Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 7
1.1 Технологическая деформируемость сталей, ее влияние на стойкость штампового инструмента 7
1.2 Способы формирования субмикро и нанокристаллических структур в металлах и сплавах 13
1.3 Особенности радиально-сдвиговой прокатки 20
1.4 Поврежденность и разрушение в процессах обработки металлов давлением 23
1.5Неразрушающий контроль сортового проката 29
1.6 Задачи исследования 32
ГЛАВА 2. Материалы и методики проведения теоретических и экспериментальных исследований 33
2.1 Выбор материалов исследования 33
2.2 Методика проведения термомеханической обработки 34
2.3 Методика математического моделирования 36
2.4 Методика проведения механических испытаний 39
2.5 Методика определения твердости и микротвердости 42
2.6 Методика исследования структуры сплавов 43
2.7 Методика проведения испытания на абразивный износ 44
2.8 Методика проведения ультразвукового контроля 44
ГЛАВА 3. Влияние рсп на ндс и скалярный параметр поврежденностисталей 46
3.1 Определяющие соотношения для материалов стали 45 и У10А 46
3.2 Результаты математического моделирования РСП 52
Выводы по главе 66
ГЛАВА 4 Влияние термомеханической обработки на структуру и механические свойства сталей 45 и У10А 68
4.1 Влияние температуры прокатки на структуру стали 45 68
4.2 Влияние ТМО на структуру и механические свойства стали 45 74
4.3 Влияние ТМО на структуру стали У10А 77
4.4 Влияние ТМО на механические свойства и абразивный износ стали
У10А 80
Выводы по главе 84
ГЛАВА 5. Неразрушающии контроль проката сталей 45 и У10А 86
5.1 Исследование параметров ультразвукового контроля стали 45 и У10А... 86
5.2 Ультразвуковой контроль проката сталей 45 и У10А 87
Выводы по главе 88
Выводы по работе 89
Литература:
- Способы формирования субмикро и нанокристаллических структур в металлах и сплавах
- Методика проведения термомеханической обработки
- Результаты математического моделирования РСП
- Влияние ТМО на структуру и механические свойства стали 45
Введение к работе
Одной из важнейших задач обработки металлов давлением является разработка научных основ и промышленная реализация эффективных технологий, позволяющих на этапе подготовки заготовок под последующую пластическую деформацию, получить необходимый уровень технологических и эксплуатационных свойств, обеспечивающих повышение качества изделий и увеличение стойкости штамповои оснастки. Решение поставленных задач может быть достигнуто путем подготовки регламентированной структуры методами термомеханической обработки(ТМО). Традиционные технологии производства прутков не обеспечивают в полной мере формирования благоприятного с точки зрения технологической деформируемости структурного состояния. Известны результаты исследований, показывающие, что как технологические, так и эксплуатационные свойства конструкционных материалов можно значительно улучшить применением процессов интенсивной пластической деформации, приводящей к измельчению и трансформации структуры. Одним из перспективных процессов, позволяющим получить регламентированную микрокристаллическую(МК) структуру в прутках является радиально-сдвиговая прокатка(РСП). В отличии от известных процессов, таких как равноканальное угловое прессование, деформация на наковальне Бриджмена, РСП имеет ряд преимуществ, в частности, меньшие значения силы деформирования, отсутствие ограничений по длине конечной заготовки, а также возможность проведения прокатки со значительными коэффициентами вытяжки без разрушения.
В этой связи исследование напряженного и деформированного состояния
при радиально-сдвиговой прокатке и разработка научно-обоснованного режима
термомеханической обработки, улучшающего технологическую
деформируемость горячекатаных прутков сталей 45 и У10А, являются актуальными.
Научная новизна.
1. На основе математического моделирования процесса РСП с
использованием пакета ANSYS проведена количественная оценка напряженно-деформированного состояния в поперечном сечении прутка для сталей 45 и У10А. Установлено, что изменение параметра напряженного состояния К = а/Т, интенсивности скорости деформации є,
по сечению прутка имеют циклический характер.
