Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 10
1.1. Модели и теории разрушения 10
1.1.1. Развитие представлений о разрушении и деформируемости металла 10
1.1.2. Критерии и показатели пластичности 12
1.1.3. Модели развития поврежденности и разрушения металлов 16
1.1.3.1. Энергетические критерии и модели разрушения 16
1.1.3.2. Модели разрушения в категориях механики некомпактных материалов 19
1.1.3.3. Физико-механические модели разрушения 21
1.1.3.4. Кинетические теории разрушения в категориях механики сплошных сред 26
1.2. Методики исследования пластичности при высоких температурах 39
1.3. Оборудование для исследования пластических свойств материалов в условиях сложного напряженного состояния 50
2. Совершенствование и разработка оборудования для исследования деформируемости при повышенной температуре 55
2.1. Установка для исследования пластичности 55
2.2. Исследования сопротивления деформации 62
3. Пластичность спеченных деформируемых сплавов вольфрама 66
3.1, Сплавы системы "W-Ni-Fe" 66
3.2. Деформируемость металлокерамического вольфрама ВА при изготовлении проволоки 72
4. Деформируемость сплавов молибдена и хрома при изготовлении тонкостенных труб 95
4.1. Молибден МЧВП и сплав МНРЮ 95
4.1.1. Исследование сопротивления деформации и пластичности 100
4.1.2. Анализ поврежденности металла при изготовлении труб из молибдена и сплава МНРЮ 108
4.1.2.1. Прессование прутка 108
4.1.2.2. Прессование трубы на пуансоне 110
4.1.2.3. Прокатка труб на ХПТР 113
4.1.3. Рекомендации по совершенствованию действующей технологии 116
4.2. Сплав системы "Cr-Fe" 121
Заключение 130
Список литературы 133
Приложения 141
- Развитие представлений о разрушении и деформируемости металла
- Оборудование для исследования пластических свойств материалов в условиях сложного напряженного состояния
- Деформируемость металлокерамического вольфрама ВА при изготовлении проволоки
- Анализ поврежденности металла при изготовлении труб из молибдена и сплава МНРЮ
Введение к работе
Актуальность работы. Обработка металлов давлением является перспективной и развивающейся областью металлообрабатывающей промышленности. Для современного уровня развития науки и техники характерны прогрессивно растущие требования к повышению качества и снижению себестоимости изделий и полуфабрикатов, получаемых в процессах обработки давлением. Причем, действительность подталкивает производителей к овладеванию навыками быстрого проектирования и освоения технологических процессов, производства новых видов продукции для удовлетворения спроса на рынке металлопродукции. В механике обработки металлов давлением развиты эффективные методики математического моделирования и оптимизации технологических процессов, однако имеются значительные пробелы, связанные с отсутствием экспериментальных данных о пластичности металлов в зависимости от термомеханических параметров нагружения.
Пластичностью, по определению И.МПавлова, называется способность материала к пластической (необратимой, остаточной) деформации без разрушения материала. Пластические свойства металлических материалов являются . неустойчивыми, подверженными воздействию различных факторов, которые могут вызывать их существенное изменение. К числу значимых факторов, в первую очередь, относятся химический состав материала, структура, наличие примесных элементов, их распределение. Можно выделить также группу факторов, связанных с самими процессами обработки давлением. Таковыми являются условия напряженного состояния деформируемого тела, скоростные условия деформации (для теплой и горячей деформации), температурные условия деформации. Сложность получения оценки оптимальности и надежности технологических' процессов обработки металлов давлением связана с большим числом факторов и сложным характером их изменения.
Особую важность установление причин разрушения металла приобретает при освоении процессов обработки давлением новых сплавов, особенно малопластичных.
Методы определения пластичности должны соответствовать условиям выбранного технологического процесса. Достигаться это может в лабораторных испытаниях, в которых исследуемый материал доводиться до критической степени деформации, когда наступает его разрушение. Мерой пластичности материала при этом, как правило, принимается степень его деформации до начала разрушения.
