Деформируемость и поврежденность металлов при обработке давлением Смирнов, Сергей Витальевич

Введение к работе

з

Актуальность работы. Проблема деформируемости является одной из старейших в металлообработке. Однако, в связи с разработкой новых материалов, как правило, более прочных и менее пластичных, с созданием технологий интенсивной обработки материалов актуальность этой проблемы возрастает. Дефекты и микродефекты сплошности металла, возникшие при деформации и попавшие в готовое изделие, могут привести к снижению эксплуатационных характеристик изделий и преждевременному выходу их из строя. Наряду с развитием технических средств выявления уже возникших дефектов, актуальным является разработка принципов проектирования технологических процессов таким образом, чтобы исключить совсем или свести к минимуму образование этих дефектов при деформации. Научно обоснованный поиск резервов улучшения деформируемости металлов при обработке давлением может быть осуществлен на основе установления и количественного описания закономерностей накопления и залечивания поврежденности металла. Усилению влияния теории разрушения на формирование инженерного мировоззрения и на использование ее при решении практических задач способствуют прикладные исследования поврежденности и создание алгоритмов ее расчета в процессах обработки давлением, реализация их в виде компьютерных программ прогнозирования разрушения металла для проектных и технологических расчетов.

Исследования, приведенные в диссертации, выполнены в соответствии с программой ГКНТ СССР "Сверхпластичность", межвузовскими научно-техническими программами "Металл" и "Новые ресурсосберегающие металлургические технологии", грантами Министерства общего и профессионального образования РФ, планами научно-исследовательских работ Уральского государственного технического университета и Института машиноведения Уральского отделения РАН.

Целью диссертационной работы является развитие представлений о деформируемости металлов при обработке давлением и определение путей ее улучшения на основе экспериментального исследования и теоретического обобщения закономерностей накопления и залечивания поврежденности, изучения пластических свойств сталей и сплавов, напряженно-деформированного состояния металла и создания компьютерных программ технологического назначения применительно к процессам изготовления изделий типа прутков и труб.

Научная новизна:

\) На основе результатов экспериментальных исследований изменения плотности металла в условиях простого и сложного нагружения установлено, что при изменении условий нагружения имеет место переходный процесс, в течение которого происходит адаптация накопления поврежденности к изменившимся условиям. Установлено, что если изменение условий нагружения происходит в благоприятном направлении, то

наблюдается частичное залечивание поврежденности, если в неблагоприятном - то дополнительное развитие поврежденности.

1. С единых позиций сформулированы кинетические уравнения поврежденности металла при различных условиях пластического деформирования и термического воздействия, разработаны методики определения эмпирических параметров в кинетических уравнениях.

2. Разработана методика учета влияния структурных изменений на пластичность при нагреве холоднодеформированного металла, что позволило построить диаграммы залечивания поврежденности при термической обработке для 20 различных сталей и сплавов, установить для них критерии микроразрушения, изучить возможности интенсификации залечивания деформационной поврежденности термоциклической обработкой и наложением сжимающих напряжений в процессе нагрева металла.

3. Разработана аппаратура и методики для проведения механических испытаний образцов в камере с регулируемым гидростатическим давлением жидкости от 0,1 до 1000 МПа при температуре от 20 до 1100С и скорости нагружения от 0,001 до 100 мм/мин, что впервые позволило исследовать пластичность металлов в условиях высоких температур и раздельного изменения показателя напряженного состояния и показателя Лоде.

4. Построено более 70 диаграмм пластичности, кривых деформационного упрочнения, изучена пластичность при знакопеременной деформации для сталей и сплавов разных классов, находящихся в различном структурном состоянии. Изучено совместное влияние структурного и напряженного состояний на пластичность сталей и сплавов, принадлежащих к различным классам, что позволило сделать обобщения экспериментальных данных по влиянию параметров микроструктуры, химического состава и вида термической обработки на пластичность углеродистых сталей, фазового состава на пластичность метастабильных сталей.

6) Установлена взаимосвязь поврежденности металла и .характери
стик его трещиностойкости в категориях нелинейной механики разруше
ния.

7Ї Разработан метод экспериментального исследования деформированного состояния, основанный на восстановлении "естественной" координатной сетки и траекторий движения частиц в очаге деформации по данным микроструктурного анализа, что позволяет изучать деформированное состояние в очагах пластической деформации малого размера. Практическая значимость и реализация результатов работы.

Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе, позволили выполнить ряд прикладных исследований для решения актуальных проблем деформируемости материалов на предприятиях бывшего СССР:

1) На основе результатов исследования деформационных свойств определены оптимальные режимы предварительной термической обра-

ботки и волочения частично состаренной мартенситностареющей проволоки для изготовления тяжелонагруженных пружин. На пружинах, изготовленных из опытных партий проволоки, получен специальный технический эффект при стендовых испытаниях.

5. Создана математическая модель НДС металла при продольной раскатке прутков в калиброванных неприводных валках по схеме "круг-овал - круг", которая реализована в виде автоматизированной системы для технологических расчетов. Система использовалась в практике проектных расчетов и технологической подготовки новых режимов раскатки торсионных валов гусеничных движетелей во ВНИТИ (г.Санкт-Петербург).

6. На основе результатов исследования деформационных свойств определены оптимальные модификации стали 70 и маршруты волочения из нее проволоки для изготовления высокопрочных дюбелей по технологии ВНИИМЕТИЗа, позволяющих пристреливать стальные конструкции толщиной до 20 мм. Дюбели прошли успешные производственные испытания при монтажно-строительных работах в трестах Главстальконст-рукции.

4. Создана математическая модель НДС металла в очаге деформации при ротационной вытяжке толстостенных трубных заготовок, которая реализована в виде автоматизированной системы для технологических расчетов. Система использовалась при разработке технологических режимов изготовления валов газотурбинных авиационных двигателей в ЗМКБ "Прогресс".