2. Проведена количественная оценка напряженного состояния в
поперечном сечении прутка для сталей 45 и У10А. Схема напряженного
состояния с преобладанием растягивающих напряжении (Кср>0.58)
расположена в области — < (0.15...0.45), с преобладанием напряжений сдвига
(0.58 <ср<-0.58) - (0.15...0.45)<-<(0.56...0.83), сжатия (^<-0.58) -
-> (0.56...0.83).
3. Установлены закономерности изменения интенсивности скоростей
деформации в поперечном сечении прутка при РСП. В центральных слоях
заготовки интенсивность скорости деформации плавно возрастает, при
прохождении деформирующего участка валков, до значений 2 с"1 для
Кв = 2.77, затем снижается, при прохождении калибрующего участка
валков. По мере приближения к поверхности заготовки амплитуда интенсивности скорости деформации достигает значений (20..30) с", характер изменения - циклический, с периодом (0.13...0.18) с. Число циклов деформации на поверхности изменяется от трех при значении Кв = 1.3, до десяти, при Кп = 2.77.
4. Установлены закономерности распределении интенсивности
пластической деформации по сечению прутка и получено эмпирическое
уравнение зависимости интенсивности пластической деформации в
поперечном сечении прутка от коэффициента вытяжки вида
ei(R',KB) = (axR'2+bxR' + c)x\n(KB) + dxR'2+exR' + f,
Где a,b,c,d,e,f- постоянные параметры, определенные в результате обработки данных математического моделирования. 5. Установлены допустимые интервалы значений коэффициента вытяжки при прокатке сталей 45 и У10А с температурой деформации 700С на основе оценки значения скалярного параметра поврежденности. Прокатка в интервале значений коэффициентов вытяжки 1.3 <КВ< 1.84 для стали
У10А и \3<КВ<2.\5, 2А<КВ<2.11 для стали 45 не приводит к превышению критического значения скалярного параметра поврежденности.
Способы формирования субмикро и нанокристаллических структур в металлах и сплавах
Как известно, уменьшение размера зерна в конструкционных материалах приводит к изменению их физико-химических свойств, позволяет создать материалы с качественно и количественно новыми свойствами. Исследования ряда авторов [31] показали, что с уменьшением размера зерна изменяются такие фундаментальные характеристика, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные и механические свойства. В тоже время наблюдается общая тенденция уменьшения габаритов конечных изделий и повышения требований к надежности деталей автомобильной, авиационной и легкой промышленности.
В настоящее время основными методами получения субмикро и нанокристаллических структур в изделиях являются: 1. Контролируемая кристаллизация аморфных материалов. 2. Компактирование ультрадисперсных порошков. 3. Интенсивная пластическая деформация (ИПД).
В данной главе основное внимание будет уделено интенсивной пластической деформации как способу получения субмикрокристалических и нанокристалических структур в крупногабаритных заготовках металлургического производства.
К наиболее известным способам ИПД [31,32], относятся: 1. Деформация в наковальне Бриджмена. 2. Равноканальное угловое прессование. 3. Всесторонняя ковка. 4. Кручение с растяжением. 5. Винтовая экструзия.
Схема формирования структуры на наковальне Бриджмена [33] представлена на рис. 1.1. Из рисунка видно, что бойки осаживают заготовку с одновременным кручением. Данный способ позволяет измельчить зерно до размера 50 нм. Однако, при достижении высокой степени деформации происходит разрушение заготовки по периметру, что связано с неблагоприятной схемой напряженно-деформированного состояния. Размеры получаемой заготовки ограничивают использование данного способа в промышленных масштабах [34].
