyt mały gn io t sumaryczny
e ) ź le dobrane, zanieczyszczone lub zużyte środki smarujące f ) ź le obrobione c ią g a d ła .
Rachstadt [30] zaleca stosować dla u niknięcia rozwarstwień przy skrę
caniu g n io ty pojedyncze w granicach 5-8%. Badania Potemkina [33] wykazały, że druty sprężynowe ze s t a l i o zaw artości węgla 0, 83% uzyskiwały n a jle p sze w łasności p rzy cią gn ien iu małymi gniotam i pojedynczymi n ie przekracza
jącymi 12% i przy g n io c ie Gs równym ok. 74%. Krautmacher i Greiss [34]
s t w ie r d z ili is to tn y wpływ w ie lk o ś c i o sta tn ieg o ciągu na w łasności drutów stalow ych. Większy o s ta tn i g n io t zw iększał R^, RQ 2 i RQ Q1, a obn iżał lic z b ę skręceń i p r z e g ię ć . B le iló b i Schucher [35] podają, że pomiędzy ja k o ścią pow ierzchni i złomu po p rób ie skręcan ia, a lic z b ą skręceń n ie ma żadnej z a le ż n o ś c i. Wydaje s i ę , że ten o s ta tn i problem n ie je s t dotąd do
s ta te c z n ie zbadany.
N ie k tó rzy autorzy a n a lizu ją c ujemny wpływ wzrostu temperatury drutu w cz a s ie cią g n ien ia wzmiankują również o wpływie temperatury c ią g n ien ia na jakość złomu po próbie skręcania. W istreich [36] s t w ie r d z ił, że ze wzro
stem szybkości cią g n ien ia na skutek wzmożonego w yd zielan ia c ie p ła , włas
n o śc i drutów lin ia r s k ic h i sprężynowych mogą s ię tak obniżyć, że n ie będą odpowiadać wymaganiom. S te in in g e r [37] podaje, że punktowy w zrost tempe
ra tu ry o cią g a d le może doprowadzić do miejscowego zahartowania drutu.Wtrą
cenia kruchej stru ktu ry m artenzytycznej w tym przypadku mogą być źródłem rozw arstw ień przy skręcaniu. Schultz i Piingel [38] u zysk iw a li zw iększenie lic z b y skręceń i p rze g ię ć przy podzerowym ochładzaniu c ią g a d e ł i drutu.
Zitkow i Pospiechow [39] s t w ie r d z ili, że lin y wykonane z drutów cią gn io
nych małymi gn iotam i, a więc przy mniejszym w ydzielan iu c ie p ła , miały lep s ze w łasności zmęczeniowe. Schwier [40] uważa, że na jakość złomu po
wymienia między innymi, ty lk o z zakresu pro-
próbie skręcania ma bardzo is t o tn y wpływ temperatura c ią g n ie n ia . Szczegó
łowe badania Eisenhutha [41] , [42] oraz Krautmachera i Greissa [43] wyka
z a ły , że w przypadku złe g o chłodzenia występują zjawiska analogiczn e do przyspieszonego sta rz e n ia drutu. Wzrasta R^, Rq ^ i Rq 01’ a sPada wydłu
że n ie , lic z b a skręceń i p r z e g ię ć . Badania Godeckiego i M ierzejew sk ieg o [44]
p o tw ie rd z iły ww. poglądy o istotnym wpływie temperatury c ią g n ie n ia na w łasności drutów stalow ych. Im lep s ze ch ło d zen ie, tym lep s ze w łasności p la styczn e drutu.
3 .2 . Badania własne i dyskus.ia wyników
Celem badań przedstawionych w n in iejszy m r o z d z ia le było wstępne ro z e znanie wpływu w ie lk o ś c i gn iotu sumarycznego i w ie lk o ś c i gniotów pojedyn
czych na w łasn ości drutów sprężynowych, przede wszystkim z punktu w idze
nia występowania rozw arstw ień powierzchniowych w c z a s ie próby skręcania [4 , 1 0 , 1 1 , 1 5 , 16] .
Badania przeprowadzono na drutach sprężynowych ze s t a l i wysokowęglowej o średn icy 1,2 mm, w BISRA w S h e ffie ld w c z a s ie pobytu autora w A n g lii.