Основополагающий вклад в формирование теоретических представлений о разрушении металла при обработке давлением был внесен отечественными учеными С.И.Губкиным, М.Я.Дзугутовым, М.А.Зайковым,
В.Л.Колмогоровым, В.И.Перетятько, А.А.Пресняковым, Г.А.Смирновым-Аляевым, Л.Д.Соколовым, Ю.М.Чижиковым и зарубежными учеными Д.Латамом, М.Кокрофтом, М.Ояне, Томсоном, Бекофеном и другими.
Дальнейшее развитие теорий и моделей разрушения было выполнено в исследованиях А.А.Богатова, Ю.Г.Важенцева, Г.Д.Деля, Е.Г.Зудова, И.А.Кийко, Н.Г.Колбасникова, А.В.Коновалова, Б.А.Мигачева,
О.И.Мижирицкого, В.М.Михалевича, В.А.Огородникова, В.А.Скуднова, С.В.Смирнова, Б.Е.Хайкина и других.
Анализ современных моделей разрушения показал, что в большинстве из них в качестве эмпирической информации используется зависимость предельной деформации до разрушения от параметров, характеризующих термомеханические условия деформирования. Для этого экспериментальным путем получают диаграммы пластичности, которые выявляют связь предельной деформации (пластичности) с показателями напряженного состояния при заданной температуре и скорости деформации.
Таким образом, развитие методов исследования пластичности и получение диаграмм пластичности для материалов, относящихся к деформируемым, является важной научной задачей, без решения которой невозможно использование теоретических оценок возможности разрушения металлов при обработке давлением.
Под влиянием результатов исследований П.Бриджмена и Верещагина, В.Л.Колмогоровым было предложено использовать для получения диаграмм пластичности технику высоких давлений, что позволило получать адекватные данные о пластичности в области сжимающих напряжений, характерной для процессов обработки металлов давлением. Специализированные установки, созданные в ИФМ УРО РАН, УПИ, ЦНИИТМАШе, были предназначены для исследования пластичности при холодной деформации. Положительный опыт создания в УПИ установки, позволяющей проводить испытания на пластичность в камере высокого давления при температуре до 500С, делает возможным поставить задачу увеличения температурного предела испытаний и, тем самым, расширения круга материалов, для которых может быть осуществлена теоретическая оценка деформируемости при обработке давлением.
В качестве объектов исследования были выбраны сплавы на основе вольфрама, молибдена и хрома, которые обладают ценными для современной техники физико-механическими свойствами, но имеют низкую пластичность, что вынуждает осуществлять их пластическую деформацию только при повышенных температурах.
Целью работы является разработка методики и аппаратуры для исследования в лабораторных условиях пластичности металлов при высоких температурах и сложном напряженном состоянии, получение диаграмм пластичности сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома, а также использование результатов исследований для совершенствования технологических процессов обработки давлением. Научная новизна.
1. Создана экспериментальная установка и разработана методика для исследования пластичности образцов материалов в условиях всестороннего сжатия при давлении от 0,1 до 1000 МПа, температуре нагрева от 20 до
1200 С и скорости нагружения от 0,001 до 100 мм/мин, что позволило построить диаграммы пластичности для ряда сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома в широком диапазоне изменения термомеханических параметров деформирования.
2. Установлено, что, в общем случае, совместное влияние температуры деформации и напряженного состояния на пластичность исследованных сплавов не всегда является однозначным. Наиболее интенсивный рост пластичности при повышении температуры испытания для вольфрама ВА, полученного методами продольной прокатки и ротационной ковки, наблюдается в области сжимающих напряжений; спеченных сплавов системы W-Ni-Fe, для молибдена МЧВП и его сплава МНРЮ - в условиях концентрации растягивающих напряжений; для сплава системы "Cr-Fe" в условиях плоской деформации пластичность равномерно повышается во всем диапазоне изменения показателя напряженного состояния, а при осесимметричной деформации растяжением - при уменьшении показателя напряженного состояния,
3. На основании результатов математического моделирования. установлены закономерности влияния технологических факторов процесса прессования прутков и труб на пуансоне из молибдена МЧВП и его сплава МНРЮ на накопление поврежденности.
