Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающие требования к характеристикам прочности и износостойкости деталей машин и приборов приводят к необходимости создания изделий с уникальными свойствами, что обеспечивается созданием, в частности, градиентной нано - и субмикроструктуры материала. Формировать подобные структуры возможно различными способами, например, интенсивной пластической деформацией (ИПД), а также хорошо известными методами поверхностного пластического деформирования (ППД). Упрочнение проводят для деталей различного назначения, работающих в условиях интенсивного трения, агрессивной среды, высокой температуры, испытывающих знакопеременную и импульсную нагрузку, при этом упрочнение связано с изменением фазового или химического состава части или всей детали с фрагментацией структурных составляющих. Эффект упрочнения может носить поверхностный, а также изотропный или градиентный объёмный характер.
Одним из методов повышения эксплуатационных характеристик изделий является обработка давлением, при этом упрочнение связано с фрагментацией и значительной степенью разориентировки зерен. Выбор того или иного метода упрочняющей обработки или ИПД должен носить комплексный характер: быть экономически выгодным, отвечать условиям работы изделия, иметь возможность многоцелевого применения. Для решения практических задач перспективным является направление, соединяющее в себе ППД и ИПД и сочетающее в себе преимущества указанных методов. Примером такой технологии является многоцикловая комплексная локальная деформация.
Одним из направлений создания материалов с градиентными механическими свойствами является валковая штамповка (ВШ), являющаяся комбинированным методом, сочетающим в себе монотонное нагружение и локальное деформирование. С некоторыми модификациями способ ВШ может быть применен как многоцикловой процесс формирования требуемых механических свойств.
Однако, создание градиентных механических свойств материала методами пластического деформирования, в частности, способом многоцикловой комплексной локальной деформации, исследовано в недостаточной степени. Отсутствие математического описания и достаточных экспериментальных исследований замедляет широкое использование подобных методов в практике.
Поэтому, задача по исследованию валковой штамповки как метода многоцикловой комплексной локальной деформации для создания осесимметричных изделий с заданными градиентными механическими свойствами является актуальной.
Цель работы: повышение прочностных характеристик осесимметричных изделий путем создания градиентных механических свойств методами многоцикловой комплексной локальной деформации.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка технологического процесса и экспериментальной оснастки для получения осесимметричных изделий с градиентом механических свойств по сечению методом многоцикловой комплексной локальной деформации.
2. Разработка методики и проведение комплекса экспериментальных исследований на разработанной оснастке с вариацией силовых и цикловых параметров для установления зависимостей между ними и параметром Удквиста (), микротвердостью (), градиентом упрочнения (), глубиной упрочненного слоя ().
3. Разработка математической модели мноцоциклового комплексного локального деформирования с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающего обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел.
4. Проведение анализа математической модели и установление функциональных зависимостей между параметрами нагружения (количество циклов деформирования, сила) и показателями упрочнения.
5. Разработка новых технологических процессов многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющих получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои и методов их проектирования.
Объектом исследования является процесс многоцикловой комплексной локальной деформации для создания осесимметричных изделий с заданными градиентными механическими свойствами.
Предметом исследования являются параметры указанного процесса: количество циклов деформирования (проходов) n, силы деформирования, их влияние на напряженно-деформированное состояние изделия и показатели упрочнения: параметр Удквиста , микротвердость , градиент упрочнения , глубина упрочненного слоя .
Методы исследования:
статистические методы планирования эксперимента и обработки результатов,
анализ результатов экспериментов с применением прикладного программного обеспечения MathCAD 13, MS Excel 2007 и Statistica 6.0,
математическое моделирование с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающего обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел, реализуемого пакетом прикладных программ «Штамп».
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведен комплекс экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных характеристик осесимметричных изделий путем создания градиентных механических свойств методами многоцикловой комплексной локальной деформации. В результате анализа экспериментальных данных установлены:
- зависимость глубины упрочнения формируемого слоя от количества циклов деформирования;
- зависимость микротвердости материала изделия от текущей глубины слоя и количества циклов деформирования ;
- зависимость упрочнения от отношения текущей глубины слоя к толщине всего изделия и количества циклов деформирования;
2. Впервые разработана математическая модель многоциклового комплексного локального деформирования с использованием модификации скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, явно включающей обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких и систему разрешающих уравнений для конечных элементов на основе метода Рунге-Кутта, реализуемая пакетом прикладных программ «Штамп»;
3. В ходе анализа математической модели установлены зависимости между параметром Удквиста (), микротвердостью (), градиентом упрочнения (), глубиной упрочненного слоя () в функции от числа циклов деформирования и текущей глубины слоя.
Достоверность полученных результатов, подтверждается применением научно обоснованного планирования эксперимента и обработки полученных данных в прикладных программных пакетах MathCAD 13, MS Excel 2007 и Statistical 6.0, использованием поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных устройств.
Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических параметров многоциклового комплексного локального деформирования.
Практическая ценность полученных результатов и реализация работы:
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований:
1. Получена методика определения числа циклов деформирования в зависимости от требуемых параметров упрочнения на основе анализа распределения параметра Удквиста по сечению.
2. Предложен ряд новых схем многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющих получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои.
3. Получены осесимметричные изделия нар.=45мм и внут.=30мм с градиентом механических свойств по сечению из литой заготовки малопластичного сплава БрО5Ц5С5.
4. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» в Орловском государственном техническом университете.
Автор защищает:
1. Методику, оснастку и результаты экспериментальных исследований по выявлению зависимостей между показателями упрочнения и параметрами процесса многоциклового комплексного локального деформирования: зависимость глубины упрочнения формируемого слоя от количества циклов деформирования, зависимость микротвердости материала изделия от текущей глубины слоя и количества циклов деформирования , зависимость упрочнения от отношения текущей глубины слоя к толщине всего изделия и количества циклов деформирования.
2. Математическую модель процесса с модификацией скоростного вариационного принципа квазистатического равновесия системы контактирующих тел, которая явно включает обобщённые координаты и силы для абсолютно жёстких тел и методику решения системы разрешающих уравнений для конечных элементов на основе метода Рунге-Кутта.
3. Полученные в результате анализа математической модели зависимости между параметром Удквиста (), микротвердостью (), градиентом упрочнения (), глубиной упрочненного слоя () в функции от числа циклов деформирования и текущей глубиной слоя.
4. Разработанные схемы многоциклового комплексного локального деформирования осесимметричных заготовок, позволяющие получать изделия с градиентом механических свойств и формировать упрочненные слои.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях в г. Орле и г. Самаре в 2007-2009 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 5 статей в научных рецензируемых изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК, для публикации трудов на соискание ученой степени кандидата наук», получен патент Российской Федерации на способ получения металлических втулок.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 58 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 106 страниц основного текста, включает 62 рисунка, 6 таблиц.
