Теоретическое введение

Деформация равномерна, если во всех точках деформируемого тела в каждый момент времени деформации будут одинаковы по величине и направлению. В общем случае при всех процессах обработки металлов давлением, в том числе и при прокатке, деформация всегда неравномерна (неоднородна) - в различных точках пластически деформируемого тела наблюдаются различные значения деформации.

При неравномерной деформации отдельные слои и элементы тела стремятся к различному изменению размеров и, вследствие сплошности тела, оказывают воздействие на соседние слои и объемы металла. Как результат такого воздействия, в деформируемом теле, кроме внутренних сил, уравновешивающих приложенные внешние силы, возникают дополнительные взаимно уравновешивающиеся внутренние силы и соответствующие им дополнительные напряжения.

Согласно положению С.И. Губкина, в слоях и элементах пластически деформируемого тела, стремящихся к большему изменению размеров, возникают дополнительные сжимающие напряжения, а в слоях и элементах тела, стремящихся к меньшему изменению размеров, возникают дополнительные растягивающие напряжения.

Возникшие в теле дополнительные напряжения могут сохраняться как остаточные напряжения (вызывая снижение пластичности металла, искажение формы тела, например, его коробление) или сниматься в результате пластической деформации; чаще всего дополнительные напряжения снимаются в результате нарушения целостности тела в отдельных его слоях и элементах при возникновении микро- и макротрещин, что приводит к браку полупродукта или готовой продукции.

При продольной прокатке неравномерность деформации наблюдается по всему объему деформируемого тела, следовательно, имеет место неравномерность деформации по ширине и высоте прокатываемой полосы.

Неравномерность деформаций вызывается следующими причинами:

1. Силами трения, действующими на контактной поверхности образца и препятствующими относительному смещению деформируемого металла относительно поверхности инструмента.

2. Формой образца: с ее усложнением неравномерность деформации увеличивается.

3. Формой инструмента: с усложнением формы рабочей поверхности инструмента неравномерность деформации увеличивается.

4. Различием механических свойств в объеме образца или
различием напряжения течения материала в разных зонах объема
образца, что может быть вызвано, например, неравномерностью химического состава или температуры в этих зонах.

Рассмотрим эти причины подробнее. Степень влияния сил контактного трения и внешних зон на распределение деформаций, напряжений и скоростей движения частиц металла по объему прокатываемой полосы зависит от величины отношения длины дуги контакта к средней высоте сечения прокатываемой полосы .

Силы трения в полной мере проявляют себя на поверхности контакта металла с инструментом, по мере удаления от контактной поверхности их действие ослабевает. Следствием этого является неравномерность деформации по высоте прокатываемой полосы. Неравномерность деформации по ширине полосы обусловлена тем, что силы контактного трения, величина которых зависит от многих факторов, не одинаковы в продольном и поперечном направлениях контактной зоны «металл - валок».

В подавляющем большинстве случаев форма исходной заготовки не соответствует форме зазора между валками, и это обстоятельство приводит к неодинаковому обжатию отдельных частей полосы и, следовательно, к неравномерности деформации.

Как было отмечено выше, различные части деформируемого тела стремятся к различному изменению своих размеров, что вызывает появление дополнительных напряжений. Величина этих напряжения обратно пропорциональна площади участков, на которой они действуют: чем меньше площадь участка, тем больше величина напряжений, действующих на этом участке и наоборот.

В процессе деформирования дополнительные напряжения суммируются с напряжениями, вызванными действием внешних сил. Поэтому в действительности схема главных напряжений часто существенно отличается от схемы напряжений, обусловленной приложенными внешними силами.

Неоднородность физико-химических свойств деформируемого тела может проявляться в микро- и макрообъемах, будучи вызванной зональной ликвацией, неоднородностью свойств зерен металла, неравномерным прогревом заготовки по сечению и т.д.

Участки полосы, имеющие низкое сопротивление деформации, деформируются в большей степени, чем участки с более высоким сопротивлением деформации. Такая неравномерность деформации вызывает появление значительных дополнительных напряжений, действие которых может привести к нарушению сплошности отдельных элементов деформируемой полосы.

Неравномерность деформации особенно следует учитывать при горячей прокатке крупных слитков и литых заготовок из низкопластичных сплавов, так как в этих условиях наиболее вероятно возникновение дефектов: разрушение (раскрытие) слитков вдоль горизонтальной оси, появление трещин на поверхности, разрывы боковых граней. Предотвращению образования подобных дефектов способствует использование слитков с гомогенной (равномерной) структурой и равномерный нагрев металла перед прокаткой.