Медленное формоизменение малопластичных анизотропных листовых материалов при повышенной температуре Жукова, Наталья Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы. Многослойные листовые конструкции из титановых, алюминиевых сплавов перспективны для изготовления узлов летательных аппаратов высокой удельной прочности и низкой металлоемкости. Технологические методы производства их в настоящее время связаны с'трудоемким! процессами механической обработки резанием, электрофизической обработки, пайки, прокатки, сварки плавлением, клепки, формоизменяющими операциями обработки металлов давлением.

Новый -нетрадиционный подход к технологии изготовления многослойных конструкций заключается в совмещении медленного горячего формоизменения и диффузионной сварки, который дает возможность значительно снизить удельные усилия штамповки и достичь больших степеней деформации.

Существующие методы расчета технологических параметров, а также известные феноменологические модели деформируемости материала в этих процессах основаны на использовании или теории пластичности или теории ползучести. Однако, при реализации медленного горячего формоизменения пластические деформации и деформации ползучести становятся соизмеримыми.

Заготовки, используемые при изотермической штамповке, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая оказывает существенное влияние на технологические параметры процессов 'обработки металлов давлением как при пластическом деформировании, реализуемом на традиционном прессовом оборудовании, так и при медленном деформировании, осуществляемом в реяиме ползучести.

Широкое внедрение в промышленность газостатической формовки для получения многослойных листовых конструкций сдергивается недостаточно развитой' теорией медленного деформирования при по-.вышенных температурах с учетом реальных свойств материала.

Настоящая работа посвящена развитию теории формоизменения анизотропного листового материала в ре:хнме кратковременной ползучести. Предложена математическая модель и условие локализации деформации (иейкообразоваипя) анизотропного материала при медленном, горячем деформировании . Выполнен теоретический анализ

Напряженно-деформированного состояния заготовки, определены предельные возможности формоизменения при свободном и несвободном ползуче-пластическом деформировании в клиновидную матрицу узкой прямоугольной мембраны из анизотропного материала. Приведены примеры использования полученных результатов в опытном производстве.

Работа вшіоляена в соответствии с постановлением ПШТ СССР & 312 от 20.03.91 по разделу "Технологии, машины и производство будущего" проект 0.06.02.0405, по Российской научно-технической программе "Ресурсосберегающие технологии машшост- " роения" (приказ 'Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы й 224 от 19.03.91} раздел "Разработка научных основ высокопроизводительных, ресурсосберегающих технологических процессов обработки анизотропных листовых материалов при повышенных температурах", по грантам "Теория пластического формоизменения при повышенных температурах современных конструкционных материалов для получения многослойных листовых конструкций М" (1993, IS94 г.г.), а такие хозяйственным договорам с рядом предприятий России,

Цель работы. Разработка математической модели медленного деформирования анизотропного материала при повышенных температурах дія научно-обоснованного выбора, технологических параметров дневмоформовки листовой заготовки, обеспечивающих высокое качество готовых изделий.

Методы, исследования. Теоретические наследования напряженного и деформированного.состояния заготовки выполнены на базе теории пластичности и ползучести анизотропного материала, критерий локальной потери устойчивости листового материала сформулирован на основе постулата устойчивости Друкера для роо-номных сред. Яри проведении экспериментальных исследований механических свойств исходного материала в областях пластических деформаций и деформации ползучести использовались современные универсальные машины " JljStron ". д А1МА-Ь>2, а обработка опытных данных осуществлялась методами математической статистики. Создано программное обеспечение для выполнения теоретических расчетов я обработки экспериментальных данных на персональном компьютере IBM PC.