Półwyrób o średn icy 3,9 mm z o s ta ł dostarczony p rzez firm ę " B r it is h Ropes"
z Doncaster po patentowaniu, w ytraw ieniu i fosforanow aniu.
Skład chemiczny s t a l i był n astępu jący:
w ę g ie l - 0,89%
mangan - 0 , 66%
krzem - 0,25%
siarka - 0,028%
f o s f o r - 0, 026%
Druty ciągn iono na cią ga rce p ojedyn czej o średn icy bębna 22 c a le przy użyciu jako środka smarującego stearynianu wapnia. Ciągadła d o sta rczyła firm a "D anite Hard M etals L td ", o k ą cie c ią g n ie n ia 2 oC równym ok. 12 .
Wykonano t r z y p a r t ie drutów o średn icy 1,2 mm sto su jąc następujące u- kłady ciągów:
P a rtia I - 18 ciągów o gn iotach pojedynczych ok. 12%
P a r tia I I - 9 ciągów o gn iotach pojedynczych ok. 23%
P a r tia I I I - 6 ciągów o gniotach pojedynczych ok. 32%
Po każdym ciągu badano: Rm, R ^ , R0 j02, Ms r , M0>3, M ^ , RB, R ^ T0 3 » Tq Q2 i Nsu. Po próbie skręcania oceniano jakość powierzchni i z ło mu p róbk i. Do o b lic z a n ia naprężeń skręcających stosowano następujące wzo-
Wartość umownej g ra n icy p la s ty c zn o ś c i na skręcanie ^ ^ wyznaczono gra
fi c z n i e [21] z dośw iadczalnie w ykreślonej krzywej T&g = i '( J ) na podstawie wzoru teo rety c zn eg o :
r iz
"
dM
+ 3 V
( 8 )Na ry s . 16 przedstawiono poglądowo p r z y ję t y przez autora sposób wyznacza- n ia T 0 ,3 '
f ' 0 . 5 %
Rys. 16. G raficzna metoda o k reślan ia umownej gra n icy p la s ty c zn o ś c i na skrę
canie j na podstawie em pirycznej krzywej skręcania MB = f f y ) wg wzoru:
1 d M 2?Cr"
(AB + 3 AC)
Badania wytrzymałościowe na ro zcią g a n ie przeprowadzono na maszynie
"IłlSTRON" posługując s ię tensometrem elektronowym. Badania w ytrzym ałościo
we na skręcanie przeprowadzono w Spring Research A sso cia tio n w S h e ffie ld . Druty o. średn icy 2,0 mm i powyżej badano na maszynie'’ TIITIUS-01sen-75C-USA'’
wyposażonej w automatyczny elektronowy r e je s t r a t o r krzyw ej Mg - <p o p rze
ło żen iu 250:1. Druty o średnicy p o n iżej 2,0 mm badano na aparacie firm y Amsler typ 05TA-89 bez automatycznego r e je s t r a t o r a .
Każdą próbę powtarzano 3 do 6 ra zy i jako wynik przyjmowano wartość średn ią. W ta b lic a c h 1 i 2 zebrano ca ło ść wyników badań, a na rys. 17 i 18 przedsta'wiono je w yk reśln ie.
Rysi. 17. Wpływ gn iotu na w łasn ości wytrzymałościowe na ro zc ią g a n ie i na skręcanie drutów sprężynowych N>
OJ
Partia I
" GP = 12
%
Partia I I Jr
■ Gp » 23
%
Partia I I I Jb*
“ GP
*32%
Z badanych trz e c h p a r t i i drutów ty lk o druty z p a r t i i I m iały dobrą po
w ierzch n ie po p rób ie skręcania aż do Gg = 90%. Druty z p a r t i i XI i I I I już po przekroczen iu 65% gniotu wykazywały rozw arstw ienia powierzchniowe po p rób ie skręcan ia. Z osta ł potwierdzony w iec pogląd, że druty ciągnione małymi gniotam i pojedynczymi mają m niejszą skłonność do rozw arstw ień n iż druty cią gn ion e siln ym i gniotam i pojedynczym i.
Najwyższe Rfl 2 1 RQ 02 m iały druty ciągn ione dużymi gniotam i p o je dynczymi z p a r t i i I I I , a n a jn iż s z e druty ciągn ione łagodnymi gniotam i z p a r t i i I . Granica p la s ty c z n o ś c i RQ 2 drutów z p a r t i i I i I I ro śn ie podob
n ie jak Rm, a drutów z p a r t i i I I I w zrasta b a rd z ie j intensywnie n iż Rm (r y s . 1 7 ).
