Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы большое внимание уделяется развитию нанотехнологий, которые были определены наиболее приоритетными направлениями развития в науке и технике. На государственном уровне нанотехнологий были обозначены национальной программой развития данной научной отрасли. Значительно вырос интерес к получению объемных наномате-риалов с помощью различных методов интенсивной пластической деформации (ИПД), с помощью которых можно произвести существенное измельчение микроструктуры металлов и сплавов до наноразмеров, когда средний размер зерна будет измеряться десятками нанометров. Объемные наноматериалы, полученные методами ИПД при равноканальном угловом прессовании (РКУП), характеризуются уникальными физико-механическими свойствами, например, повышением предела прочности в 1,5-2,5 раза, при сохранении достаточной пластичности (около 10-15%).
Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) при РКУП является сложным для его описания методами математического моделирования, поскольку поведение материалов в данном случае является нелинейным многофакторным процессом. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо получить корректное описание процесса РКУП в зависимости от параметров и режимов деформирования. Неравномерность накопленных пластических деформаций по объему заготовки, многопроходная схема деформирования и ряд других факторов требуют более полного теоретического исследования этого процесса, которое возможно с применением современных численных методов, способствующих уменьшению затрат на проведение дорогостоящих экспериментов.
Несмотря на то, что в области РКУП отечественными и зарубежными учеными выполнено значительное количество исследований по изучению свойств объемных наноматериалов, проблема исследования НДС и свойств данных материалов при переменных напряжениях остается актуальной по сей день. Детальное теоретическое изучение процесса позволяет выработать рекомендации по изменению, параметров ИПД, при которых можно получать объемные наноматериалы с более равномерным распределением полей пластических деформаций по объему и учитывать историю нагружения при многопроходное исследуемого процесса. Исследование свойств материалов при переменных напряжениях, влияния концентрации напряжений в деталях из объемных наноматериалов позволят выработать рекомендации по использованию данных материалов вместо дорогостоящих сплавов.
Работа была выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)».
Цель работы. Целью работы является разработка методики расчета полей пластических деформаций в деталях из объемных наноматериалов, полу-
ченных при РКУП, и выявление их влияния на усталостную прочность при наличии концентраторов напряжений.
Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:
Разработать методику расчета полей накопленных пластических деформаций в объемных наноматериалах при многократном деформировании заготовок различных поперечных сечений путем РКУП.
Установить влияние конструктивных параметров штампа при РКУП на распределение полей пластических деформаций. Выявить влияние масштабного фактора на равномерность распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки.
Выявить влияние концентрации напряжений в деталях на распределение напряжений и деформаций, с учетом истории нагружения в объемных наноматериалах, полученных при РКУП, при переменных напряжениях.
Установить закономерности чувствительности деталей из объемных титановых наноматериалов к концентрации напряжений при переменных напряжениях.
Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:
Методика расчета полей накопленных пластических деформаций в объемных наноматериалах при многократном деформировании заготовок различных поперечных сечений путем РКУП.
Влияние конструктивных параметров штампа при РКУП на распределение полей пластических деформаций.
Влияние масштабного фактора на равномерность распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки.
Влияние концентрации напряжений в деталях из объемных наноматериалов, полученных при РКУП на распределение напряжений и деформаций, с учетом истории нагружения при переменных напряжениях.
Закономерности чувствительности деталей из объемных титановых наноматериалов к концентрации напряжений при переменных напряжениях.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработана методика численного моделирования расчета полей пластических деформаций при РКУП, заготовок различных поперечных сечений с учетом взаимодействия со стенками штампа, перестроения сетки конечных элементов (КЭ), увеличения количества элементов в местах большого градиента деформаций, учитывающая историю нагружения, при многократном деформировании заготовок в трехмерной постановке задачи. Данная методика в отличие от имеющихся, позволила дать более качественное описание НДС заготовок для последующего выявления влияния процесса РКУП на прочность деталей полученных из объемных наноматериалов.
