Высокие очаги деформации

При дальнейшем увеличении высоты очага деформации (примерно при l /h_cp < 1) зоны скольжения практически вырождаются, весь очаг деформации по контакту занимают зона прилипания. Очаг деформации становится высоким. Контактные силы трения и нормального давления имеют эпюру, показанную на рис 53а или 53б.

Рис.53. Возможные (теоретические) эпюры контактных напряжений на высоком очаге деформаций.

Реализация подобного распределения напряжений на площадке контакта на высоких очагах подтверждается экспериментально. Деформация здесь протекает по тому же механизму, что и на средних очагах в зонах прилипания. Металлу энергетически выгоднее, реализовав предельные силы трения на контакте, затормозить течение по всей длине дуги захвата, а пластическую деформацию осуществлять в слоях, расположенных глубже. На некотором расстоянии от поверхности контакта распологаются слои с интенсивной пластической деформацией. При этом протяженность зоны затрудненной деформации быстро убывает по высоте очага, так же, как, на средних очагах.

Однако, как показано на рис 54, характер деформации на среднем и высоком очагах принципиально различается. На среднем очаге (рис 54а) зоны интенсивной деформации со стороны верхнего и нижнего валков встречаются в середине сечения.

Рис 54. Характер распространения зон интенсивной деформации

- на среднем (а) и

- высоком (б)

Очагах (в продольном сечении).

Если в поперечном сечении образца была помещена координатная сетка, то по ее изменению после прокатки увидим, что существуют зоны малой деформации в приконтактных слоях и на боковой поверхности, а в средних слоях деформация протекает весьма интенсивно. Зона интенсивной деформации имеет форму «креста» (рис 55а). Отсюда металл интенсивно течет не только в длину, но и в ширину. Образуется форма поперечного сечения в виде одинарной бочки. Таким образом, характерной особенностью среднего очага деформацииявляется то, что активная пластическая деформация металла проникает на всю толщу образца, достигая максимальной интенсивности на средней линии.

Рис. 55. Зоны интенсивной пластической деформации на среднем (а) и высоком (б) очагах деформации (в поперечном

сечении)

На высоком очаге зоны активной деформации не проникают на всю глубину сечения. В середине сечения существуют зоны 2, в которые активные пластические деформации от действия валков не проникают. Следует подчеркнуть, что границы между зонами не столь резки, как изображено на рисунках (этих и всех последующих), поэтому какие-то количественные характеристики из них получить трудно. По изменению координатной сетки, расположенной в поперечном сечении образца, можно увидеть, что в приконтактной полоске в зоне прилипания деформация незначительна, затем часть сечения занимает зона интенсивной деформации, а в центральных слоях пластическая деформация вновь мала и даже в отдельных объемах могут быть только упругие деформации (рис.55б). Образец после деформации имеет форму двойной бочки. Создается очень высокая неравномерность деформации по высоте полосы. Эта неравномерность деформации в большей мере, чем силы трения на контакте, определяют напряжения и деформации в очаге деформации в целом. В узкой полосе зоны прилипания в приконтактных слоях любые условия трения оказывают практически одинаковое влияние на основную толщу очага деформации, где все определяется только неравномерностью деформации по высоте.

По ширине прокатываемой толстой полосы деформация также неравномерна. Зоны 1 имеют наибольшую глубину в средних по ширине слоях. К кромкам глубина зоны активной деформации сокращается за счет того, что металлу энергетически выгоднее течь в ширину, чем в глубину сечения. Если приложить боковое усилие, сдерживающее уширение поверхностных слоев, например, прокаткой в калибре, то глубина проникновения активной пластической деформации увеличивается как на кромках, так и в средних по ширине слоях. Причем деформация по ширине полосы выравнивается. Зоны активной деформации смыкаются при меньших отношениях l /h_cp.

Рассмотренная картина деформации значительно осложняет исследование явления опережения при прокатке высоких полос. По всей контактной площадке располагается зона прилипания, поэтому скорости валков и полосы совпадают, по определению опережение на контакте близко к нулю, но не равно точно нулю, поскольку в зоне прилипания существует микроскопическое перемещение металла относительно валков. Поэтому существует водораздел сил трения. Условно можно считать, что частицы металла, находящиеся на площадке контакта от точки водораздела до сечения выхода, находятся в зоне опережения. Металл до этой точки относится к зоне отставания. Несмотря на то, что опережение и

Рис.56. Положение нейтральной

линии по высоте полосы

на высоком очаге деформации.