Автор защищает математическую модель поведения анизотропного листового материала при медленном горячем формоизменении, критерии локальной потери устойчивости при кратковременной ползучести, результаты теоретического исследования процесса свободного и несвободного деформирования в клиновидную матрицу узкой прямоугольной мембраны из анизотропного материала, установленные зависимости влияния анизотропии механических свойств исходного материала,' закона нагружения, геометрических размеров заготовки и инструмента _йа напряженное и деформированное состояния и предельные степени деформаций, связанные с локализацией деформации; результаты экспериментальных исследований характеристик анизотропии механических свойств и параметров уравнения состояния алюминиевого сплава ЛМгб в областях пластической деформации и деформации ползучести при температуре испытаний 450 С и 530С, программное обеспечение теоретических расчетов и обработки опытных данных.

Научная новизна.

I. Получены основные соотношения для расчета технологических параметров процессов медленного деформирования при повышенных температурах обработки в условиях ползуче-пластического течения анизотропного материала.

.2. Предложен критерий локальной потери устойчивости, позволяющий предсказать предельные степени .деформации в условиях ползуче-пластического течения, учитывающий анизотропию механических свойств материала.

3. Установлены закономерности изменения силовых и деформа
ционных параметров и предельные возможности формоизменения в
процессах двухосного растяжения листовой заготовки, свободного
выпучивания прямоугольной мембраны и формовки последней в кли
новидную матрицу в зависимости от геометрических размеров заго
товок и инструмента, анизотропии механических свойств материала

и изменения закона нагружения во времени.

4. Получены количественные характеристики механических
свойств и параметров уравнений Состояния при пластической де
формации и деформаций ползучести'алюминиевого сплава Амгб.

Практическая ценность п реализация^ jiadOTH.

Результата теоретических исследования позволяют вибрать научно-обосновашше технологические параметры ведения процесса пневмоформовки. Эти результаты исследований использованы НПО '"ТЕХШДАШ" при разработке новых технологических процессов изготовления двухслойных листовых радиаторов из алюминиевого сплава с внутренними каналами цилиндрического типа для циркуляции жидкого дли'газообразного теплоносителя. Внедрение предлагаемых технологических процессов изготовления радиаторов позволит обеспечить снижение массы узла на 20...305», повысить выход годных радиаторов с 20...30$ до 90 % ,' сократить в 1,5...2 раза трудоемкость изготовления.

Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные раздали лекционного курса "Новые методы обработки металлов давлением", а также использованы в исследовательских дипломных проектах.

Апробация работы.

Результаты доследований доложены на научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов давлением" (г.Киев, 16-17 февраля 1993 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (г.Москва, 7-8 апреля 1993 г.), на Российской научно-технической конференции "Новые материаш и технологии машиностроения" (г.Москва,-18-19 ноября 1993 г.), на Международном конгресса "Конверсия,-наука и образование" (г.Тула, 25-27 мая 1993 г.), а также'на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского,государственного технического университета (г.Тула, I99I-I994 т.?.).

Публикации. По материалам диссертация опубликовано 8 печатных работ. ' .

Структура и объем, работы.. Диссертация состоит из нзедонил.. 4 глав и заключения, списка литературы, приложения. Работа выполнена на 129 страницах машинописного"текста, содержит 46 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 137 наименований. Общий объем работы - 207 страниц.

Во тапденщ] обосновала актуальность теин исследований, ее научная новизна, практическая ценность работы я кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса по теории деформирования материалов при повышенных температурах, анализируется темноратурцо-скоростные условия обработки металлов давлением с- нагревом я предпосылки их учета.

На основании проведенного обгзора работ установлено, что при горячем формоизмеяснии на традиционном оборудования обра-сатываший материал проявляет склонность к деформационному и скоростному упрочнению. В условиях медленного горячего дефор-гшрозаняя в зависимости от температуры обработки и величин напряжений, возникающих в заготовке' при ^ордгапзменешш, пластические деформации и деформации ползучести могут быть соизмерим¹,!, Анализ силовых и деформационных параметроз технологических процессов, протекающих в таких условиях, долхйн осуществляться на основе теории пластичности и ползучести. При этом су-асственное влияние на выбор технологических режимов процессов сказывает анизотропия механических свойств, которая может быть различной в областях пластической деформации и деформации ползучести.