4. Установлено влияние на пластичность способа деформации штабиков спеченного вольфрама ВА, полученных винтовой прокаткой, продольной прокаткой в многовалковых калибрах и ротационной ковкой. С позиций деформируемости определено, какой способ наиболее благоприятен в зависимости от напряженного состояния при последующей деформации заготовок, полученных из штабиков.
Практическая ценность.
1. На основе результатов исследований осуществлен сквозной анализ накопления поврежденности при изготовлении тонкостенных труб размером 0,8x7 мм из молибдена МЧВП и сплава МНРЮ. Разработаны рекомендации по изменению маршрута прессования труб на пуансоне и введения дополнительного промежуточного отжига, что позволило уменьшить технологический брак по разрушению труб при последующей холодной прокатке. Рекомендации переданы ВНИИТС и внедрены на МОЗТМ и ТС.
2. На основании анализа деформируемости разработаны рекомендации по маршруту волочения проволоки диаметром 0,8 мм из вольфрама ВА с промежуточным отжигом. Рекомендации внедрены ВНИИТС на Светловодском заводе ОЦМ, что позволило снизить брак по расслоению, выявленный при испытаниях проволоки на навивку.
На защиту выносятся следующие основные положения.
Методики и экспериментальная установка для исследования пластичности в условиях всестороннего сжатия и нагрева, характерных для процессов обработки металлов давлением.
Результаты исследования сопротивления деформации, диаграммы пластичности и установленные закономерности совместного влияния температуры и напряженного состояния на пластичность ряда промышленных сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома.
Результаты прикладных исследований деформируемости и рекомендации по совершенствованию технологических процессов прессования молибденовых труб на пуансоне и волочения вольфрамовой проволоки.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: Зональной научной конференции "Структура и свойства материалов". Новокузнецк, 1988 г.; Научно-техническом семинаре "Пластичность и деформируемость при обработке металлов давлением". Челябинск, 1989 г.; Втором Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий". Новокузнецк, 1991 г.; Второй .Международной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов". Екатеринбург, 2003 г., XVII-ой Российской научно-технической конференции с международным участием "Неразрушающий контроль и диагностика". Екатеринбург, 2005 г.
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в четырех печатных работах, получено авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, списка литературы. Объем работы - 141 страница, рисунки -30, таблицы -12, список литературы содержит 136 наименований.
Во введении диссертации формулируются актуальность темы диссертационной работы, ее цель, научная новизна и практическая ценность результатов исследований, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен аналитический обзор описанных в литературе основных моделей и теорий разрушения, критериев и показателей пластичности, аппаратуры и методик исследования пластичности при высоких температурах.
Во второй главе описываются применявшиеся в диссертации методики исследования сопротивления деформации при обычных и повышенных температурах, изложена конструкция оригинальной установки для исследования высокотемпературной пластичности и методика проведения этих испытаний.
В третьей главе приведены результаты исследований высокотемпературной пластичности тяжелых сплавов на основе вольфрама и исследования деформируемости металлокерамического вольфрама ВА при изготовлении проволоки.
В четвертой главе проанализированы технологии изготовления труб из молибденовых сплавов, произведена оценка накапливаемой материалом деформационной поврежденности по существующим технологиям, предложены альтернативные варианты технологических маршрутов. Исследована также высокотемпературная пластичность сплава системы "Gr-Fe".
Развитие представлений о разрушении и деформируемости металла
Процессы деформирования твердых тел при их обработке давлением зачастую приводят к исчерпанию ресурса материала или его способности деформироваться без разрушения. Это явление может проявляться и в период эксплуатации изделий, полученных обработкой давлением.
Совершенствование физических и микроскопических методов исследования позволило определить стадийность развития поврежденности при холодной деформации металлов.
