Введение к работе
Актуальность работы. Создание новых глубоководных аппаратов для исследований и освоения мирового океана невозможно без разработки новых материалов и совершенствования технологии обработки уже применяющихся. Дальнейшее увеличение глубины погружения возможно с применением сплавов, предел текучести которых более 1000 МПа. Такие сплавы и стали созданы. Однако их использование связано с большими трудностями при производстве изделий сложной конфигурации. Можно выделить две проблемы. Во-первых, при изготовлении заготовок часто возникают дефекты. Во-вторых, заготовки из высокопрочных сталей и сплавов часто не соответствуют требованиям стандартов по комплексу механических свойств. Так при изготовлении некоторых полуфабрикатов из высокопрочных сталей и сплавов малоцикловая долговечность и вязкость разрушения в морской воде снижается до катастрофически низких величин, а критический размер трещины при пределе текучести 1000 МПа составляет 2 мм, что соответствует границе выявления дефектов современными методами. Обе названные проблемы, возникающие при использовании высокопрочных сплавов для изготовления деталей глубоководных аппаратов, могут быть решены путем оптимизации термомеханических параметров деформации, чтобы не допустить возникновения в обрабатываемом материале нежелательных структурных превращений, которые могли бы оказать отрицательное влияние на показатели технологичности и работоспособности материала изделий.
Традиционным подходом к оптимизации температурно-скоростных режимов горячего деформирования является выбор в качестве критериев оптимизации различных показателей предельной пластичности. Однако известно, что выбор в качестве критерия оптимизации того или иного показателя предельной пластичности не лишен известных недостатков. Во-первых, показатели предельной пластичности зависят от геометрической формы и размеров образцов. Во-вторых, предельная пластичность зависит не только от способности материала пластически деформироваться, но и от сопротивления материала локализации пластического течения. В-третьих, часто при испытаниях показатели предельной пластичности непрерывно возрастают вплоть до пред-плавильных температур и определить таким образом оптимальный диапазон температур деформации невозможно. И, наконец, на основании поведения показателей предельной пластичности практически невозможно судить о структурных превращениях, происходящих при деформации и, следовательно, трудно найти алгоритм изменения термомеханических режимов с целью получения необходимой микроструктуры. Уровень показателей предельной пластичности является лишь необходимым, но не достаточным условием, так как
в процессе ОМД требуется получить не просто нужное изменение формь заготовки, но и добиваться определенного структурного состояни материала, которое бы обеспечивало заданный комплекс механически свойств, изделия. Решить эту проблему можно на основе рассмотрения термо динамики процесса деформирования, связав ее с конкретными процессами развивающимися на атомном, микро- и мезоуровнях деформации, и выбрав і качестве критерия оптимизации достаточно общий термодинамический пара метр, характеризующий процесс с точки зрения возможности формирования і материале нужной структуры. Таким критерием может служить компоненті диссипации энергии, которая обусловлена динамическими изменениямі структуры. Оптимальными режимами горячего деформирования в этом случаї являются такие температура и скорость деформирования, которые соответст вуют максимуму диссипации энергии. Такой подход к оптимизации темпера турно-скоростных условий горячего деформирования эффективен даже тогда когда в обрабатываемом материале происходят несколько диссипативны; процессов, что особенно важно при обработке промышленных сплавов имеющих сложную многофазную структуру, а во-вторых, на основе такоп подхода к оптимизации технологических режимов может быть разработан ал горитм программного управления обработкой.
Цель работы. Исследование и поиск общих закономерностей диссипа ции энергии при горячей пластической деформации и разработка на этой ос нове оптимальных технологических режимов обработки давлением высоко прочных конструкционных сплавов на основе титана, сталей и алюминиевы; бронз.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены еле дующие задачи.
1. Анализ структурных изменений при горячей пластической деформа
ции и обоснование принципов выбора критерия оптимизации техно
логических режимов горячей обработки давлением.
-
Разработка методики экспериментальных исследований свойств металлических сплавов при температурах горячей обработки давлением в широком диапазоне скоростей деформации.
-
Исследование влияния температурно-скоростных условий дефор мирования высокопрочных конструкционных сталей и сплавов н; их сопротивление деформации и показатели пластичности.
4. Изучение взаимосвязи структурных и фазовых превращений с из
менением эффективности диссипации энергии при горячей пласти
ческой деформации.
5. Развитие представлений о физических процессах и действующих ме
ханизмах при сверхпластической деформации.
6. Разработка принципов оптимизации технологических режимов обработки давлением при изготовлении заготовок сложной конфигурации из высокопрочных сплавов на основе меди, титана и сталей.