Значительный вклад в развитие теории пластичности, ползучести, методов анализа обработки металлов давлением и критериев локальной потери устойчивости изотропных и анизотропных материалов знесли Ю.Ц.Арышенский, В.Д.Головлев, Ф.В.Гречников, Г.Я.Гун, Г.Д.Дель, Д.Друкер, Г.Закс, А.А.Ильюшин, Ю.Г.Калпип, Л.U.Качалов, М.А.Колтунов, В.Д.Кухарь, Д.Лубан, Н.Н.Малишш, А.Д.Матвеев, С.Г.Милейко, Л.Г.Овчинников, С.С.Одинт, Е.А.Попов, Ю.Н.Работнов, И.П.Ренне, К.И.Романов, Ф.И.Рузанов, Г.Свифт, Е.И.Семенов, И.А.Смарагдов, О.В.Соснин, Л.Г.Степанс-кий, А,Д.Томлонов,'Е.П.Унксов, В.НЛудян, С.П.Яковлев и другие.

Однако, в настоящее время отсутствуют исследования процессов медленного деформирования при повышенных температурах в рамках теории кратковременной ползучести изотропных и анизот-

ропшх материалов. Вопрос об одновременной влиянии характеристик анизотропии материала в области пластических деформации я деформации ползучести на технологические параметры процессов обработки металлов давлением практически не изучен. Локальная потеря устойчивости анизотропных листовых материалов при повышенных температурах рассматривалась без учета одновременного влияния пластических и вязких свойств.

Для успсашого внедрения в производство ТЄХНОЛОГІГЧ0СКИХ процессов паезмаформовки анизотропных листових заготовок при повышенных температурах в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выбрать математическую модель поведения анизотропного листового материала при медленном деформировании в условиях повышенной температуры обработки. Сформулировать основные определяющие соотношения формоизменения анизотропного материала в условиях кратковременной ползучести.

2. Разработать критерии локаяьной потери устойчивости (ілеінхообразовашія) листового анизотропного материала при кратковременной ползучести. Установить влияние анизотропии механических езоіісгв исходного маториата в области пластической деформации и деформации ползучести, закона натруже^и: на папря-кенное и деформированное состояния заготовки и пр^.ельнне ьоз-мекксстп дзфоргшрезашш, связанные с локализацией деформации при двухосной раотямрнии листа.

3. Разработать методики и провзотн зкеперименталыше исследования по определение параметров уравнения состояния при кратковременной ползучести и характеристик анизотропии в области пластических деформации и деформации ползучести алшпниово- ' го сплава ЛІ.Ігб при повиданных температурах.

4. Выполнить теоретический анализ процессов свободного деформирования длинной узкой прямоугольной мембраны и её формо-из.менения в клиновидную-матрицу при скольжении анизотропного материала и в'случае прилипания материала к стеїшам матрицы

в режиме кратковременно]} ползучести,

5. Исследовать влияние анизотропии механических свойств исходного материала, закона нагрулюния, геометрических размеров заготовки л инструмента на напряженное и деформированное состояние, кинематику течения материала и предельные возможности

процесса пневмоюормовки в режиме кратковременной ползучести.

G. На основе результатов исследовании создать научно-обос-новашше рекимы ведения процесса пнсЕмоформовки панатей радиаторов из сплава АМгб для аэрокосмической техники.

Во второй главе лзлоясона разработанная математическая модель медленного горячего деформирования и критерий локальной потери устойчивости (шеіікообразования) листового анизотропного материала при кратковременной ползучести.