Powyższe zjaw iska l e p i e j ilu s t r u ją w skaźniki R o ^ 15» 1 R0,02yrRm ^ 8*
18). N a jb a rd z ie j ch arakterystyczn y je s t p rze b ie g tych wskaźników dla dru
tów z p a r t i i I . Wskaźnik RQ po silnym w zro ście w pierwszym ciągu do w a rto ś c i 0,82 utrzymuje s ię na tym poziom ie aż do G0 = 90%. Wskaźnik R , 02/Rm po o s ią g n ię c iu maksimum po pierwszym ciągu w miarę d alszego c ią gn ien ia obniża s ię . Wskaźnik RQ j/R,^ dla drutów z p a r t i i I I I wzrasta rów
nom iernie p rze z c a ły czas c ią g n ie n ia , o sią ga ją c dla diutu gotowego 0 1,2 mm wysoką w artość równą 0,93. Wskaźnik Rq Q2^^m d:ru^ow z Pa rt i i 1^1 wykazuje spadku i utrzymuje s ię na stałym poziom ie aż do Gg = 80%, aby w o sta tn ich ciągach wzrosnąć.
Wyniki badań wskazują również na związek między Rm i Rq 2 a skłonno
ś c ią do rozw arstw ień w cza sie skręcan ia. Im większa wytrzymałość i gra n i
ca p la s ty c z n o ś c i drutu uzyskana z teg o samego surowca (półwyrobu po pa
ten tow an iu ), tym w iększa skłonność do rozw arstw ień. Ponieważ zarówno jak i Rq 2 z a le ż ą od w ie lk o ś c i gniotów pojedynczych, w ięc w celu u niknię
c ia tw orzenia s ię rozw arstw ień w c z a s ie skręcania n a le ży stosować w iększą i l o ś ć łagodnych ciągów o m niejszych gn iotach pojedynczych.
Przechodząc do omawiania w łasn ości wytrzymałościowych na skręcanie na
le ż y przede wszystkim s tw ie r d z ić znacznie ła g o d n ie js z y ich w zrost w cza
s ie c ią g n ie n ia n iż w łasn ości wytrzymałościowych na ro z c ią g a n ie .
W artości
? 0 3
i T0
03 drutów z p a r t i i I i I I po pierwszym ciągu u lega ją pewnemu obniżeniu , a n astępnie w zra sta ją i to tym in te n sy w n iej, im w iększy g n io t sumarycznych. N a jn iższe w a rto ś c i T0 ^ i T Q w całym za
k r e s ie c ią g n ie n ia mają druty z p a r t i i I ciągn ione łagodnymi gniotam i po
jedynczym i. Druty z p a r t i i I I I mają zdecydowanie wyższe "£o,3 i ^ 0 ,0 3 ' ^e”
szcze w yraźn iej sp o strzeżen ia te obrazują w skaźniki ^ (^3 /^ 3 ^ T 0 ,0 3 /Rb"
O gólnie na podstawie badań przedstawionych w tym r o z d z ia le można stwiei*
d z ić is t o t n y wpływ w ie lk o ś c i gniotów pojedynczych na w łasn ości sp rę ży s to - p la styczn e drutów sprężynowych. Im m niejsze stosujemy g n io ty pojedyncze, tym drut ma le p s ze w łasn ości p la styczn e i równocześnie m niejszą skłonność do rozw arstw ień w c z a s ie skręcan ia. Wpływ w ie lk o ś c i gniotów pojedynczych je s t s z c z e g ó ln ie wyraźny p rzy gn iotach sumarycznych powyżej 75%.