Равноканальное угловое прессование (РКУ) [35] - способ, обеспечивающий реализацию сдвига в очаге деформации металла. Этот процесс, по мнению автора [35], способствует наиболее эффективному измельчению зерна и позволяет получить заготовку большего размера, чем при деформации на наковальне Бриджмена. При этом схема напряженного состояния в заготовке обеспечивает сохранение ресурса пластичности при значении интенсивности деформации =1.15 за переход. Вместе с тем, этот способ характеризуется высокими значениями силы деформирования и нагрузок на матрицу, что в известной степени ограничивает его практическое использование в металлургии и при подготовке материала для холодной объемной штамповки [32]. Схема процесса представлена на рисунке 1.1.
Способ всесторонней ковки [36] обеспечивает измельчение структуры путем последовательной ковки образцов с изменением направления деформирования при температуре (0.35...0.45) Тпл. Размер зерна измельчается до 0.06 мкм.
Способ с использованием кручения и растяжения заключается в обработке осесимметричной заготовки на отдельных переходах с проработкой регламентированного по объему слоя заготовки, с использованием сложного нагружения, включающего компоненты кручения, а также сжатие или растяжение, или сочетание сжатия или растяжения с кручением в изотермических или квазиизотермических условиях. Данный способ позволяет получить структуру с размером зерна до 0.3 мкм в крупногабаритной заготовке. Однако коэффициент использования материала находится на низком уровне, что особенно значимо при получении регламентированной структуры в цветных металлах, высокая рыночная стоимость которых приводит к значительному удорожанию стоимости конечной продукции [32].
Отличительной особенностью схемы винтовой экструзии является пластическая деформация материала без изменения его формы. По данным авторов [37] исследуемый способ является перспективным при проработке структуры в металлах и сплавах. На примере алюминиевого переплава показано, что проведение винтовой экструзии позволяет улучшить механические свойства материала. Улучшение свойств в данном случае ученые связывают с уменьшением размера зерна, а также с раздроблением интерметаллических фаз.
Выше приведенные способы интенсивной пластической деформации применяются для получения наноматериалов и материалов с субмикрокристаллической (СМК) структурой в лабораторных исследованиях, тогда как в промышленных масштабах их использование затруднено. Это связано с ограничениями в геометрических размерах получаемых заготовок и низкой технологичностью процессов.
Известно, что характерная особенность рассмотренных способов подготовки структуры заключается в том, что при ИПД достигается высокая степень деформации металла. Это сопровождается изменением структурного состояния в процессе деформации и термической обработки материала, что исследовано в работах [31,32,38].
Методика проведения термомеханической обработки
В настоящее время в промышленности широко используются стали конструкционной группы [97]. Из сталей этой группы изготавливают детали кинематических передач (шестерни, валы, зубчатые колеса), крепежа (винты, гайки, шурупы) и др. Сочетание высоких механических свойств, способность к упрочнению, сравнительно низкая рыночная стоимость стали в совокупности определяют ее преимущества.
Широко используемым материалом для изготовления режущего инструмента и штамповой оснастки является инструментальная качественная сталь. Высокая прочность, склонность к упрочнению при закалке и низком отпуске определяют область применения данного материала при изготовлении оснастки в процессах обработки металлов давлением и резанием. Широкое использование стали нашло также в деревообрабатывающей промышленности [97].
В качестве исследуемых материалов были выбраны: сталь 45 (ГОСТ 1050-74); У10А (ГОСТ 1435-74). Выбор обусловлен их широким применением в промышленности. Сталь 45 - сплав, используемый для изготовления шестерень, валов, крепежа и др.
Сталь У10А используется в качестве материала для изготовления инструмента, не подверженного нагреву до температуры более 200С. Областью применения изделий из стали У10А является деревообрабатывающая промышленность и машиностроение.
Химический состав в состоянии поставки приведены в таблице 2.1 и 2.2.
Для исследования влияния режимов термомеханической обработки на структуру и механические свойства сталей 45 и У10А осуществляли интенсивную пластическую деформацию в клети стана радиально-сдвиговой прокатки «РСП 10-30». Средний диаметр валков составил 55 мм; эксцентриситет установки валков - 25 мм; угол раскатки - 5=18; перепад диаметра валков на единицу длины бочки - в среднем 0,10, а средний перепад диаметра очага деформации на единицу его длины - 0,21. Средние значения перепада определялись как отношение полного перепада к соответствующей длине очага деформации [54].
