Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Определение понятия сверхпластичности 14
1.2. Условия, определяющие состояние сверхпластичности 18
1.2.1. Структурные особенности при деформировании сверхпластичных материалов 20
1.2.2. Температурный режим процесса 23
1.2.3. Скоростные условия процесса 26
1.3. Механическое уравнение состояния сверхпластичных материалов 30
1.4. Экспериментальное определение основных характеристик СП и параметров механического уравнения состояния сверхпластичных материалов 33
1.4.1. Экспершлентальное определение скоростной зависимости коэффициента Ш , его максимального значения и допустимого диапазона изменения скорости деформации 34
1.4.2. Экспершлентальное определение скоростной зависимости сопротивления деформации 42
1.4.3. Определение коэффициентов (параметров) зависимости, аппроксимирующей механическое уравнение состояния сверхпластичности 45
1.5. Промышленное использование объемного формоизменения сверхпластичных материалов 48
1.6. Методика экспериментального определения поля скоростей деформации для стационарных' процессов объемного формоизменения 51
ВЫВОДЫ 58
1.7. Задачи исследования " 60
МЕТОДИКА ЗКСІШИШЕНТАЛЕНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ СВЕРХПМСЖНОСТИ. 62
Система опытов
Выбор исследуемых материалов 64
Образцы для механических испытаний 68
Определение основных характеристик материалов в состоянии сверхпластичности 72
Методика определения коэффициентов механического уравнения состояния СП при растяжении и осадке 74
Опыты растяжения и осадки цилиндрических образцов 76
Определение коэффициентов механического уравнения состояния при растяжении и осадке образцов 76
Методика приближенного определения коэффициентов механического уравнения состояния из опытов прямо го осесимметричного выдавливания 80
Приближенное определение безразмерной характеристики среднего напряжения <5С 81
Определение среднего значения скорости деформации в пластической области, соответствующей}оптималь ной скорости деформирования 83
Определение среднего значения сопротивления деформации в зоне сверхпластичности, соответствующего оптимальной скорости деформирования 86
Приближенное определение оптимальной скорости деформирования %пж соответствующего ей значения Определение среднего для зоны сверхпластичности значения коэффициента скоростной чувствительности ЛІcon , соответствующего оптимальной скорости деформирования, ж значения Мснак 89
2.6.6. Некторые дополнительные значения 90
2.7. Непосредственное экспериментальное определение оптимальной скорости деформирования при стационарных процессах 91
2.8. Экспериментальное оборудование для механических испытаний 94
2.9. Статистическая обработка результатов опытов растяжения, осадки и прямого выдавливания 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ v.V ЮЗ
ВЫВОДЫ. 104
3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДООРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРО ЦЕССА СТАЦИОНАРНОГО ПРЯМОГО ВВДАВЛИВАНИЯ 106
3.1. Постановка задачи приближенного анализа напряженно-деформированного состояния при прямом выдавливании 106
3.2. Ассоциированный закон сверхпластического течения 107
3.3. Определение поля скоростей деформации по линиям токаІІЗ
3.3.1. Определение поля скоростей деформации по экспериментальным линиям тока при Є = 0 ИЗ
3.3.2. Аналитическое определение поля скоростей 120
3.4. Определение поля напряжений 130
3.5. Реализация и результаты аналитического решения задачи прямого выдавливания материала в состоянии сверхпластичности 134
ВЫВОДЫ 141
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЖСЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРИБЛИЖЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ 142
4.1. Результаты механических испытаний образцов на растяжение и осадку в состоянии сверхпластичности. 142
4.2. Результаты испытаний материалов при прямом выдавливании через вогнуто-выпуклую матрицу с обжатием R = 0,73 143
4.3. Построение обобщенных диаграмм СП исследуемых материалов 153
ВЫВОДЫ 160
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РШОТЕНДАЦИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ. 162
5.1. Инженерная методика расчета оптимальной скорости деформирования материала в состоянии сверхпластичности 160
5.1.1. Расчет оптимальной скорости деформирования для стационарных процессов объемного формоизменения материала 16$
5.1.2. Расчет оптимальной скорости деформирования для нестационарных процессов объемного формоизменения материала I&S
5.2. Рекомендации по непосредственному экспериментальному определению оптимальной скорости деформирования 176
5.3. Результаты практического использования методики определения оптимальной скорости деформирования. 177
5.3.1. Технологический процесс прямого осестметричного выдавливания стали Р6М5 в состоянии сверхплас тичности I7B
5.3.2. Проверочный расчет скоростного режима процесса прямого выдавливания заготовок из стали Р6М5 182
ВЫВОДЫ Ш
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 185
ЛИТЕРАТУРА. ІШ
ПРИЛОЖЕНИЕ 204
Введение к работе
Одной из первостепенных задач, стоящих перед отечественной промышленностью, - повышению эффективности использования металла, отведено центральное место в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.", в которых предусмотрена разработка и осуществление широких мер по снижению удельной металлоемкости машин и оборудования, а также существенному сокращению отходов и потерь металлопродукции за счет замены традиционных технологических процессов механической обработки более экономичными процессами пластического формообразования [і,2 J .
Одним из таких перспективных, общепризнанных направлений обработки металлов давлением является деформирование материалов в состоянии сверхпластичности (СП), которое реализуется в сравнительно узком температурном интервале и только при малых скоростях деформации.
Использование эффекта СП позволяет существенно снизить потребные усилия деформирования по сравнению с традиционными способами горячей обработки металлов давлением, улучшить механические и эксплуатационные характеристики готовых изделий, использовать гидропрессовое оборудование малой мощности.