25
Mośna by wyciągnąć w ięc wniosek, że im n iż s z ą mają druty gra n icę p la s ty c zn o ś c i i s p r ę ż y s to ś c i, tym m niejszą powinny mieć skłonność do rozwar
stw ień powierzchniowych przy skręcaniu. Do wniosku teg o n a le ży jednak pod
ch odzić z pewną rezerw ą. Np. druty z p a r t i i I p rzy g n io c ie 90% n ie ro z
w arstw ia ją s ię , pomimo że mają znacznie wyższe Rq, 2 1 ^ 0 ,3 n iż ro z
w arstw iające s ię z p a r t i i I I i I I I po g n io c ie 70%! Wynika z te g o , że gra
n ica p la s ty c zn o ś c i i s p rę ż y s to ś c i może być miernikiem podatności do ro z
warstwień. ty lk o przy porównywaniu drutów o t e j samej śred n icy ciągnionych z te g o samego surowca i po tym samym g n io c ie sumarycznym. P rzy odpowied
n io dobranej t e c h n o lo g ii cią g n ien ia druty sprężynowe mogą s ię n ie rozwar
stw ia ć p rzy skręcaniu, mając newet bardzo wysoką gra n icę p la s ty c z n o ś c i i s p r ę ż y s to ś c i.
S in ie js z a s e r ia badań wykazała poza tym, że druty o złych skręceniach (ro zw a rstw ia ją ce s i ę ) mają is t o t n ie n iżs zą lic z b ę skręceń n iż druty dobre,
4 , ZBIASY S T R U K T U R A L N E DRUTÓW ZE STALI WYS0K0W1JGL0WYCH W PROCESIE CIĄG-
M lK H EA
4*1. Wprowadzenie
W badaniach omówionych w r o z d z ia le 3 stw ierd zon o, że im w iększy gn io t Bsasaryczny i większe g n io ty pojedyncze, tym w iększa skłonność drutów sprę-.
żynowych do rozwarstwień powierzchniowych w c z a s ie próby skręcania. Przy stosowaniu s iln y ch gniotów pojedynczych o w ie lk o ś c i powyżej 20%, ju ż przy g n io c ie sumarycznym równym 65% druty u le g a ły rozw arstw ieniu przy skręcar- n iu . Przy stosowaniu natomiast łagodnych gniotów pojedynczych,|nie prze
kraczających w ie lk o ś c i 13%, druty n ie rozw arstw ia ły s ię przy skręcaniu nawet do G = 90%. Stwierdzono rów nież, że im drut je s t b a rd zie j kruchy, a więc gdySjaa wyższą g ra n icę p la s ty c z n o ś c i, n iż s z e przew ężenie, tym je s t w iększe prawdopodobieństwo rozw arstw iania s ię w cza sie próby skręcan ia.
Z powyższych badań nasuwa s ię przypu szczen ie, że gorsze w łasn ości p la styczne i idąca za tym większa ^podatność do rozw arstw ień przy skręcaniu ma n igd zy innymi źród ło w budowie s tru k tu ra ln ej drutu po c ią g n ie n iu . Ce
lem w ięc badań omówionych w n in iejszym r o z d z ia le b yło zbadanie wpływu pa
rametrów procesu cią gn ien ia na zmiany stru ktu raln e drutów patentowanych ze s t a l i p e r lit y c z n e j i ewentualne stw ierd zen ie czy w ystępuje zależność Higdzy strukturą po cią gn ien iu a podatnością do rozw arstw ień w cz a s ie pró
by skręcania [6 , 13, 14, 18].
Przeróbka plastyczn a na zimno s t a l i p e r lit y c z n e j ma swoje cechy cha
ra k terysty czn e. W p e r l i c i e występują obok s ie b ie dwie fa z y - f e r r y t i ce
mentyt. Przeróbka zachodzi przede wszystkim na skutek odkształcen ia s ię fe r r y t u . Cementyt z powodu małej p la s ty c zn o ś c i u lega odkształceniu_w stop
niu znacznie mniejszym. Do niedawna is t n ia ł y dwa punkty widzenia na r o lę cementytu w "czasie p rzerób k i p la s ty c zn e j na zimno:
a) odkształcen iu podlega t y lk o f e r r y t , a cementyt u lega kruchemu rozdrob
n ien iu ,
b) odkształcen iu podlega n ie ty lk o f e r r y t , a le również w pewnym stopniu cementyt.
Obecnie przyjmuje s ię za udowodnione, że odkształcen iu plastycznemu u- leg a również cementyt, ch ociaż w stopniu znacznie mniejszym n iż fe r r y t i zależnym od warunków p rzeró b k i p la s ty c z n e j. Możliwość plastyczn ego od
k s z ta łc e n ia cementytu tłumaczy s ię występowaniem tró jo s io w e g o stanu na
prężeń w cementycie otoczonym ze w szystkich stron plastycznym ferry tem . Rozdrabnianie p ły tek cementytu z a le ż y od stopnia d y s p e r s ji cementytu i od nachylenia p ły te k względem kierunku p rzeró b k i p la s ty c z n e j. Cementyt grubopłytkowy ła t w ie j u lega rozdrobnieniu n iż drobnopłytkowy.
