Применение приближенных методов определения усилий пластического деформирования материала в процессах обработки металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru

4

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Набережночелнинский институт (филиал) федерального

государственного автономного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Казанский (приволжский) федеральный университет»

Кафедра "Машины и технология обработки металлов давлением"

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Теория обработки металлов давлением»

Тема: «Применение приближенных методов определения усилий пластического деформирования материала в процессах обработки металлов давлением»

Выполнил: студент гр. 1111109

Юлдашев М.Б

Руководитель: ст. преподаватель

Шутова Л. А.

Набережные Челны

2013 год

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Теория обработки металлов давлением»

Студент: Юлдашев Мансур Базарбаевич

Группа: 1111109 Направление подготовки: 150700.62 «Машиностроение»

Курс: 3 Семестр: 5 Вариант: 18

Тема: Применение приближенных методов определения усилий пластического деформирования материала в процессах обработки металлов давлением.

Дата выдачи: «__»________ 201_ г.

Срок защиты: «__»________201_ г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Задание 1: Внедрение цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластическое полупространство:

Вычислить значения деформирующего усилия при отсутствии сил контактного трения (10-12 точек).

Вычислить значения деформирующего усилия, возникающего под действием сил трения.

Вычислить значения полного деформирующего усилия.

Построить графики зависимости деформирующего усилия от относительного радиуса внедрения.

Задание 2: Внедрение пуансона с трапециевидным сечением в пластическое полупространство при наличии сил трения на поверхности контакта:

Описать сущность метода верхней оценки и возможность его применения для заданных условий.

Определить удельное усилие деформирования для трех стадий внедрения пуансона (начало внедрения, внедрение на половину высоты пуансона, внедрение на полную высоту пуансона).

Для всех стадий построить годографы скоростей. Удельное усилие деформирования определить графо-аналитическим способом.

Построить график зависимости удельного усилия деформирования от глубины внедрения пуансона в среду.

Индивидуальное задание:_________________________________________________

Руководитель проекта: Шутова Л. А.

Задание получил _____дата «__ » ________ 201_г.

АННОТАЦИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Студент: Юлдашев Мансур БАзарбаевич

Автомобильного отделения Группа 1111109

Направление подготовки/специальность «Машиностроений»

Профиль/специализация «Обработки металлов давлением»

Тема работы: «Применение приближенных методов определения усилий пластического деформирования материала в процессах обработки металлов давлением»

Руководитель Шутова Л.А. старший преподаватель

(Фамилия И.О., место работы, должность, ученое звание, степень)

Консультант(ы)

(Фамилия И. О., место работы, должность, ученое звание, степень)

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель работы: Дислокационные модели разрушения.

Сведения об объеме, количестве иллюстраций, таблиц, использованных источников: данная курсовая работа содержит 25 листов печатного текста и расчетов: 9 рисунков, 1 таблица, 2 графика.

Ключевые слова:

Использование информационных ресурсов Internet: нет.

(нет, да, число ссылок в списке литературы)

Использование современных пакетов компьютерных программ и технологий:

Да. .

нет, да, число ссылок в списке литературы)

Результаты работы: 1)Изучил условий внедрения цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластиковое пространство при наличии сил трения.

2) Изучил условий внедрения пуансона с трапециевидным сечением в пластиковое полупространство при наличии сил трения.

Наличие публикаций и выступлений на конференциях по теме работы:

а) нет

(Список публикаций)

б)нет .

(Список выступлений на конференциях)

Студент

(подпись)

Руководитель

(подпись)

« » 2013 г.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Внедрение цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластическое

полупространство при наличии сил трения

2. Внедрение пуансона с трапециевидным сечением в пластическое полупространство при наличии сил трения

3. Дислокационные модели разрушения

Список использованной литературы

Введение

Целью данной курсовой работы является:

1) Исследование условий внедрения цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластиковое пространство при наличии сил трения.

2) Исследование условий внедрения пуансона с трапециевидным сечением в пластиковое полупространство при наличии сил трения (плоская задача).

Задачей дисциплины «Теория обработки металлов давлением» является анализ и разработка общих принципиальных основ рационального построения процессов обработки металлов давлением, которая не только обеспечивает получение заготовок, а часто и готовых деталей требуемой формы, но и вызывает в металле качественные изменения. Теория обработки металлов давлением является научной базой технологии этой обработки.