Первый этап. Возникновение субмикро- и микротрещин. Приложенные напряжения вызывают движение дислокаций, препятствием которому служат барьеры. Барьерами могут являться границы зерен, включения, другие линии скольжения и другое. Зародыш микротрещины растет до критического размера путем попадания в него дислокаций. Критический размер обычно определяется геометрическими параметрами субзеренной или зеренной структуры. Образование упругих субмикротрещин начинается с первых актов пластической деформации, поскольку в реальном металле всегда имеются свободные дислокации. В хрупких материалах острые микротрещины быстро достигают размеров, при которых для дальнейшего развития не требуется увеличение внешних напряжений и разрушение приобретает лавинообразный характер. При нагружении пластичных материалов, в процессе развития, субмикротрещины затупляются, превращаясь в субмикропоры [22,23].
Второй этап. Коалесценция субмикропор и микропор. После разрыва перемычек между порами заканчивается изолированное развитие субмикропор. Размеры сформировавшихся микропор обычно ограничены размерами деформированного зерна в металле. По мере развития деформации такие микропоры растут в размерах и могут объединяться.
Третий этап. Возникновение пор и вязких микротрещин. Объединившиеся на предыдущем этапе микропоры образуют микротрещины или поры, формируя фронт "предразрушения" металла. Сценарий, по которому происходит развитие объединившихся микропор, определяется вязкостью материала.
Четвертый этап. Возникновение трещины и окончательное разрушение. Условия нагружения сильно влияют на то, по какому механизму будет развиваться трещина. Развитие может происходить как по вязкому, так и по хрупкому механизму. На основании анализа литературных источников можно обобщенным образом сформулировать, как влияет напряженное состояние на микроструктурные особенности пластической деформации и разрушения металла: 1. Рост доли сжимающих напряжений повышает критическое напряжение зарождения и развития микродефектов, а также напряжение необходимое для расслоения границ между металлической матрицей и включением или межфазных границ [24,25]. 2. Рост растягивающих напряжений усиливает, а рост сжимающих напряжений подавляет возникновение и развитие объемных микродефектов. При больших сжимающих напряжениях возможно залечивание образовавшихся при деформации дефектов [24,25,26]. 3. Положительное воздействие сжимающих напряжений на пластичность может проявиться при достижении некоторого порогового значения. Уровень пороговых напряжений зависит от природы металла, его химического состава и структуры [25,27]. Существуют такие пороговые значения уровня напряжений, для которых соответственно характерно состояние сверхпластичности и потери макроскопической пластичности [25,28,29]. Состояние неограниченной пластичности возникает при полном подавлении процессов накопления поврежденности при деформации в условиях интенсивных сжимающих напряжений. 4. Вид напряженного состояния, характеризуемый соотношением главных нормальных напряжений, определяет при пластической деформации динамику объединения и развития микродефектов. При деформации в условиях объемных или осесимметричных растягивающих напряжений микродефекты развиваются, в основном, по механизму внутреннего шейкообразования, а при плоском напряженном состоянии микродефекты развиваются в виде вязких трещин [3]. 5. Циклическое изменение направления нагружения на противоположное приводит к увеличению суммарной накопленной до момента разрушения деформации. Это связано с частичной релаксацией упругих напряжений в местах скопления дислокаций, а также с залечиванием микродефектов. 6. Нагрев деформированного металла может приводить к частичному залечиванию деформационных дефектов. Этот процесс определяется размерами дефектов, их упругим взаимодействием с металлической матрицей, температурой и продолжительностью нагрева, величиной внешнего давления [26,27,30]. При наложении внешнего давления в процессе нагрева возможно залечивание не только микро- но и макродефектов. При этом залечивание дефектов происходит путем затекания в них металла [26]. Для адекватной оценки деформационной способности металлов в реальных процессах обработки давлением необходимо иметь некие критерии. В исследованиях, проведенных еще в XIX веке, Карстон (1816 г.), Баушингер (1898 г.), Карман показали, что установление критерия разрушения для напряженного состояния даже с одним отличным от нуля напряжением представляет большую сложность [31]. Среди отечественных ученых к этой проблеме, видимо первым, обратился С. И. Губкин [32,33]. За рубежом научные основы проектирования технологий ОМД без разрушения металла начали создаваться В.Бекофеном [34] и М.Г. Кокрофтом [35].