Механическая модель такого тела описывается последовательным соединением пластического и вязкого элементов, обуславливающая чисто ползучее течение, если интенсивность напряжений

<э_в меньше некоторой величины (. , соответствующей переходу материала в пластическое состояние, я ползуче-пластическое течение, если интенсивность напряжений G"e больше б». . В этом случае компоненты полной скорости деформации ^/ представляются в виде сумг.ш компонент скоростей пластической деформации

Ь?\ и компонент деформаций ползучести п :

"&/*$ , ⁽¹⁾

Компоненты скоростей пластической деформации f; и деформации пачзучести f_t/ определяются в соответствия с ассоциированными законами течения

р \ дл . „с ,, df*

_$г^к_{щ ч^щ * <«}

где fi№iy) я '/г(бії) - потенциалы скоростей пластических деформаций и скоростей деформаций ползучести; &п - компоненты тензора напряжений; A_f И А, - Коэффициенты пропорциональности.

Потенциалы скоростей пластических деформаций ^/) и скоростей деформации ползучести ^/) имеют вид соответственно

(3)

+2fit%l⁺2LT+2MT* . (4)

^ocbH.F ,&,*,L,M _и Й\ F',

N - параметры анизотропии в области пластических деформаций и деформаций ползучести.

В случае изотропного упрочнения материала при пластическоі деформации л деформации ползучести вводится понятие интенсивности напряжений и интенсивности скоростей деформации,

В частности, в области пластических деформаций величина интенсивности напряжений G находится по выражению'

+ г/?_уГ/?_>уг4^ад!^₂₁г/,))/[2^*ДкЗД1},⁽⁵⁾

а величина интенсивности пластической скорости деформации так

^^5Л^^г^^і^^^^г[(?_хр^г/^ ⁽⁶⁾

Заменяя коэффициенты анизотропии Йц , Rj , R_ty , Луї

на R, , Йу , Д,д, Ау_г ^и ^% (f~'»G^$* Н t W , Ь яп ), аналогично вводятся эти понятия ( <5_е и _е ) для области деформации ползучести.

Можно показать, что величины Лу и .Д» в этом случае могут быть определены по формулам .

В дальнейшем принимается, что уравнение состояния в области пластической деформации при выбранной- законе упрочнения (3"_а-= (з_В0*Л(С в )^т определяется соотношением

а в области деформации ползучести

J = fl/6-_f/6V)ⁿ, (8)

І?де /9 и, АЛ - константы кривой упрочнения; (зга - величина .інтенсивності! напряжений ^сотретствув'лая началу пластической цсфорпацни; Q и П -.константы кривой ползучести; Си - провіз ваяьная величина напряжения; e₉ = dff,/dt .

На основе постулата устойчивости Дпукера для реономшес іред установлен критерий локальной потери устойчивости анизотропного материала при кратковременной ползучести:

О)

где ^-І(^)³; ^"-EViW ;

J ..- і

с р

. Функции времени Й , fi , Vi определяются в результате решения конкретной технологической задачи.

В качестве примера использования предложенного критерия * локальной потери устойчивости исследован-процесс двухосного растяжения прямоугольной трансвероально-изотропной листовой заготовки,, изменяющейся во времени нагрузкой и скоростью перемещения захватных органов, в направлениях главных осей анизотропии X и У .

При решении поставленной задачи учитывается два возможных варианта протекания процесса двухосного растякешш листа: деформирование в режиме ползучести, переходящее со временем в ползуче-пластическое течение, и деформирование в условиях кратковременной ползучести.

Установлено' влияние анизотропии механических свойств материала в области пластической деформации и деформации ползучести, закона нагружешш заготовки на технологические параметры процесса.

В третьей гитане приведены результат экспериментального определения характеристик анизотропии механических свойств и параметров уравнения состояния при пластической .реформации и деформации ползучести для алюлішшвого' сшіава АМгб в состоянии поставки толщиной 5„ = I мм при температурах испытаний Г= 450С иТ = 530С. .

Температурные режимы испытаний выбраны на основе технологических режимов процессов пнёвмоформовки ( Т = 450С) и сварки давлением ( Т = 530С).