Теория обработки металлов давлением рассматривает и изучает:

1) термические и механические условия, при которых обеспечивается возможность наибольшего формоизменения металла, что необходимо для установления оптимальных режимов технологических процессов;

2) влияние обработки давлением на механические и физические свойства металлов в целях получения наилучших эксплуатационных характеристик заготовок и деталей;

3) характер формоизменения заготовок при различных операциях в целях отыскания наиболее благоприятных соотношений между размерами и формой исходных заготовок и заготовок или детален, получаемых после обработки давлением;

4) сопротивление металла пластическим деформациям при операциях обработки давлением, т. е. распределение напряжений, необходимые усилия и работы для осуществления этих операций, И целях правильного выбора оборудования и прочностного расчета рабочего инструмента.

Внедрение цилиндрического пуансона с шаровым концом в

пластическое полупространство при наличии сил трения:

Дано: R = 0.2 м, м = 0.4, уу = 450 МПа.

Вычислить значения деформирующего усилия Ру для 11 значений r (r=0;r=0,lR; r=0,2R; … … … r=0,9R; r=R) при отсутствии сил контактного трения.

Вычислить значения части Рф деформирующего усилия, обусловленного наличием сил трения при соответствующих значениях r.

Вычислить значения полного деформирующего усилия P=Pу+Pф для

соответствующих значений r: все результаты вычислений свести в таблицу.

Построить графики зависимости Pу=Pу(r), Рф=Рф(r), Р = Р(r) на одном и том же рисунке.

Сделать выводы.

1. Внедрение цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластическое полупространство при наличии сил трения.

Рисунок 1

Расчетная схема.

Значение деформирующего усилия при отсутствии сил контактного трения определяем, используя следующую формулу:

.

уН - закон распределения нормальных напряжении на поверхности контакта, определяем по следующей формуле:

.

Подставив выражение для уН в интеграл, находим:

. (1)

Допустим, что коэффициент пластического трения на контактной поверхности м= const. Тогда касательные напряжения на контактной поверхности г. определяется формулой:

.

Значение активной силы, необходимой для преодоления сил контактного трения, определяется формулой:

; (2)

.

По формулам (1), (2) определяем: Pу, Pф, P=Pу+Pф.

Результаты вычисление сводим в таблицу 1. На основе таблицы 1 строим графики (рисунок 2). В частности, при r=0 имеем: Pу=0, Pф=0, P=0.

При r = R имеем: , .

Таблица 1.

r/R	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
Ру	0	1.415	5.508	12.05	20.79	31.48	43.82	57.49	72.06	86.95	100.57
Pф	0.00	0.04	0.29	0.98	2.3	4.46	7.73	12.44	19.1	28.87	52.07
Р (МН)	0.00	1.45	5.8	13.03	23.09	35.94	51.55	69.92	91.16	115.82	152.94

P, Pу, Рф,(МН

График 1.

Зависимость P, Pу, Рф от r/R.

Выводы:

Как видно из полученных результатов (график 1) , с увеличением площади контакта (с увеличением глубины внедрения) значения Рт. Р увеличиваются два раза.

Учет сил контактного трения дает поправку к значению деформирующего значения Р. С другой стороны, исключение сил пластического трения (например, с помощью смазки) позволяет деформировать материал почти два раза меньших значениях деформирующего усилия.

2. Внедрение пуансона с трапециевидным сечением в пластическое полупространство при наличии сил трения.

Дано:

уs=450Мпа

в=1.12

а0=0.18м

м=0.4

б=24

h=0.1м

1. Определить удельное усилие деформирования для трех стадий внедрения пуансона:

I. Начало внедрения.

II. Внедрение на глубину 0,5h.

III. Внедрение на глубину h.

2. Для стадии внедрения на глубину h построить три различных

варианта годографа скоростей и сравнить соответствующие значения деформирующего удельного усилия.

3. Построить график зависимости удельного усилия деформирования от глубины внедрения.

4. Сделать выводы.

2. Внедрение пуансона с трапециевидным сечением в пластическое полупространство при наличии сил трении

1. Определить удельное усилие деформирования для трех стадий внедрения пуансона.

Для решения данной задачи используем метод верхней оценки.