отставание как явления на контакте практически отсутствуют, имеют место условные зоны опережения и отставания. По высоте полосы зона прилипания быстро сокращается, и практически на большей части по высоте полосы присутствуют реальные, а не условные, зоны опережения и отставания, разделенные нейтральным сечением. Экспериментальные исследования показывают, что по высоте полосы нейтральное сечение сильно искривляется, как показано на рис 56, в сторону входного сечения и при l /h_cp < 0,2 может выходить за пределы геометрического очага деформации. Практически весь металл, за исключением небольших объемов, находящихся у поверхностей контакта, находится в зоне опережения,

Рис.57. Опережение при прокатке на слябинге: на нижнем валке (сплошная линия) и на верхнем валке ( пунктирная линия)

то есть опережает валки. Среднее по очагу деформации опережение на высоких очагах деформации может достигать больших значений. На рис. 57приведены экспериментальные данные по опережению при прокатке на промышленном слябинге. Видно, что при отношении= 0,4 – 0,5 пластическая зона простирается на все сечение сляба, зоны 1 смыкаются, и очаг деформации переходит от высокого к среднему. В зоне высоких очагов по мере увеличения высоты полосы и уменьшения обжатия (уменьшения отношения ) опережение растет. На средних очагах опережение, как и положено, растет с ростом обжатия полосы.

На рисунке, кстати, видно, что при разных диаметрах верхнего и нижнего валков слябинга опережение на большем валке меньше и может быть даже отрицательным, то есть металл будет отставать от валка за счет тормозящего воздействия со стороны меньшего валка. Отрицательное опережение - это вредное явление при прокатке, поскольку часть сил трения, необходимых для нормального захвата и стационарной прокатки, выводится из процесса. Ухудшается захват полосы, появляется нестабильность установившейся прокатки. Кроме того, при разных окружных скоростях валков момент прокатки на большем валке может значительно превышать момент на меньшем валке (в 2 – 3 раза), поэтому понятно стремление не допускать рассогласование скоростей валков более 0,2 рад/с. При значительном различии в диаметрах валков необходима система автоматического регулирования их скоростей.

Между зонами 1 и 2 (рис. 54б) существует взаимодействие, поэтому осевые (пассивные) зоны 2 также находятся в состоянии пластического течения. Если бы обе зоны не были связаны сплошностью металла, то в зонах 2 деформации оставались бы упругими, а металл активных зон без помех естественным образом растекался бы в направлении длины и ширины образца. Пассивные осевые зоны, воздействуя на активные, препятствуют течению металла в длину, и чем массивнее осевые зоны, тем в приконтактных зонах меньше вытяжка, а следовательно, больше уширение металла и тем больше разница между фактической вытяжкой и той естественной, которая была бы при отсутствии связи между зонами. На любой элементарный объем металла, выделенный в активной зоне, действуют дополнительные продольные напряжения сжатия со стороны пассивных зон. Показатель уширения в активных зонах возрастает с увеличением объема пассивной зоны. Чем выше очаг деформации (меньше ), тем больше уширение в активных зонах. На рис. 58 (кривая 1) показан примерный характер изменения показателя уширения в приконтактных слоях по мере изменения параметра . На очень высоких очагах он

Рис. 58. Изменение уширения в приконтактных (1)

и осевых (2) зонах по мере снижения высоты

очага деформации.

близок к 1, а по мере снижения высоты очага ( до = 0,5 - 1) постепенно уменьшается. При переходе к средним очагам (> 1) взаимодействие между зонами исчезает, но за счет сил трения, степень развития которых возрастает с увеличением , уширение начинает возрастать.

Рассмотрим характер деформации металла в пассивных зонах. При отсутствии взаимодействия с активными зонами показатели удлинения и уширения были бы равны нулю, но под их воздействием имеет место и удлинение, и уширение (активные зоны принудительно тянут металл в обоих направлениях), то есть металл находится в пластическом состоянии. Естественно, чем выше очаг деформации, тем больше объем пассивных зон и больше их роль в общем взамодействии зон, тем уширение меньше. С ростом параметра уширение будет расти. На рис. 58 кривая 2 отражает примерный характер изменения показателя уширения в центральных по высоте слоях слитка при уменьшении его высоты. Имеются экспериментальные данные, показывающие, что на очень высоких очагах деформации возможно отрицательное уширение, то есть утяжка центрального слоя металла. Активные зоны, устремляясь в длину, сильно воздействуют на центральные слои слитка в этом направлении, поэтому в направлении ширины размеры его могут сокращаться.

Когда фактор> 1 и очаг деформации становится средним, уширение центральных слоев металла по-прежнему растет, но уже за счет сил трения. При этом, как известно, силы трения сдерживают уширение приконтактных слоев, а центральные слои уширяются более свободно. Кривая 2 пройдет выше кривой 1. При дальнейшем увеличении фактора очаг деформации переходит в разряд низких, кривые уширения контактных и средних слоев сливаются, и при прокатке тонких листов и лент уширение падает до нуля.

Лекция 16