2. Выявлено влияние формы сечения заготовки и масштабного фактора
на распределение полей пластических деформаций при РКУП, установлен диа
пазон оптимальных размеров канала штампа, с точки зрения распределения на
копленных пластических деформаций в заготовке. Полученные результаты
численных исследований процесса РКУП позволили установить, что:
конструктивные параметры штампа процесса РКУП оказывают существенное влияние на характер распределения накопленной пластической деформации в заготовках. Установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения уровня и распределения накопленных пластических деформаций являются наружные радиусы сопряжения каналов штампа, составляющие 6-20%, и внутренние радиусы 3-15% характерного размера поперечного сечения заготовки. С увеличением трения происходит снижение максимального уровня накопленных пластических деформаций по объему заготовки;
на распределение накопленных пластических деформаций значительно влияет жесткость и пластичность материала;
выработаны рекомендации по назначению конструктивных параметров штампа РКУП, при которых достигается наибольший уровень и равномерность накопленной пластической деформации по объему заготовки в зависимости от масштабного фактора. Установлены наиболее оптимальные размеры канала штампа РКУП для заготовок круглого и квадратного поперечного сечений.
Впервые была исследована усталостная прочность образцов из объемного наноструктурного титана в зависимости от полей накопленных пластических деформаций без и при наличии концентрации напряжений. Выявлено, что предел выносливости наноструктурного титана возрастает на 50% в сравнении с исходным состоянием. Установлено, что наноструктурный титан имеет повышенную чувствительность к надрезу- (q=0,33-^-0,53) в сравнении с обычным крупнозернистым (КЗ) аналогом (
Показана возможность использования более дешевого наноструктурного чистого титана вместо титанового сплава для изготовления резьбовых деталей.
Методы исследований основаны на использовании:
известных уравнений теории упругости и пластичности;
стандартизованных методов исследования малоцикловой и многоцикловой усталостной прочности материалов;
экспериментальных данных, позволяющих исследовать пластичность и разрушение металлов при произвольных законах изменения скорости деформирования, трения и геометрических характеристик канала.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, основывается на фундаментальных положениях, корректном
использовании современных экспериментальных и численных методов деформирования твердого тела и подтверждается:
решением большого числа тестовых задач;
сравнением получаемых решений с известными численными и экспериментальными результатами;
сравнением получаемых решений с известными результатами моделирования численными методами на основе других систем уравнений.
Практическая ценность работы. Разработанная методика моделирования процесса РКУП позволяет на основе расчетных и экспериментальных исследований прогнозировать формирование и однородность распределения полей накопленных пластических деформаций по объему заготовок.
Численные результаты исследования НДС заготовки в процессе РКУП, полученные автором, позволили произвести оптимизацию параметров процесса РКУП, а так же дали возможность предсказывать распределение полей накопленных пластических, деформаций в деталях из объемных наноматериалов, что, в свою очередь, позволило определить рациональные силовые и конструктивные параметры оснастки для РКУП, используемой в УГАТУ.
Результаты моделирования процесса получения объемных наноструктур-ных материалов путем РКУП могут быть использованы для определения НДС в заготовках и, как следствие, предвидения структурного состояния материалов, отрабатывать новые схемы деформирования без проведения дорогостоящих экспериментов, при получении данных материалов.
Результаты исследования усталостной прочности деталей с концентраторами напряжений из объемных нанострукхурных материалов могут быть использованы при расчете долговечности элементов конструкций из нанострук-турных материалов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: 20-22 марта 2006 г., Российская научно-техническая конференция Мавлютовские чтения, г. Уфа; 8 декабря 2006г., Проблемы машиноведения и критических технологий в машиностроительном комплексе Республики Башкортостан, г. Уфа; 14-18 августа 2007г., Международная научно-практическая конференция «Объемные наноструктурные материалы 2007: от науки к инновациям (BNM 2007)», г. Уфа; 24 декабря 2008г., Проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 9 печатных работах, в том числе 3 в рецензируемых из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Содержит 140 страниц машинописного текста, включающего 100 рисунков, 4 таблиц и библиографический список из 103 наименований.