Объем очага деформации представляется в виде недеформируемых треугольных блоков, скользящих один относительно другого и по границам с жесткой зоной. Вдоль границ между блоками касательные напряжения, возникающие при скольжении блоков, являются максимальными:

фn=k=вуs/2.

На свободных поверхностях фn=0, а на контактных поверхностях ф=муs.

Мгновенная мощность внутренних сил, включая контактное трение, определяется формулой:

,

где - скорости скольжения вдоль границ треугольных участков,

- длина сторон треугольников,

- длина проекции площадки контакта на ось у (толщина).

Мощность, развиваемая деформирующей силой Р, определяется выражением

- скорость движения рабочего органа (в направлении оси Z).

Из условия получаем:

Удельное усилие деформирования определяется следующей формулой:

а - ширина площадки контакта на горизонтальную ось X.

I. Рассмотрим начальный этап внедрения пуансона а пластическое

полупространство рисунок 3.

Записываем уравнение баланса мощностей:

Подставляя в это уравнение числовые значения, получаем:

МПа.

а)

б)

Рисунок 2.

Начальный этап внедрения пуансона (а) и годограф скоростей (б).

Второй этап внедрения пуансона в пластическое полупространство на глубину 0.5h.

Рисунок 3

Равенство площадей:

Уравнение баланса мощностей:

МПа.

а)

б)

Рисунок 4

Внедрение пуансона на глубину h/2 (а) и годограф скоростей (б).

Третий этап внедрения пуансона в пластическое полупространство на глубину h.

МПа.

МПа.

МПа.

Из рассчитанных трех случаев выбирается меньшее значение Р3=3471.21 МПа.

а)

б)

Рисунок 5.1

Внедрение пуансона на глубину h (а) и годограф скоростей (б).

а)

б)

Рисунок 5.2

Внедрение пуансона на глубину h (а) и годограф скоростей (б).

а)

б)

Рисунок 5.3

Внедрение пуансона на глубину h (а) и годограф скоростей (б).

Строится график зависимости P(hвнедр)

Р1=1692.2 МПа h=0 м

Р2=3238.78 МПа h=0.05 м

Р3=3471.21 МПа h=0.1 м

График 2.

Вывод:

Как видно из полученных результатов (график 2), с увеличением глубины внедрения увеличивается усилие, прилагаемое к пуансону.

3. Дислокационные модели разрушения

Элементы теории дислокаций

Предположение о наличии дислокаций, как своеобразных нарушений закономерности расположения атомов в решетке монокристалла, было выдвинуто в связи с необходимостью объяснить значительную разницу расчетных и фактических величин касательных напряжений, необходимых для начала пластических деформаций. Расчетные значения этих касательных напряжений превышали фактические на три-четыре порядка. Столь существенную разницу можно было объяснить лишь тем, что действительный процесс скольжения осуществляется не одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости, а последовательным смещением групп атомов, расположенных в данной плоскости.

Возможность последовательного смещения отдельных групп атомов вдоль плоскости скольжения при уменьшенных напряжениях возникает, если дефекты кристаллической решетки являются не точечными (вакансии, лишние атомы), а линейными, т. е. вызывающими нарушения правильного расположения атомов на значительные (макроскопические) расстояния в одном направлении и на малые (несколько межатомных расстояний) в направлений, перпендикулярных к первому.

Предположение о существовании линейных дефектов кристаллической решетки реальных монокристаллов позволило не только объяснить причины различия расчетных и фактических величин касательных напряжений, вызывающих пластическую деформацию, но также выяснить многие вопросы, связанные с механизмом

деформирования и явлениями, сопутствующими пластической деформации.

Появление элементов теории дислокаций относится к 20-м годах этого столетия (работы Я. И. Френкеля, Дж. Тейлора др.). Однако экспериментальное подтверждение существования дислокаций получено лишь в 50-х годах благодаря развитию экспериментальных средств исследований строения кристаллов. Существование дислокаций было подтверждено как прямыми методами исследования (с помощью ионного проектора, рентгеновской топографии, электронно-микроскопического исследования), так и косвенными методами исследования.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 6. Рисунок 7.

Типы дислокаций

Основными типами дислокаций, встречающихся в реальных монокристаллах, являются краевая и винтовая дислокации.