Для испытания использовались плоские образцы, вырезанные в рамках одного листа, под'углами О Г 45и 90 к направлению прокатки, по шесть штук кавдого вида. Образцы обрабатывались в специальных шаблонах. Перед растяжением образцов в зоне расчетной длины наносили далительную сетку в виде прямоугольника, алмазным индентором на измерительном микроскопе.

Растяжение образцов в условиях пластической деформации осуществлялось на универсальной испытательной'машине Instron ТТ-ДМ". а при изучении способности материала к вязкому формоизменению растяжение производилось постоянной во времени нагрузкой на испытательной установке. АША-5-2, предназначенной для испытаний металлов и сплавої на ползучесть и длительную

прочность. До и после испытания размеры ячейки на образцах измерялись на том ке микроскопе.

Величины коэффициентов анизотропии образцов, вырезанных под углами 0, 45и -90 по отношению к направлению прокатки, при пластической деформации R и деформации ползучести Rj определялись в области равномерной деформации образца.

Кривую упрочнения строили путем обработки индикаторных диаграмм в области равномерной деформации с учетом постоянства объема материала на базовой длина образца. Константы единой кривой упрочнения определяли по методу наименьших квадратов.

Одновременно находили следующие механические характеристики материала образцов, вырезанных под углом сі к направлению прокатки; условный предел текучести (^ , временное сопротивление' бд_А , относительное удлинение после разрыва 0^ , относительное сужение поперечного сечения после разрыва % , относительное равномерное удлинение Ор_А

Параметри уравнения состояния при деформации ползучести определяли с помощью метода наименьших квадратов ло начальным участкам кривых ползучести в логарифмической система координат.

В таблицах I и 2 приведены параметры уравнения состояния и величины коэффициентов анизотропии алюминиевого сплава Af.trG при пластической деформации .а деформации ползучести соответственно.

Таблица I

Таблица 2

В четвертой х'давй. изложены результати теоретического исследования свободного и несвободного .деформирования 'в клщювид-ную матрицу узкой прямоугольной анизотропной мембраны в процессе лзотершческой лнзвмоформовкя с учетом пластической деформации и деформации ползучести, оценены предельные возможности формоизменения, рассмотрены примеры использования результатов исследований в опытном производстве.

Анализируется процесс деформирования длинной узкой-прямо- ' угольной мембраны шириной 26 и начально!'! толщиной Ь. , закрепленной вдоль длинных сторон. !,!о.чбрана нагружается равномерным давление?.; р -, изменявшимся в процессе деформирования по закону p~p_i>i-Q_f,t^r'^/' , где Qp и Ир - параметры нагруже-ния.

Материал заготовки принимается анизотропным, ползуче-пластическим, изотропно-упрочняющимся, который подчиняется ассоциированному закону течения как в области -пластических деформаций, так и в области деформаций ползучести.

Предполагается, что направление длинной стороны мембраны совпадает с главно3 ссыэ анизотропии X (направлониз прокатки).

На рис.1 представлена схема деформирования мембраны. Здесь Л и р - половина угла раствора и радиус кривизны поверхности в деформированном состоянии.

Считаем, что положение главных осей анизотропии X , У и Е известно и они в любой момент деформирования совпадают с направлениями главных напряженій - осевого Су ', окружного <5*^ и радиального (v .

Pile. I.

Рис. 2.

Поскольку длина мембраны значительно превосходит ее ширину, реализуется случай плоской деформации,и, следовательно, скорость осевой деформации _х равна нулю _к = 0.

Принимаем, что срединная поверхность мембраны является частью поверхности кругового цилиндра, напряжённо-деформированное состояние - однородное і а также, что напряжения равномерно распределены по толщине мембраны.

do) (и)

и равно

Окружное напряжение <5_Лнаходится путем решения дифференциального уравнения равновесия

где р=/$ІП<к .