5. На основе исследования деформационных свойств и поврежденное металла разработаны рекомендации по созданию новых и совершенствованию существующих технологических режимов волочения проволоки и прокатки труб из тугоплавких металлов. Рекомендации внедрены на Светловодском заводе по обработке тугоплавких и жаропрочных материалов при волочении вольфрамовой проволоки для электроламповой промышленности, на Московском заводе по обработке тугоплавких и жаропрочных материалов при изготовлении тонкостенных молибденовых труб, на предприятии п/я А-1857 при изготовлении проволоки и труб из сплавов на основе хрома.

6. Выполнено сравнительное исследование деформируемости при изготовлении прутков из тяжелых сплавов на W-Ni-Fe основе методами гидроэкструзии, многовалковой продольной и винтовой прокатки и ротационного обжатия. Рекомендации по предельным деформациям при гидроэкструзии, предельным деформациям и параметрам инструмента при радиальном обжатии внедрены в составе новых технологий при изготовлении заготовок сердечников бронебойных снарядов на предприятиях п/я В-2652, Р-6591 и В-8061.

7. Создана математическая модель НДС металла в очаге деформации при шариковой раскатке тонкостенных сварных труб, которая реализована в составе автоматизированной системы для анализа технологии изготовления сильфонов на Саранском приборостроительном заво-

де. Система использовалась на заводе при проектных технологических расчетах и для оперативного выбора вариантов технологии в зависимости от результатов входного контроля механических свойств ленты.

8) На основе экспериментально-теоретических исследований составных образцов создана магематическая модель НДС металла в очаге деформации при винтовой прокатке круглых сортовых профилей на трех-валковом стане. Модель реализована в виде программного комплекса и используется при проектировании технологических режимов прутков из титановых сплавов на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 10 региональных, 11 всесоюзных и 9 международных конференциях, семинарах и совещаниях: семинаре "Пластичность и деформируемость металлов при обработке давлением" (Свердловск, 1983; Миасс, 1987); Всесоюзной конференции "Антикоррозионные покрытия в метизном производстве" (Магнитогорск, 1982); Всесоюзном совещании по тепловой микроскопии (Новокузнецк, 1982; Каунас, 1989); Всесоюзной конференции "Физика прочности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1983); конференции "Технология производства порошков цветных металлов" (Красноярск, 1985); Уральской школы металловедов-термистов (Свердловск,1985); конференции "Проблемы прочности, надежности и живучести элементов конструкций" (Петропавловск, 1985); межотраслевого научно-технического совещания "Проблемы повышения качества деталей и эффективности процессов холодной объемной штамповки" (Белебей, 1985); конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением" (Пермь, 1987, 1990); Международной конференции "Высокие давления в науке и технике" (Киев, 1989; Бомбей, Индия, 1992); Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением" (Минск, 1987); конференции "Интенсификация производства и качества машиностроительной продукции за счет применения сталей с улучшенными технологическими свойствами" (Челябинск, 1987); Всесоюзной конференции "Теоретические проблемы прокатного производства" (Днепропетровск, 1988); конференции "Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением" (Абакан, 1988); Всесоюзном совещании по применению ЭВМ в научных исследованиях и разработках (Днепропетровск, 1989); Международной конференции "Поведение материалов при высоких параметрах" (Тале, Чехословакия, 1988, 1990); Республиканской конференции "Технология и оборудование волочильного производства" (Алма-Ата, 1989); Всесоюзной конференции "Методы испытаний конструкционных материалов" (Воронеж, 1990); Международной конференции по механике материалов "МЕСАМАТ" (Париж, Франция, 1992); Всероссийской конференции "Перспективные процессы формообразования металлов с локально-подвижными очагами пластической деформации" (Ижевск, 1993); Российской конференции "Новые материалы и технологии машинострое-

ния" (Москва, 1993); конференции "Трансфертные технологии" (Пермь, 1996); Австралоазиатском конгрессе по прикладной механике (Мельбурн, Австралия, 1996); Международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1997); Международной конференции по термомеханической обработке сталей и других материалов" (Воллонгтон, Австралия, 1997); Международной конференции "Дефекты при обработке материалов" (Париж, Франция, 1997); Международном семинаре "Программное обеспечение для инженерных расчетов и проектирования металлургических технологий" (Екатеринбург, 1997); Международной конференции по разрушению (Сидней, Австралия, 1997); Международной конференции по обработке металлов давлением (Бермингем, Великобритания, 1998).

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 70 статьях и 3 авторских свидетельствах на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 421 страницу, включая 139 рисунков, 69 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 346 наименований и 10 приложений на 22 страницах.

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментальных исследований накопления повре-
жденности металла при пластической деформации и ее залечивания при
термическом воздействии, теоретические обобщения результатов иссле
дований в виде кинетических уравнений и моделей поврежденности.

2. Методики, аппаратура и результаты исследования деформационных свойств сталей и сплавов в условиях сложного напряженного состояния при холодной деформации и при повышенных температурах; установленные закономерности совместного влияния структуры и напряженного состояния на пластичность ряда сталей.

3. Метод изучения деформированного состояния, основанный на восстановлении "естественной" координатной сетки и траекторий движения материальных частиц по результатам микроструктурного анализа; результаты исследований НДС в процессах обработки металлов давлением с использованием данного метода.

4. Математические модели НДС и поврежденности металлов в процессах обработки давлением, реализованные в виде автоматизированных систем для технологических расчетов.

5. Результаты прикладных исследований деформируемости металлов и рекомендации по разработке новых и совершенствованию существующих технологических процессов обработки давлением на металлообрабатывающих предприятиях.