Как видно из схемы (рисунок 6 ), краевая дислокация возникает, если по одну сторону от плоскости скольжения количество атомных плоскостей, перпендикулярных к плоскости скольжения, больше, чем по другую. В случае, представленном на рисунке 6 выше плоскости скольжения имеется добавочная плоскость о, усеянная атомами, не имеющая продолжения ниже плоскости скольжения. Линию в--г пересечения добавочной плоскости с плоскостью скольжения называют линией дислокации, а точки (в, г и др.) пересечения линии дислокации с перпендикулярными к ней кристаллографическими плоскостями называют центрами дислокации. Условное обозначение краевой дислокации показано жирными линиями около центра дислокации. деформирование материал давление дислокация

Краевые дислокации условно разделяют на положительные (обозначаются _]_) и отрицательные (обозначаются Т) в зависимости от расположения дополнительной плоскости относительно плоскости скольжения. Краевая дислокация считается положительной, если дополнительная плоскость находится выше плоскости скольжения, и отрицательной, если дополнительная плоскость расположена ниже плоскости скольжения.

Наличие дополнительной плоскости, ограниченной линией в--г, вызывает нарушение правильного взаимного расположения атомов, соответствующего минимуму потенциальной энергии. Наибольшие нарушения правильности взаимного расположения атомов возникают вблизи центра дислокации (или линии дислокации). Для положительной краевой дислокации (рисунок 6) межатомные расстояния вблизи линии дислокации выше плоскости скольжения уменьшены, а ниже плоскости скольжения увеличены по сравнению с межатомными расстояниями в идеальной решетке. Эти искажения межатомных расстояний быстро убывают по мере удаления от линии дислокации. Нарушение правильности взаимного расположения атомов вблизи линии дислокации повышает потенциальную энергию участка кристаллической решетки вблизи линии дислокации. Таким образом, вблизи дислокации возникает силовое поле с повышенным уровнем потенциальной энергии.

Под действием сдвигающих напряжений т (рисунок 7), действующих параллельно плоскости скольжения, краевая дислокация способна передвигаться. Смещение дислокации состоит в том, что дополнительной, лишней, плоскостью поочередно становятся плоскости, параллельные исходной плоскости ab (рисунке 7). Элементарный акт смещения краевой дислокации на одно межатомное расстояние схематично показан на рисунке 7. Штриховыми линиями на этом рисунке показана решетка, образованная после смещения центра дислокации из положения b и положение Ьх. При этом первоначальная лишняя плоскость Ьа намыкается на расположенную ниже плоскости скольжения кристаллографическую плоскость be, а лишней плоскостью становится плоскость Ьуах. Естественно, что пробег такой дислокации от одной боковой поверхности монокристалла до противоположной дает смещение части монокристалла выше плоскости скольжения относительно части монокристалла, расположенной ниже плоскости скольжения на одно межатомное расстояние. Таким обраном, смещение краевой дислокации приводит к последовательному переходу атомов на плоскости скольжения в новые положения равновесия, т. е. приводит к возникновению пластической деформации.

Как видно из приведенной схемы, направление пластического сдвига параллельно направлению движения краевой дислокации. Заметим, что одно и то же смещение одной части монокристалла относительно другой вдоль плоскости скольжения создается противоположным смещением положительных и отрицательных дислокаций.

Схема винтовой дислокации приведена на рисунке 8. В области винтовой дислокации кристаллографические плоскости, перпендикулярные к плоскости скольжения, получают изгиб. Схематично возникновение винтовой дислокации можно представить следующим образом: часть кристаллической решетки разрезана но плоскости скольжения, и разделенные участки смещены один относительно другого на одно межатомное расстояние, показано рисунке 8. Образующаяся при этом зона изогнутых кристаллографических поверхностей, с обеих сторон граничащая с участками, имеющими правильное кристаллическое строение, является зоной силового влияния винтовой дислокации.

Линия, находящаяся в плоскости разреза и проходящая в зоне наибольшего искажения решетки, называется линией винтовой дислокации. Движение линии винтовой дислокации в плоскости скольжения вызывает поперечное смещение атомов в новые положения равновесия. Таким образом, если движение краевой дислокации дает пластический сдвиг в том же направлении, в котором движется дислокация, то движение винтовой дислокации дает пластический сдвиг в направлении, перпендикулярном к направлению движения дислокации.

