Лист 0,5 мм

Основным требованием, предъявляемым к стальному листу, является его пригодность к штамповке и последующей эксплуатации. Выявление этой пригодности материала к той или иной штамповочной операции весьма сложно и требует проведения целого ряда испытаний, основными из которых являются следующие:

1) общие - установление формы, размеров и состояния поверхности листа;

2) химические - определение состава и сопротивляемости коррозии;

3) металлографические - исследование макро- и микроструктуры;

4) механические - определение твердости, предела текучести; временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и сужения, а также модуля упрочнения;

5) технологические - выявление способности металла к пластической деформации.

 

Внешний вид, форма и размеры листового материала

По форме, размерам и допускам листовой материал должен удовлетворять нормам соответствующих стандартов на сортамент данного материала. В зависимости от характера операций листовой штамповки требования, предъявляемые к форме и размерам материала, являются различными. Так, к материалам, предназначенным для вытяжных работ, предъявляются более жесткие требования к равномерности по толщине и к допуску на толщину.

Поверхность материала при визуальном осмотре должна быть совершенно гладкой, чисто прокатанной, без складок, закатов, плен, пузырей, грубых царапин, трещин, раковин, расслоений и др. Кроме того, она должна быть совершенно свободной от ржавчины, окалины и всевозможных вкраплений или неметаллических включений не только до штамповки, но и после нее.

 

Химический анализ листового материала

При химическом анализе устанавливается число и процентное содержание отдельных элементов в металле, предусмотренное ГОСТом. Надлежащий химический состав материала является важным условием обеспечения качественной штамповки.

К химическим исследованиям относится также испытание материала на сопротивляемость коррозии, мерой которой является потеря массы металла на 1 см² его поверхности в определенной среде за некоторый промежуток времени.

Для определения способности материала к пластическому деформированию весьма важное значение имеет металлографическое исследование (макро- и микроструктура). Исследование макроструктуры позволяет обнаружить в металле волокнистость, усадочные раковины, рыхлости, пустоты, трещины, шлаковые включения, а также установить характер поверхности среза при вырубке, направление волокон при гибке, вытяжке и других операциях, наличие разрывов и начавшихся трещин.

Исследование микроструктуры является более универсальным средством определения пригодности материала для штамповки. Оно устанавливает характер структуры (равноосность и равномерность зерен), размер зерен, наличие или отсутствие в стали строчечности, перлита (пластинчатый, зернистый) и т. д.

Наиболее благоприятной структурой стали, обеспечивающей высокую ее пластичность - штампуемость, является ферритная структура либо структура феррита и зернистого перлита. Пластинчатый перлит хотя деформируется удовлетворительно, но при штамповке дает худшие результаты, чем зернистый. Находящийся в листовой стали углерод в виде свободного цементита (Fe₃C) является вредной структурной составляющей и отрицательно влияет на вытяжные свойства металла. Структурно свободный цементит в листовой стали оценивается по ГОСТ 5640-68 в зависимости от протяженности его включений по шестибалльной шкале при увеличении в 500 раз.

Одним из важнейших факторов, определяющих пригодность материала к той или иной штамповочной операции, является размер зерна, влияющий на пластичность и на состояние поверхности заготовки. Размер зерна оценивается по баллам путем сравнения с микрофотографиями, приложенными к соответствующим ГОСТам. Металлы с очень мелким или крупным зерном обладают низкой пластичностью на, вытяжных операциях. Крупнозернистая структура материала приводит к образованию шероховатой поверхности отштампованной детали. Размер зерна в значительной степени влияет и на механические качества материала и изготовляемой детали. Крупнозернистый металл обладает меньшей прочностью и твердостью по сравнению с мелкозернистым.

Микроструктура тонколистовой стали регламентируется ГОСТ 5639-82 по восьмибалльной шкале при увеличении в 100 раз.

Наиболее благоприятным материалом, особенно для вытяжных работ, в зависимости от толщины листа является материал с размерами зерна в пределах 6-8 баллов по ГОСТу. При этом для малоуглеродистой листовой стали толщиной до 1,5-2,0 мм размер зерна (по диаметру) составляет 0,026-0,037 мм, что соответствует 7-6 баллам по ГОСТу, для листов толщиной от 2 до 4-5 мм-0,037-0,052 мм, что соответствует 6-5 баллам по ГОСТу. Степень разноосности до’лжна составлять для группы стали ВГ - 1,2, а для групп Г и Н - 1,4-1,5 (ГОСТ 16523-89), что способствует улучшению качества поверхности листа.

 

Механические свойства

Испытание на растяжение. В практике механических испытаний установился ряд общепринятых характеристик материала, получаемых при его разрыве растяжением. К числу наиболее важных характеристик материала, определяющих его пригодность к листовой штамповке, относятся показатели прочности [предел текучести σ_т, временное сопротивление разрыву σ_в, истинное сопротивление разрыву S_в(σ_ш)], показатели пластичности (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ,

истинное относительное удлинение

полное относительное удлинение

истинная деформация в устойчивой зоне растяжения - равномерная деформация - ψ_в, е_в и е_{в полн}) и связанной с ними твердости, а также модуль упрочнения П. Чем больше значения ψ, е, е_полн, и ψ_в, е_в, е_{в полн} тем выше штампуемость металла. Чем больше П, тем большей склонностью к упрочнению обладает металл.