Толщину мембраны в деформированном состоянии /j , постоян
ную вдоль, дуги поперечного сечения, в дальнейшей олредоляем
по формуле: , _ч

а скорость окружной деформации - ко выражению ^:

_t= (V^-cfgoO'X , (із)

где J.--dd/dt

Радиальная скорость деформации fr находится из условия несжимаемости в скоростях деформации |>⁼"?t .

Осевое напряжение бх определяется из условия равенства
нулю скорости деформации в этом направления |- = 0, исполь
зуя соотношения связи скоростей деформации и напряжений в
области пластических деформаций и в области деформаций ползу
чести, по выражению:' &_х=Мбі ₍ (14)

Величина интенсивности напряжений (J_e оценивается по её величине в области деформации ползучести

Учитывая, чтс f_t =⁵ + %± ,

ltr-лП +

а также выражения (I), (2) и (3) получим следующее уравнение
для определения Л : _/

Ш-сідф-і^ЩіЩ Ы «*-*$ ^

Перемещение центра-мембраны W и скорость наибольшего прогиба V находятся до формулам:

л) *p-\fp^%-e^% - i(4-C8Sd)/slnd. V*dto/di ^(/-cospOd/sin¹¹**. .

Величина приращеїшя угла раствора dd на каждом этапе деформирования определяется путом. численного рещения урашен'ля (16) с учетом реальных условий протекания процесса (ползучее или ползуче-пластическое течение).

Подобный подход к решению задачи реализован при рассмотрении процесса пневмоформовки в идеально гладкую и идеально шероховатую матрицу в условиях кратковременной ползучести (рис.2

Предельные возможности процесса свободной шевмоформовкп нрп'оутольноіі мембраны могут быть ограничены локальной потерей устойчивости (шзйкообразовшшем) при деформировании в условиях ползучего течения или ползуче-пластического течения материала, которне оценивались по условию локальной потерн устойчивости при кратковременной ползучести (9),

Разработан алгоритм расчета и программное обеспечение для персонального компьютера IBM PC,

В результате расчетов определялись половина угла раствора
дуги ,{. при свободной яневмеформовжа или относительная длина
участка контакта х.= 5/ При формоизменении з клиновид-

ную матрицу, интенсивность напрямоння &е , интенсивность ско-
р-лстн деформации ползучести <;* и интенсивность скорости
:г;астичоскол деформации с'₅ величини осевого ( н округ
лого СГ» напряжений, тегапва заготовки Л . порсмегешів
центра мшбралк Ш і: скорость наї'больпізго прогиба 1Г з зави
симости от времени де формирования t „ нродельнне возмхкаюс-
т:т ннавчоформовкп, <'

І Іа рно.З л 4 приведены графические зависимости критического времени разрушения ivp , предельного угла раствора Ясії'р , относительной толщин: мембрани hvp-^xn.pr h₀ в момент локализации деформации (ireiiiuoCpaaoranrn) от нар^іетров нагрукеиип

0,,11 Я? соответственно для*аЛ!^,;!.^,.пннового сплава Af.lrG при температуро обработай Т = 450С. Здесь отриховш.ш линиями . изо братана результаты расчета ir? , 2. <-Ц> л /)«р з предположении рцаднзацш! чіісто вязкого течения материала, а сплошной линией - при яолзуче-лластпческом течении, Анализ графиков п. результатов раечета_поі:азЦвцет существенное отлично величины

г_кр , Ida/, ц hup , определениях в предположении, что полная деформация чисто ползучая, по сравнению с ползуче-пластической (20...50$). Установлено, что критическое время разрушения ~кр , пределышй угол раствора 2d_t? уменьшается, а относительная толщина Ь_кр возрастает с ростом параметров нагружения Qp и Пр . Увеличение коэффициента нормальной анизотропии ( її - R ) приводит к увеличению критического времени разрушения txp .

: Показано, что с увеличением коэффициента анизотропии #у при постоянной велігчияе Их критическое время разрушения воз-