Пробег винтовой дислокации от одной внешней границы моно-кристалла до другой вызывает смещение одной части монокристалла относительно другой в плоскости скольжения на одно межатомное расстояние.

Дислокация данного типа названа винтовой вследствие того, что смещенные из положений равновесия атомы располагаются в пространстве по винтовой линии. Сказанное можно пояснить рисунок 9. На этом рисунке показано расположение атомов в двух смежных атомных плоскостях, одна из которых расположена в плоскости скольжения. Белыми кружочками обозначены атомы, расположенные в плоскости скольжения (см. рисунок 8), а черными -- атомы, расположенные в смежной параллельной плоскости, находящейся выше плоскости скольжения. Атомы, находящиеся в рядах от 1-го до 5-го и от 9-го до 14-го, образуют правильную кристаллическую решетку. Атомы же, расположенные в рядах от 5-го до 9-го, смещены из положений равновесия и располагаются по винтовой линии, схематично показанной на рисунок 9, б, закручиваясь вокруг линии дислокации SC. Дислокация, как и резьба винта, может быть правой или левой в зависимости от направления движения по винтовой линии при переходе от атомов верхнего горизонта к атомам нижнего горизонта около линии дислокации. Изображенная на рисунках 8 и 9 дислокация является левой винтовой дислокацией, так как линию дислокации при движении сверху вниз следует обходить по спирали против часовой стрелки.

Для того чтобы движение дислокаций могло приводить к пластической деформации монокристалла, необходимо, чтобы линия дислокации выходила на поверхности монокристалла или же образовывала замкнутую петлю.

Замкнутые петли дислокаций могут быть составлены из краевых дислокаций или образованы из краевых и винтовых дислокаций. Они могут быть замкнутыми криволинейными, когда на некоторых участках петли будут так называемые смешанные дислокации, при которых нарушения правильности взаимного расположения атомов имеют признаки, свойственные и краевым, и винтовым дислокациям.

Рисунок 8. Рисунок 9.

Переползание дислокаций.

Краевые и винтовые дислокации могут перемещаться из одной плоскости скольжения в другую, ей параллельную.

Различают движение дислокации и переползание дислокации. Применительно к краевым дислокациям движение дислокации характеризуется смещением дислокации вдоль одной плоскости скольжения, причем размеры дополнительной атомной плоскости остаются неизменными. Переползание краевой дислокации дает переход дислокации из одной плоскости скольжения II другую, ей параллельную, причем размеры дополнительной Плоскости изменяются за счет переноса вещества путем диффузии.

Для перехода краевой дислокации в расположенную выше Р0ССД1ПО1р плоскость скольжения необходимо, чтобы цепочка атомов на самой кромке добавочной плоскости ушла в глубь монокристалла путем диффузии (положительное переползание). Для перехода краевой дислокации на нижележащую соседнюю плоскость скольжения необходимо, чтобы к краю добавочной плоскости за счет диффузии присоединился один атомный ряд.

Так как диффузия есть термически активируемый процесс, тр переползание также является термически активируемым процессом, скорость протекания которого существенно зависит от температуры, возрастая с увеличением последней.

Переползание дислокации, связанное с изменением межатомных расстояний, вызывает деформацию кристаллов, а при интенсивном переползании и направленной (вследствие воздей¬ствия внешних сил) диффузии атомов может являться источником возникновения пластических деформаций.

Так как винтовые дислокации не имеют «лишних» атомных плоскостей, то переползание винтовой дислокации не требует переноса вещества путем диффузии и переход винтовой дислокации на новую плоскость скольжения осуществляется сравнительно беспрепятственно.

Список использованной литературы

1. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория обработки металлов давлением».

2. И. И. Иванов, А. В. Соколов, В. С. Соколов «Основы теории обработки металлов давлением», 2011.

3.Шестаков Н. А. «Расчет процессов обработки металлов давлением в Mathcad», 2008.

4.Сторожев М. В., Попов Е. А. «Теория обработки металлов давлением». Изд. 4-е, перераб. и доп. -М., «Машиностроение», 1977.

Использованные современных пакетов компьютерных программ и технологий:

Microsoft Office 2010

ABBYY FineReader 10

Adobe Reader X

Kompas 3D 14V

Mathcad 14

Размещено на Allbest.ru