В табл. ниже приводится классификация стали по механическим и технологическим свойствам, в соответствии с приведенными основными характеристиками.

Для испытания листовых материалов, предназначенных для листовой (холодной) штамповки, применяют плоские образцы. Испытание проводят на обычных разрывных машинах илй с применением соответствующих приспособлений к ним.

Методика и образцы для испытания на растяжение изготовляются согласно ГОСТ 11701-84. Форма и размеры образца приведены на рис. 1.

Рис. 1. Плоский образец для испытания на разрыв

Следует указать, что на временное сопротивление разрыву σ_в размер и форма образцов влияния не оказывает. Относительное же удлинение δ резко изменяется с изменением соотношения между поперечным сечением образца и его длиной, поэтому обязательно следует выдерживать стандартный размер образца, расчетная длина которого l₀ определяется (при 10-кратном образце) по формуле lо₁₀ = 11,3√F₀ = 11,3√b₀s₀ , а при 5-кратном образце по формуле

 

(1)

 

 

где b₀ - первоначальная ширина образца, мм; s₀ - первоначальная толщина образца, мм.

При испытании плоских образцов первоначальное прямоугольное сечение образца F₀ искажается, что представляет известное затруднение для определения площади сечения после разрыва F₁ Поэтому площадь поперечного сечения шейки вычисляется по приближенной формуле

F₁ = b₁(s₁ + s₂ + 2m)/4               (2)

или по более точной зависимости

F₁ = b_cpscp                                 (3)

Здесь b₁ - наибольшая ширина образца в месте разрыва, мм (см. рис. 1); s₁ и s₂ - наибольшие толщины на концах сечения, мм; m - наименьшая толщина в средней части сечения, мм; b_cp и s_cp - средние значения по ширине образца (по трем замерам) и по толщине образца (при 6-8 замерах), мм.

На рис. 1 обозначены: _l0 - расчетная длина; l - гарантированная (расчетная) длина; h₁ - расстояние от выступа до начала закругления; h - длина головки, равная 50-70 мм; L - общая длина образца; b₀ - ширина образца (берется по ГОСТу в зависимости от толщины s₀; В - ширина головки образца.

Пригодность материа/пов, предназначенных для листовой штамповки, определяют не по условным характеристикам σ и δ, а по истинным (или эффективным) напряжениям и деформациям.

По результатам обработки данных испытаний плоских образцов на растяжение строятся соответствующие диаграммы (кривые) истинных напряжений и деформаций, которые можно выразить соответствующим уравнением, обычно в виде степенной зависимости

σ_s=Cεⁿ                         (4)

где C и n - постоянные величины для данного металла; е - величина деформации любого вида.

Эти кривые строятся либо в координатах σ_s и ψ (кривые второго вида), либо в координатах σ_s и ε. В первом случае уравнение кривой упрочнения представляется в виде

а во втором случае - в виде

Здесь σ_si - напряжение текучести - истинное напряжение в любой момент растяжения образца, МПа; ψi - относительное сужение в любой момент растяжения образца в относительных единицах; еi - истинное относительное удлинение в любой момент растяжения образца в относительных единицах.

В некоторых случаях для упрощения расчетов вместо кривых упрочнения пользуются условной, так называемой «экстраполированной», прямой упрочнения в координатах σ_s и ψ, тогда

 

 

 

 

где σ_to - «экстраполированный» предел текучести при растяжении, равный σ_в (1-2ψ_в)/(1-ψ_в)²; П - модуль упрочнения, равный σ_в/(1 - ψ_в)².

Отметим, что напряженно-деформированное состояние при растяжении плоских образцов можно установить по искажению квадратной координатной сетки, которая была нанесена при помощи намазанного валика и координатной пластинки до начала испытания.

Испытание на твердость. Это испытание применяется преимущественно для определения прочностных характеристик металла σ_т и σ_в. Испытание на твердость осуществляется на специальных приборах по способам Бринеля, Роквелла и Виккерса.

Испытанию твердости по Бринелю (НВ) подвергается листовой металл толщиной не менее 2 мм, так как при более тонких металлах на результатах испытания сильно сказывается твердость подставки самого прибора.

На приборе Роквелла можно испытывать листовой металл не тоньше 0,5 мм, если испытания производятся шариком с диаметром 1,59 мм (шкала В, для мягкого металла) и не тоньше 0,8 мм, если испытания производятся алмазным конусом с углом 120±1,5° (шкала С, для твердого металла). Для более тонкого листового металла этот способ не дает точных результатов.

Для испытания на твердость тонких листов толщиной от 0,15 мм и выше применяют прибор Виккерса (HV). Испытания производятся алмазным наконечником в форме квадратной пирамиды с углом при вершине в 136° под действием нагрузки в зависимости от толщины и твердости материала в пределах 50- 1200 Н. Для получения данных о твердости материала толщиной менее 0,15 мм применяют методы испытания так называемых малых нагрузок и на микротвердость.