Научная новизна. Установлены закономерности диссипации энергии при горячей пластической деформации высокопрочных алюминиевых бронз, титановых сплавов и конструкционных сталей в широком интервале темпера-турно-скоростных условий деформирования. При этом установлены и уточнены закономерности изменения структуры. Показано, что эффективность диссипации энергии является наиболее объективным критерием для оптимизации технологических параметров горячего деформирования, который может быть использован для создания алгоритмов программного управления процессами горячей обработки давлением. Установлены структурные и температурно-скоростньге условия проявления состояния сверхпластичности алюминиевых бронз и титановых сплавов. При этом выявлены закономерности структурных изменений при различных температурно-скоростных режимах деформирования, что позволило создать теоретические основы для разработки технологических процессов обработки давлением в состоянии сверхпластичности. На основании теоретических и экспериментальных результатов разработаны режимы и основные технологические параметры деформирования в состоянии сверхпластичности, что позволило получить заготовки из алюминиевых бронз с высоким комплексом механических свойств. Сформулированы и экспериментально обоснованы технологические принципы изотермического деформирования при изготовлении крупногабаритных изделий из титановых сплавов, что позволило получить бездефектные изделия сложной конфигурации с высокими механическими свойствами. Выявлены закономерности горячей хрупкости высокопрочных конструкционных сталей и на этой основе разработаны термомеханические параметры горячей гибки полособульбового профиля для кольцевых ребер жесткости прочных корпусов.
Практическая ценность. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты исследований влияния температурно-скоростных условий деформирования на эффективность диссипации энергии, а также пластичность и сопротивление деформации расширяют и углубляют представления о механизмах деформации и структурообразовании при горячей обработке давлением, что создает предпосылки для дальнейшего совершенствования технологии обработки давлением.
Разработаны технологические рекомендации для проектирования новых и, совершенствования действующих технологических процессов обработки давлением при изготовлении заготовок сложной конфигурации из высокопрочных сплавов. Результаты диссертационной работы находят применение, внедряются или прошли производственное апробирование в ГУП Севмаш и на
других предприятиях Государственного центра атомного судостроения, чт подтверждено актами о фактическом использовании результатов работы. Т; ким образом, практическую ценность представляют как разработанные в диі сертации теоретико-прикладные вопросы, схемы и концепции, так и конкре ные технологии и термомеханические режимы обработки сплавов давлением
Высокая эффективность разработанных технологий и режимов для ol работки большой группы высокопрочных материалов, таких как алюмини вые бронзы, титановые сплавы и конструкционные легированные стали явл: ется важной предпосылкой широкого использования результатов работы } судостроительных и машиностроительных предприятиях.
Отдельные результаты диссертационной работы используются при чт нии лекций, проведении практических занятий, лабораторных работ, курсово и дипломном проектировании, проведении исследований аспирантами.
Личный вкляд автора. Теоретически обоснован и разработан мете оптимизации технологических процессов горячей обработки давлением пр изготовлении заготовок сложной конфигурации из высокопрочных конструї ционных материалов. Выявлены основные закономерности структурных пр< вращений при горячей деформации сплавов. Разработаны методические ост вы и экспериментальные установки для исследований поведения сплавов широком диапазоне температурно-скоростных условий нагружения. Выявл' ны особенности структурообразования при горячей деформации, структурнь и термоскоростные условия сверхпластичного поведения исследуемых спи вов. Экспериментальная и расчетная части работы, а также реализация разр ботанных технологий были выполнены при участии сотрудников, аспиранте и студентов кафедры "Технология металлов и машиностроения" Севмашвту: при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работ доложены и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семі нарах: конференция АОП НТО им. академика А.Н. Крылова "Повышен! уровня технологичности машин, конструкций и систем" (Северодвинск, 1983 "Проблемы повышения качества продукции и эффективности производств; (Северодвинск, 1979), "Технологии производства - научную основу" (Севера двинск, 1987), научно-техническая конференция научно-учебного центра ф] зико-химических методов исследования (Москва, 1989), областная научні техническая конференция НТО им. академика А.Н. Крылова "Технолога производства - научную основу" (Северодвинск, 1989), Всероссийская нау но-техническая конференция "Научно-технические проблемы создан! средств подъёма и утилизации затонувших объектов" (Санкт-Петербур 1994), вторая международная конференция "Моринтех-97" (Санкт-Петербур 1997), региональная НТК "Корабелы - 300-летию Петербурга" (Санк Петербург, 1998), НПК "Научно-техническая политика и развитие новых о
раслей экономики" (Архангельск, 1998), научный семинар кафедры "Пластическая обработка металлов, порошковых и композиционных материалов" (СПГТУ, 1999). Кроме того, отдельные результаты работы отмечены дипломами на конкурсах НИР научно-технического общества им. академика А.Н. Крылова в 1977, 1978, 1981, 1993, 1998 г.г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 статей, 10 тезисов докладов, получено 2 авторских свидетельства, во ВНТИЦ зарегистрировано 7 отчетов по хоздоговорным и госбюджетным НИР, выполненным под научным руководством и при непосредственном участии автора.
Структура її объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованных литературных источников, включающего 201 наименование. Общий объём работы 357 страниц машинописного текста, в том числе 104 рисунка и 55 таблиц.