Исходные образцы стали 45 изготавливались диаметром 025 мм, длиной 100 мм и 024 мм, 020 мм, 018 мм, длиной 150 мм. Образцы предварительно нагревали в печи электросопротивления до температур (600...850)С.
Максимальная степень деформации достигала ,=8.4. В результате получали прутки 0(14...20) мм. Далее заготовки отжигали при температуре 600С в течении (45...60) мин. Значения температур предварительного нагрева выбраны для обеспечения при деформации соответственно следующих структурных состояний: феррит-перлит, феррит-аустенит и аустенит. Фрагмент диаграммы состояния железо - углерод представлен на рисунке 2.1. После прокатки
Фрагмент диаграммы состояния системы Fe-C. Режимы термомеханической обработки представлены в таблице 2.3. образцы охлаждались в воде.
Образцы из стали У10А изготавливали диаметром 024 мм, 020 мм, 018 мм, длиной 150 мм. Температура нагрева перед прокаткой составила 700±5С. Прокатку производили до 014.5 мм. Заготовку с исходным диаметром 024 мм прокатывали за два перехода, режим ТМО №3. После прокатки образцы охлаждались в воде.
Математическое моделирование выполнялось на базе универсального комплекса ANSYS/LS-DYNA, в основе которого лежит метод конечных элементов. В пакете программ ANSYS используется интегральная формулировка соответствующих краевых задач механики деформированного твердого тела. Она включает уравнения равновесия, совместимости деформации, соотношения Коши для больших пластических деформаций, а также уравнения состояния, связывающие напряжения, деформации и скорости деформаций[98]. г + рх/і=рхХі, (2-І) Силовые граничные условия задаются уравнением: 0-, =/,(/), (2-2) Граничные условия по перемещению x,(Xa,t) = Dl(t), (2.3) Граничные условия при разрывах ( -а,;)хя,=0, (2.4) Вдоль внутренних границ х,+ = х . где о» - напряжения Коши; р - плотность; /- плотность внутренних сил; х-ускорение. Уравнение баланса энергии E = VxsiJxeiJ-(p + q)xV, (2.5) где -девиатор напряжений; р - давление. Решением является уравнение баланса энергии \(рхх, -(jljrpxfyxtdu+ {(сг„ хя, ,)Sx,ds + J(oJ -a ds = О (2.6) V 5Л] ЗА, Рисунок 2.2. Конечно-элементная модель РСП: 1-заготовка, 2,3 - валки (один валок не показан), 4,5 - направляющие где Ух, удовлетворяет всем граничным условиям на границе db2. Геометрия моделей тел описывалась с помощью смешанного граничного представления. Схема процесса представлена на рисунке 2.2
Результаты математического моделирования РСП
Математическое моделирование процесса радиально-сдвиговой прокатки с оценкой влияния технологических параметров на НДС деформируемого объекта выполнено по методике, представленной в разделе 2.3.
В качестве регулируемого параметра технологического процесса прокатки принанят коэффициент вытяжки материала Кв. Кв=Щ (3-4) где D - диаметр исходной заготовки; d - диаметр прокатанной заготовки. Диапазон изменения коэффициента вытяжки варьировался в интервале 1.3 КВ 2.77, с шагом 2.3. Минимальное значение коэффициента вытяжки выбрано из условия прохождения заготовки через деформирующий и калибрующий участок валков. Максимальное - исходя из максимального обжатия заготовки за один переход без изменения регулировки валков.
Значения параметров, определяющих геометрические соотношения процесса, относительное расположение деформирующих валков и направляющих, не изменялись в течении прокатки. Согласно работе [47] при поперечно-винтовой прокатке коэффициент трения по Кулону принимался равным ju = 0.48.
При расчетах использован пакет прикладных программ решения дифференциальных уравнений методом конечного элемента ANSYS\LS-Dyna, установленный на компьютере Pentium 4 с тактовой частотой 2000МГц, оперативной памятью 2 Гб. Операционная система Windows XP-SP2. Время решения от 3 до 35 часов.