В работах СИ. Губкина излагается теория метода определения показателей, характеризующих способность металла к обработке давлением, в том числе и горячей. Им впервые вводится понятие "пластичность" как способность тела воспринимать пластическое формоизменение. Под термином "технологическая деформируемость" понимается способность металла к обработке его давлением. Для количественной оценки технологической деформируемости привлекаются показатели пластичности совместно с показателями сопротивления пластическому формоизменению или специальные показатели, учитывающие одновременно способность к пластическому формоизменению и характер разрушения. СИ. Губкин предположил, что критерием разрушения в условиях развитой пластической деформации, может служить степень деформации. Некоторое ее критическое значение, при котором наступает разрушение, было названо пластичностью. СИ. Губкин указал на влияние на пластичность напряженного состояния и, в качестве аргументов этого влияния, предложил два безразмерных независимых показателя, составленных из инвариантов тензора напряжений. Среди показателей, использовавшихся для оценки деформируемости, выделяют простые, комбинированные и универсальные. К группе простых относят показатели, определяемые при простых схемах нагружения: относительное удлинение 8 и сужение у образца, критическое обжатие при осадке єр, число оборотов до разрушения образца в испытаниях на кручение пкр и т.д. Комбинированные показатели деформируемости являются комбинацией простых. Среди них можно назвать показатель Мартенса "B/"S показатель Рейзера 50O"B/CTSH ДРУгие подробно рассмотренные в работе [36]. Ограниченная применимость простых и комбинированных показателей деформируемости обусловлена тем, что они определены при схемах напряженного состояния, которые практически не встречаются в реальных технологических процессах. МЛ. Дзугутов [37] отмечает, что диаграммы пластичности, построенные на основании показателей 5 и \j/ чаще всего не совпадают как по абсолютной величине, так и по температуре максимального значения каждого из них. Кривая предельных обжатий, полученная в производственных условиях, также демонстрирует иную зависимость.
Оборудование для исследования пластических свойств материалов в условиях сложного напряженного состояния
Большой вклад в развитие исследований механических свойств в условиях высокого давления внесен ПБриджменом в работах [1,90]. В дальнейшем исследования были продолжены такими зарубежными учеными, как К.Свенсон [91], Р.Уэнторф [92], К.Брэдли [93], Х.Пью[94] и др.
Среди отечественных разработок в области создания установок и исследования физико-механических свойств металлов в условиях высокого давления необходимо выделить работы, выполненные под руководством Л.Ф.Верещагина и Б.КБереснева [95,96]. В дальнейшем эти исследования были продолжены, в том числе были созданы новые установки Г.Д.Ушаковым [97], Ю.Г.Важенцевым [75], В.И.Зайцевым [98], А.И.Колпашниковым [99], Г.С.Писаренко и А.А.Лебедевым [100], А.А.Богатовым, В.Ф.Шишминцевым, С.И.Рыдзевским и О.И.Мижирицким [28] и др.
По конструктивным особенностям установки высокого давления для изучения механических свойств материалов можно разделить на три группы [97]: 1) однопоршневые аппараты системы цилиндр-поршень: всестороннее и осевое давление в них создаются одним и тем же поршнем; 2) аппараты системы цилиндр-поршень-мультипликатор: всестороннее давление создается мультипликатором, осевое давление — поршнем, заключенным в цилиндре блока высокого давления, причем мультипликатор и поршень, как правило работают независимо друг от друга; 3) двухпоршневые аппараты типа цилиндр-поршень-поршень: всестороннее и осевое давление создаются одним из поршней, в то время как второй используется для поддержания постоянного давления во время опыта. Впервые однопоршневый аппарат высокого давления был сконструирован Т.Карманом. С его помощью исследовалось поведение твердых тел под давлением до 200 МПа. Позже П.Бриджмен сконструировал аппарат с механической поддержкой, в котором можно было получать давление 3000 МПа.