Zubow [45] i Potemkin [33] uważają, że proces kruszenia cementytu ma is t o tn y wpływ na podatność do odkształceń plastyczn ych s t a l i . Gdyby cemen
t y t u le g a ł rozdrobnieniu w pierwszych ciągach w c a łe j je g o masie, to prze
róbka plastyczn a byłaby bardzo utrudniona, o i l e n ie niem ożliw a. Według Zubowa rozd rob n ien ie cementytu w drutach patentowanych następuje dopiero przy dużych stopniach d efo rm a cji.
Jak wynika z badań autora n in ie js z e j pracy, rozd rob n ien ie cementytu za
le ż y od warunków procesu c ią g n ie n ia i może w pewnych przypadkach zacho
d z ić ju ż przy stosunkowo niedużych gn iotach sumarycznych. Zdaniem autora ró żn ic e w obserwacjach podawanych p rzez różnych badaczy wynikają prawdopo
dobnie z różnych warunków c ią g n ie n ia i obróbki c ie p ln e j badanych drutów.
Badania Kardonskiego [46, 47] przeprowadzane na drutach patentowanych wykazały po g n io c ie 93% zm n iejszen ie s ię n ie ty lk o odstępów między p ły t kami z ok. 0,1 ę^m na ok. 0,06,Mm, a le również zm niejszanie s ię grubości samych p ły tek cementytu z ok. 300 8 na ok. 80 2. Rozdrobnienie cementytu występowało przy znacznie większych gn iotach n iż w drucie żarzonym.
Do bardzo in teresu ją cy ch badań na omawiany temat można z a lic z y ć prace Embury i Fishera [48, 49 ]. Badając pod mikroskopem elektronowym cienkie f o l i e z'd ru tu ze s t a l i p e r lit y c z n e j po bardzo dużym g n io c ie (97%) badacze c i zaobserwowali w ie le jak gdyby płytkowych komórek fe r r y t u , oddzielonych granicam i o ro z s tę p ie 100 do 200 8. Stw ierdzono, że wymiary poprzeczne ko
mórek zm n iejszają s ię ze wzrostem o d k szta łcen ia . Badania ilo ś c io w e prze
prowadzone p rzez Embury i F ishera wykazały, że szerokość komórek je s t fun
k c ją średn icy drutu (g n io tu sumarycznego).
Badania Chandhoka i innych [50] przeprowadzane również na drutach pa
tentowanych ze s t a l i p e r lit y c z n e j dały podobne w yniki jak badania Embury i F ish era . W p rocesie c ią g n ie n ia o d k szta łca ł s ię zarówno f e r r y t jak i ce
mentyt. Zaobserwowano n ie ty lk o zm n iejszanie s ię odstępów między płytkami ale również zm niejszanie s ię gru bości samych p ły tek cementytu. Początki rozdrabniania cementytu zauważono już po g n io c ie 55%, a le równocześnie nawet po bardzo dużym g n io c ie występowały p ły t k i n i e r o z d r o b n i o n e .Gridniew [51] uważa, że w p rocesie cią gn ien ia rozdrobnienie cementytu może zacho
d z ić ty lk o w określonych bardzo n iekorzystnych warunkach, a zasadniczo występuje plastyczn a deformacja cementytu.