Несмотря на относительно низкую производительность технологических процессов с использованием эффекта СП по сравнению с традиционными, некоторые операции обработки металлов давлением в условиях СП в последние годы начинают находить применение в промышленности, в частности, наиболее широкое - в листовой штамповке, для которых характерно плоское напряженное состояние и возможность поддержания во всей пластической области близкого к равномерному распределения скорости деформации, что позволяет ре ализовать состояние СП практически во всем объеме листовой заготовки.
В процессах объемного формоизменения материалов в состоянии СП подобной равномерности добиться практически невозможно. Это обусловлено как кинематикой движения деформируемого материала через пластическую область, так и влиянием величины гидростатического давления на оптимальную скорость деформации и допустимый диапазон ее изменения, в котором реализуется состояние СП.
Известно большое число работ, описывающих физическую сторону эффекта СП, т.е. механизмы этого явления. Однако работ, в которых рассматриваются вопросы объемного формоизменения материалов в состоянии СП с учетом неравномерностей полей скоростей и гидростатического давления, значительно меньше.
Поэтому актуальной становится разработка методик исследований процессов объемного формоизменения в состоянии СП, результаты которых могли бы способствовать более широкому практическому использованию их, особенно при обработке малопластичных металлов и сплавов.
Данная работа посвящена разработке методики определения оптимальных скоростных параметров деформирования при обработке сверхпластичных материалов с учетом неравномерности полей скоростей деформации и гидростатического давления. Разработанная методика применяется для исследования конкретного стационарного технологического процесса прямого осесимметричного выдавливания. В первом разделе диссертации дается обзор состояния вопроса деформирования металлов и сплавов в режиме СП. Рассматриваются структурные особенности при деформировании сверхпластичных материалов, а также температурно-скоростные условия, в зависимости от вида СП. Обсуждены различные аппроксимации механического уравнения состояния, описывающего поведение материалов в диапазоне скоростей деформации, в котором реализуется состояние СП, а также методы экспериментального определения важной характеристики материала - коэффициента скоростной чувствительности. При-врдится разработанная методика экспериментального определения поля скоростей деформации для стационарных процессов объемного формоизменения. Дается обоснование цели данной работы - разработки методики экспериментального исследования стационарных процессов обработки металлов давлением в состоянии СП и определения оптимальной скорости деформирования. Формулируются задачи исследования.
Второй раздел посвящен разработке расчетно-экспериментальной методики определения коэффициентов зависимости, принятой для аппроксимации механического уравнения состояния СП. Эта методика предусматривает проведение системы опытов (растяжения, осадки и прямого осесимметричного выдавливания через вогнуто-выпуклую матрицу образцов) при оптимальной температуре СП. Аппроксимирующая механическое уравнение состояния зависимость характеризует изменение сопротивления деформации от скорости деформации Q (интенсивности скоростей деформации) и относительной величины среднего напряжения&=&/&ь (где© - среднее напряжение, &ь -сопротивление деформации). Приводится описание опытов растяжения, осадки и прямого выдавливания с обжатием R = 0,73 (т.е. опытов с различными постоянными значениями (У , при растяжении и сжатии и с переменным полем его значений - при выдавливании) и методики расчета коэффициентов механического уравнения состояния для каждого из них. Показано, что для определения коэффициентов механического уравнения состояния необходимо проведение анализа напряженно-деформированного состояния процесса осесимметричного выдавливания. Описывается экспериментальная методика непосредственного определения оптимальной скорости дефорлирования примени тельно к некоторым процессам обработки металлов давлением.
В третьем разделе проводится приближенный анализ напряженно-деформированного состояния очага пластической деформации при прямом осесимметричном выдавливании материала в состоянии СП, который для вогнуто-выпуклой матрицы и обжатии R = 0,73 является частью расчетно-экспериментальной методики определения коэффициентов механического уравнения состояния. Приводятся соотношения, вытекающие из ассоциированного закона течения сверхпластичных материалов, чувствительных к относительной величине среднего напряжения. Рассмотрен пример аналитического расчета поля скоростей деформации, полей напряжений и относительной величины среднего напряжения, а также определения границ зоны очага пластической деформации, в которой реализуется состояние СП, и среднего значения коэффициента скоростной чувствительности, соответствующего оптимальной скорости деформирования, с реализацией всего алгоритма на ЭВМ.
В четвертом разделе приведены значения коэффициентов зависимости, аппроксимирующей механическое уравнение состояния, для ряда материалов (эвтектического сплава олово-свинец, алюминиевого сплава АМгб, углеродистой стали У8А и быстрорежущей стали Р6М5), полученные с использованием разработанной расчетно-экспериментальной методики, т.е. с использованием результатов опытов растяжения, осадки и прямого выдавливания. Полученные приближенные механические уравнения состояния этих материалов использованы для построения графиков скоростной зависимости коэффициента ГП , соответствующих ряду фиксированных значений относительной величины среднего напряжения. Описана методика построения обобщенных диаграмм СП, которые могут быть использованы для определения основных характеристик сверхпластичных материалов применительно к различным процессам обработки металлов давлением и, следовательно, могут быть полезны при расчетах конкретных технологических процессов.
В пятом разделе даются практические рекомендации для расчета оптимальной скорости деформирования стационарных и нестационарных процессов обработки металлов и сплавов давлением. Рассматривается пример ее определения. Приведена типовая технология получения в состоянии СП заготовок для концевого режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 методом прямого выдавливания, которая внедряется на Тульском машиностроительном заводе им.Рябикова. Экономический эффект от внедрения этой технологии составит 54,85 тысяч рублей в год.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность руководителю лаборатории "Новые процессы формоизменения металлических материалов специального назначения" А.С.Базыку, а также сотруднику этой лаборатории М.В.Казакову за большую помощь, оказанную ими при проведении технологических исследований, разработке и внедрении технологического процесса в производство.