В результате расчета в интервале коэффициентов вытяжки \3 КВ 2.11 получили данные по распределению НДС, степени использования ресурса пластичности и особенностям деформации заготовки в процессе формообразования. Оценку распределения напряженного состояния по сечению заготовки проводили с использованием параметра напряженного состояния К[4]: ст. + сг, + сг. Распределение показателя напряженного состояния К в точках, расположенных на расстоянии от оси заготовки равном О, 0.5R и R, представлено на рисунках 3.5-3.8 (где R - радиус заготовки).
Из рисунков видно, что характер изменения показателя напряженного состояния К носит циклический характер, амплитуда которого зависит от расположения деформированной области. С целью определения схемы напряженного состояния было проведено усреднение показателя К за весь период деформирования согласно уравнению (3.6). Средние значения приведены в таблицах 3.7,3.8.
Распределение среднего значения коэффициента напряженного состояния в поперечном сечении прутка для стали 45 и У10А представлено на рисунках 3.9 и ЗЛО.
Из рисунков видно, что значения среднего показателя напряженного состояния по сечению заготовки находятся в интервале -\3 Кср 1.2.
Полученные данные позволяют сделать вывод о схеме напряженного состояния по сечению заготовки, которая включает три области. К первой относится область со схемой напряженного состояния сжатия (Кср -0.58), ко второй - с преобладанием сдвиговой составляющей (0.58 Кср -0.58), к третьей растягивающего напряжения (Кср 0.58).
Разброс в значениях среднего показателя напряженного состояния обусловлен удлинением очага деформации прутка при увеличении значения коэффициента вытяжки Кд.
Для определения особенностей течения металла в процессе РСП были построены графики распределения интенсивностей скорости деформации в точках, расположенных на различном расстоянии от оси прутка. Значения максимальных скоростей деформации представлены в таблицах 3.7 и 3.8.
Графики изменения интенсивности скоростей деформации в процессе РСП в зависимости от коэффициента вытяжки представлены на рисунках 3.11-3.14. Из рисунков видно, что в центральных слоях заготовки интенсивность скорости деформации плавно возрастает при прохождении деформирующего участка валков до значений 2 с 1 для Кв = 2.77. Затем на калибрующем участке валков снижается. По мере приближения к поверхности заготовки амплитуда скорости достигает значений (20...30) с 1, характер изменения скорости деформации изменяется на циклический с периодом (0.13...0.18) с. Число циклов деформации на поверхности изменяется от трех при значении Кв = 1.3 до десяти при Кв = 2.77.
Влияние ТМО на структуру и механические свойства стали 45
Исследования влияния температурного режима на измельчение зерна показали, что наиболее рациональным режимом деформационно-термической обработки, позволяющим с наименьшей трудоемкостью измельчить зерно феррита в стали 45, является нагрев образцов до температуры 700С.
Влияние режимов прокатки на структуру стали 45 проводили при температуре деформации 700С . Заготовки диаметром 018 мм и 021 мм прокатывали при температуре 700С с коэффициентом вытяжки КВ = \А4 и Кв \.% соответственно. После прокатки проводили отжиг при температуре 600С, время отжига -1 час. Заготовки диаметром 024 мм прокатывали за два прохода с промежуточным отжигом при 600С в течении 1 часа. Коэффициент вытяжки за переход составил ЛГД = 1.54. Температура деформации первого перехода - 700С, второго - 600С. По окончании прокатки проводили отжиг при температуре 600С в течении 1 часа. Микроструктура стали 45 в состоянии поставки представлена на рисунке 4.4, а после прокатки - на рисунке 4.5. Данные по изменению размера зерна феррита представлены в таблице 4.4.
Исследования влияния технологического режима и структуры на механические свойства стали 45 проводили в соответствии с методикой, отраженной в главе 2.4.