Podsumowanie dotychczasowego st^nu wiedzy na temat zmia.. s tru k tu ra l
nych podczas cią g n ien ia drutów stalowych ze s t a l i p e r lit y c z n e j przeprowa
d z i l i Maurer i Rosegger [52] . Przy małych odkształceniach powstają n aj
pierw w f e r r y c ie w ęzły d y s lo k a c ji, a przy większych tw orzy s ie dyslok acyj
na substruktura komórkowa. Największe skupisko d y s lo k a c ji powstaje w p ła szczyznach granicznych fe r r y tu i cementytu. Przy dużych odkształcen iach następuje ro zcią g a n ie (w ydłużanie) s ia t k i d y slo k a c y jn ej, a poprzeczne wy
miary substruktury komórkowej zm n iejszają s ię . Zachowywanie s ię p ły tek cementytu w p e r l i c i e z a le ż y od położen ia k o lo n ii p e r lit u względem kierun
ku c ią g n ie n ia . Przy równoległym u łożeniu k o lo n ii p e r lit u do o s i c ią g n ie n ia p ły t k i cementytu od k szta łca ją s ię w sposób nieznaczny, a głów nie od
k s z ta łc a s ię f e r r y t . J e ż e li k o lon ia p e r lit u usytuowana je s t ukośnie do kierunku p rze ró b k i, t o p ły t k i cementytu u le g a ją elastycznemu lub plastyca- nemu obrotowi w kierunku o s i drutu. W ta kich przypadkach można również często zauważyć ś c ię c ia cementytu. Z im b a rd z ie j drobnoziarnistym p e r l i tem mamy do czy n ien ia , tym p ły t k i cementytu ła t w ie j u le g a ją sprężystemu lub plastycznemu odkształceniu n iż rozdrobnieniu.
W drutach patentowanych poddanych odkształcen iu powyżej 90% uzyskujemy pełną kierunkowość stru ktu ry (t e k s t u r ę ). Struktura ta przedstawia bardzo wydłużone rów noległe w stęgi d yslok acyjn ej substruktury komórkowej, w któ
r e j występują w ięcej lub mniej rozdrobnione c ien k ie p ły t k i cem entytu.Płyt
k i cementytu, w zględnie ich fragm enty, często są bardzo trudno rozróżn iał- ne w strukturze komórkowej.
4 .2 . Program badań własnych i omówienie mikrostruktur
Jak zaznaczono na w stęp ie, celem badań m etalograficzn ych było o k re ś le n ie wpływu gniotów pojedynczych i gn iotu sumarycznego na zmiany struktu
raln e drutów patentowanych ze s t a l i wysokowęglowej (0,9% C) i ewentualne stw ie rd ze n ie , czy występuje zależność między stru ktu rą, a podatnością do rozw arstw ień powierzchniowych w cza sie próby skręcania.
Całość badań autor przeprow adził w c z a s ie pobytu w A n g lii w BISRA w S h e ffie ld . Badania przeprowadzono na drutach z p a r t i i I i I I I omówionych w r o z d z ia le 3. Druty z p a r t i i I ciągn ione łagodnymi gniotam i miały dobre w łasności p la styczn e i n ie rozw arstw ia ły s ię w cza sie skręcania. Druty z p a r t i i I I I ciągnione z bardzo siln ym i gniotam i pojedynczymi były kruche i rozw arstw ia ły s ie p rzy skręcaniu.
Do badań m etalograficzn ych wybrano analogiczne druty z p a r t i i I i I I I po tym samym g n io c ie sumarycznym (30%, 70%, 80% i 90%) i porównano ich mikrostrukturę przy użyciu mikroskopu elektronowego.
Na w szystkich próbkach drutów wykonano zgłady podłużne. Próbki drutów inkludowanc. w b a k e lic ie i polerowano mechanicznie. Wypolerowane próbki
trawiono w 1 % alkoholowym roztw orze HNO^. Badania oparto w yłączn ie na bea- pośrednich re p lik a ch węglowych. R e p lik i zdejmowano ze zgładów stosu jąc e le k tr o lit y c z n e rozpuszczanie próbki sta lo w ej w 10% roztw orze kwasu nad
chlorowego w a c e to n ie . Obserwacje mikroskopowe przeprowadzono przy powię
kszeniach x 2.000, x 5.000, x 10.000 i x 20.000. Z d jęcia wykonano stosu
ją c powiększenie fo t o g r a fic z n e x 4.
Rys. 19. Gniot sumaryczny 30%; pow. 4 x 2.000
a ) próba 1/3 - c ią g i łagodne - drut dobry, b) próba III/ 1 - c ią g i mocne - drut dobry
(Uwaga: dla u proszczenia druty n iero zw a rstw ia ją ce s ię przy skręcaniu na
zywać będziemy dobrymi, a druty rozw arstw iające s ię przy skręcaniu złym i)j Obydwa z d ję c ia p rzed sta w ia ją stru ktu rę drobnego p e r lit u . Różnice po
między nimi są niezauważalne. Widoczna przypadkowość o r ie n t a c ji p e r lit u w poszczególnych kolon iach je s t taka jak bezpośrednio po patentowaniu.
Kierunek c ią g n ie n ia je s t trudny do ro z ró ż n ie n ia . Rys. 20. Gniot sumaryczny ok. 70%i pow. 4 x 2.000 a ) próba 1/9 - c i ą g i łagodne - drut dobry
b) próba I I I / 3 - c ią g i mocne - drut z ły .
Ha z d ję c ia c h obserwujemy wyraźne wydłużanie s ię zia rn p e r lit u w kierun
ku c ią g n ie n ia . Ha z d ję c iu ( a ) występuje dobrze zachowana struktura drob
nego p e r lit u . Proces rozdrabn iania cementytu je s t prawie niezauważalny. W kolon iach p e r lit u o kierunku u ło żen ia p ły te k pod kątem do o s i cią gn ien ia widoczne są m iejsca o p la s ty c z n ie u g ię ty c h płytkach.
Obserwuje s ię wyraźną ró ż n ic ę w i l o ś c i p ły te k na l^ m ułożonych równo
le g l e do kierunku c ią g n ie n ia i pod kątem do o s i c ią g n ie n ia . Ilo ś ć p łytek 29
ułożonych rów nolegle do o s i cią gn ien ia wynosi 12 do 18 szt/«.m, a u ło żo nych pod kątem t y lk o 7 do 10 szt//im. Tę ró żn ic ę w i l o ś c i płytek można wy
tłumaczyć t y lk o różnym oporem d eform a cji k o lo n ii p e r lit u o u ło ż e n iu .p ły -
Rys. 20. Gniot sumaryczny ok. 70%•, pow. 4 x 2.000
a) próba 1/9 - c ią g i łagodne - drut dobry, b) próba I I I/ 3 - c ią g i mocne - drut z ły
tek równoległym i pod kątem do o s i c ią g n ie n ia . K olon ie p e r lit u o płytkach równoległych do o s i c ią g n ie n ia sta w ia ją stosunkowo mały opór d eform a cji.
Cała praca odkszta łcen ia z o s ta je u żyta na p la styczn e o dkształcen ie f e r r y tu i ewentualnie również w pewnym stopniu cementytu, natomiast w przypad
ku k o lo n ii p e r lit u o płytkach ułożonych prostopadle lub pod pewnym kątem do o s i cią g n ien ia w iększość pracy zużywa s ię na u g ię c ie p ły tek cementytu w kierunku cią g n ien ia lub na ic h ro zd ro b n ien ie. P ły t k i cementytu stanowią w tym przypadku sztywny^ o dużej w ytrzym ałości na ścis k a n ie, s z k ie le t n ie zezw alający na plastyczn e od k szta łcen ie fe r r y t u . Z d jęcie (b ) ró ż n i s ię od z d ję c ia (a ) stopniem rozdrobn ien ia cementytu. W n iek tórych m iejscach trud-’
no nawet ro z ró ż n ić budowę płytkową. Niemniej i s t n i e j ą je s z c z e obszary do
brze zachowanego p e r lit u .
Rys. 21. Gniot sumaryczny ok. 10%i pow. 4 x 10.000 a) próba 1/9 - c ią g i łagodne - drut dobry
b) próba I I I / 3 - c ią g i mocne - drut z ły .
Na z d ję c iu ( a ) przedstawiono typowy s z c z e g ó ł o dobrze zachowanej struk
tu rze p e r lit y c z n e j, a na z d ję c iu (b ) typowy s z c z e g ó ł struktury o znacznym rozdrobnieniu p ły tek cementytu.
Rys. 21. Gniot sumaryczny ok. 70%} pow. 4 x 10.000
a ) próba 1/9 - c ią g i łagodne - drut dobry, b) próba I I I / 3 - c ią g i mocne drut z ły
Rys. 22. Gniot sumaryczny ok. 80%j pow. 4 x 2.000
a ) próba 1/12 - c i ą g i łagodne - drut dobry, b) próba I I I / 4 - c ią g i mocne - drut z ły
31
Rys. 22. Gniot sumaryczny ok. 80%: pow. 4 x 2.000 a ) próba 1/12 - c ią g i łagodne - drut dobry
b ) próba II I / 4 - c ią g i mocne - drut z ły .