Результаты механических испытаний стали 45 после РСП и последующего отжига приведены в таблице 4.5. Во всем диапазоне технологического режима прокатки наблюдается снижение прочности и увеличение пластичности стали. Предпочтительным с точки зрения повышения технологической деформируемости материала является прокатка по второму режиму ТМО.
С измельчением зерна стали 45 происходит увеличение пластичности и снижение прочности по сравнению с исходным состоянием. Наибольшее снижение напряжения течения стали составило 50.5%, временного сопротивления разрушению - 26.5%. Увеличение относительного удлинения образца достигнуто на 70%, относительного сужения - на 52.9%.
Наименьшие значения напряжения течения и временного сопротивления разрушению получены при прокатке по второму режиму ТМО. Они составили соответственно ит 347МПа, ав= 515МПа при значениях относительного удлинения 5 = 27%, относительного сужения - ц/ = 52%. Полученные значения механических свойств стали 45 соответствуют ГОСТ 10702-78.
Исследования влияние режимов ТМО на структуру стали У10А проводили при температуре деформации 700С. Заготовки диаметром 018 мм и 021 мм прокатывали при температуре 700С с коэффициентом вытяжки Кв = 1.54 и Кд = 1.96 соответственно. После прокатки проводили отжиг при температуре 600С, время отжига - 1 час. Заготовки диаметром 024 мм прокатывали за два прохода с промежуточным отжигом при 600С в течении 1 часа. Коэффициент вытяжки за проход составил , = 1.54. Температура деформации первого прохода - 700С, второго - 600С. По окончании прокатки проводили отжиг при температуре 600С, в течении 1 часа. Микроструктура стали У10А в состоянии поставки представлена на рисунке 4.5. Микроструктура образцов после прокатки представлена на рисунках 4.6 и 4.7.
Микроструктура стали У10А после ТМО ( а) прокатка АГЯ = 1.96 + отжиг 600С, на периферии; б) прокатка w = 1.96+ отжиг 600С в центре; в) прокатка Кв =1.54 при + отжиг 600С)
Установлено, что с увеличением коэффициента вытяжки при прокатке стали У10А происходит формирование структуры зернистого перлита. Для значений Кв = \.54 наблюдается искривление пластин и частичное разделение их на более короткие фрагменты преимущественно на периферийной области образца. В центральной части сохраняется пластинчатая структура. При увеличении коэффициента вытяжки до Кв = \ .96 продолжается деление пластин на фрагменты. В периферийной области формируется равноосная мелкозернистая структура. В центральной части, наряду с равноосными зернами, наблюдаются зерна с пластинчатой структурой. Прокатка по режиму № 3 приводит к формированию однородной равноосной мелкозернистой структуры зернистого перлита по всему сечению образца. Механические испытания на растяжение проведены по методике, описанной в разделе 2.4. Результаты механических испытаний стали У10А представлены в таблице 4.6.
Прокатка в соответствии с режимами, представленными в таблице 2.3, приводит к увеличению пластичности и снижению прочности, по сравнению с исходным состоянием. Наибольшее увеличение значений а7 прокатанного материала после отжига составило для режима №2 - 33%, aR - 22.6%. При этом по сравнению с исходным состоянием изменения в прочности материала незначительны. Наибольшее увеличение пластичности материала и одновременно уменьшение его прочности имело место при прокатке по режиму №3. Увеличение относительного сужения составило 40%.
Исследование [10] широкого диапазона материалов с позиции влияния их механических свойств на стойкость вырубных матриц в интервале 0.2 — 0.1 (отношение напряжения течения деформируемого материала к напряжению течения штампового оборудования) выявило отсутствие в изменении стойкости штампов. Вместе с тем, при значениях 0.45 — - 0.64 стойкость штампа изменялась в 5 раз. Таким образом, применение деформируемого материала с а пониженным значением напряжения течения в интервале 0.45 — 0.64 Тш т, позволяет значительно увеличить стойкость инструмента. Испытания на абразивный износ проведены по методике, описанной в разделе 2.7.