Ha z d ję c iu (a ) obserwujemy prawie ca łk ow ite zorien tow an ie z ia m p e r l i tu w kierunku c ią g n ie n ia . Struktura p e r lity c z n a p o zo s ta je bardzo dobrze zachowana pomimo dużego stopnia p rzerób k i p la s ty c z n e j. S topień rozdrobn ie
n ia p ły te k cementytu nieznaczny. Widzimy w ięc, że aż do 80% gn iotu suma
rycznego d z ię k i łagodnym gniotom pojedynczym p ły t k i cementytu u gin a ją s ie p la s ty c zn ie i układają w kierunku p rzeróbki bez ro zd ro b n ien ia . W e fe k c ie otrzymujemy stru ktu rę p e r lity c z n ą o płytkach ułożonych prawie w c a łe j ma
s ie rów nolegle do o s i wzdłużnej drutu. Różnica pomiędzy zd jęcia m i (a ) i (b ) polega przede wszystkim na stopniu rozdrobn ien ia cementytu. Ha z d ję ciu ( a ) mamy prawie w c a ło ś c i dobrze zachowaną stru ktu rę p e r lit y c z n ą . Ha z d ję c iu (b ) natomiast zdecydowanie przeważają obszary o daleko posuniętym rozdrobnieniu p ły tek cementytu. Dobrze zachowaną budowę p e r lity c z n ą można zauważyć t y lk o w n ie lic z n y c h m iejscach. Można przypuszczać, że uprzednio rozdrobnione p ły t k i obecnie u ło ż y ły s ię w kierunku c ią g n ie n ia .
Rys. 23. Gniot sumaryczny ok. 80%; pow. 4 x 10.000
a ) próba 1/12 - c ią g i łagodne - drut dobry, b) próba II I / 4 - c ią g i mocne - drut z ły
Zdjęci© (a ) przedstawia szc ze g ó ł o bardzo dobrze zachowanej budowie p e r lit y c z n e j o płytkach równoległych do o s i drutu. Z d jęcie (b ) natomiast przedstawia zu pełnie odrębny obraz stru ktu ry o znacznym rozdrobnieniu ce
mentytu.
Rys. 24. Gniot sumaryczny 90%
a ) próba 1/18; pow. 4 x 5000, b) próba 1/18; pow. 4 x 20000
Ha r y s . 24 przedstawiono z d ję c ia stru ktu r drutu z p a r t i i I po g n io c ie sumarycznym 90,5% (Próba 1/18), ciągn ionego łagodnymi gniotam i pojedynczy
mi. Z d ję c ia p rze d sta w ia ją t ę samą stru k tu rę, a le o różnych powiększeniach dla wyodrębnienia szczegółów . Obserwujemy pomimo bardzo dużego gniotu su
marycznego bardzo dobrze zachowaną stru ktu rę p e r lity c z n ą . Kierunkowośó je s t prawie ca łk o w ita .
4 .3 . Dyskusja wyników badań m eta lograficzn ych
Przedstawione m ik ro zd jęcia obrazują wyraźnie wpływ w ie lk o ś c i gniotów pojedynczych na zmiany stru ktu raln e drutów patentowanych,a przede w szyst
kim na proces rozdrabn iania p ły te k cementytu. W r o z d z ia le 2 i 3 s t w ie r - dzono wpływ w ie lk o ś c i gniotów pojedynczych na podatność do rozwarstwień powierzchniowych w c z a s ie próby skręcan ia. Obecnie można p r z y ją ć , że two
r z e n ie s ię rozw arstw ień w c z a s ie skręcania ma między innymi związek ze stru ktu rą drutu.
Reasumując opis m ikrozdjęć można wyciągnąć następujące w n ioski, doty
czące zmian strukturalnych występujących w cza sie c ią g n ie n ia drutów pa
tentowanych o stru ktu rze drobnego p e r lit u .
a ) Przy stosowaniu łagodnych gniotów pojedynczych rzędu ok. 13% prze
ważają w p ro ce sie c ią g n ie n ia p lastyczn e u g ię c ia i obracanie s ię p ły tek ce
mentytu w kierunku o s i wzdłużnej drutu. Aż do 90% gn iotu sumarycznego za
chowuje s ię budowa p e r lit y c z n ą , a sto p ień rozdrobn ien ia cementytu je s t n ieznaczny.
33