В настоящее время известно много модификаций гидростатических аппаратов системы цилиндр-поршень. Основным недостатком установок такого типа является изменение гидростатического давления, действующего на образец, в процессе испытания. Для устранения этого нежелательного явления были предложены установки, в которых для поддержания постоянного давления использовалась экструдируемая из этой камеры заготовка. Уровень гидростатического давления в камере регулировался подбором соответствующего материала заготовки. Другим способом поддержания постоянного давления в камере высокого давления является применение силораспределителя в виде коаксиально расположенных плунжеров.
Следует отметить, что эксплуатация таких установок связана со значительными техническими сложностями. Это связано с тем, что наличие подвижных частей в конструкциях узлов высокого давления, неизбежно приводит к их значительному износу и разгерметизации камер высокого давления.
В установках системы цилиндр-поршень-мультипликатор давление рабочей жидкости создается автономной аппаратурой, насосами или мультипликаторами. Гидростатическое давление может регулироваться в любом соотношении к осевой нагрузке, прикладываемой к образцу.
Эволюция этих установок шла по пути повышения гидростатического давления, его стабилизации в процессе испытания, улучшения методов замера осевых усилий и деформаций образца. В аппаратах такой конструкции удавалось достигать давлений рабочей жидкости до 2000 МПа. Анализ различных установок этого типа показывает, что для возможности поддержания постоянного давления во время испытания, авторам всегда приходилось идти на значительное усложнение конструкции установок. Но эти усложнения не позволяли решить технические проблемы для увеличения уровня достигаемых рабочих давлений и осевых усилий деформирования. В то же время значительно усложнялись процедуры монтажа и демонтажа испытуемого образца.
Наиболее полно исследовать поведение материалов при трехосном напряженном состоянии позволяют двухпоршневые аппараты системы цилиндр-поршень-поршень. Во многих описанных установках такой конструкции поршни снабжены захватами и соединены с приводами источника высокого давления и механизма для испытания образца. За счет этого значительно усложняется конструкция привода, ухудшаются условия обслуживания установки, снижается ее производительность, затрудняется управление процессом испытания по заданной программе нагружения, ограничиваются возможности осуществления различных видов испытания образца (растяжение, кручение, осадка, выдавливание мембраны) в одной и той же испытательной камере.
Значительным преимуществом обладают те установки, у которых один захват расположен на нижнем поршне, а второй — на внутренней поверхности контейнера [101,102]. В этом случае верхний поршень соединен с приводом механизма, обеспечивающего создание гидростатического давления в испытательной камере, а нижний поршень и контейнер соединены с приводами механизмов испытания образца. Применение трех независимых приводов позволяет упростить условия эксплуатации установки, существенно увеличить ее производительность и конструктивно обеспечить возможность программного нагружения образцов. Некоторые конструкции установок снабжены специальными нагревательными устройствами, позволяющими проводить испытания материалов при трехосном напряженном состоянии и различных температурных режимах.
Двухпоршневые гидростатические аппараты конструктивно более компактны и просты в эксплуатации, чем аппараты системы цилиндр-поршень-мультипликатор. Однако они обладают определенными недостатками. Например, через подвижный поршень вводятся электрические провода, соединяющие датчики давления, температуры, перемещения. В условиях высокого давления и температуры эти провода часто разрушаются. Весьма затруднено в аппаратах такой конструкции проведение испытаний при повышенных температурах, если нагреватель расположен внутри камеры высокого давления.
Деформируемость металлокерамического вольфрама ВА при изготовлении проволоки
В настоящее время проволока из вольфрама и других тугоплавких металлов находит широкое применение в светотехнической, электровакуумной промышленности, радиоэлектронике, приборостроении. С развитием новых областей техники такую проволоку применяют для изготовления различных сеток, вязаных и плетеных изделий. Тонкая проволока используется также в качестве основы (каркаса) при армировании конструкционных материалов, используемых в космической технике и во многих других областях [109-112].
При создании изделий с высокими техническими характеристиками, повышенными требованиями к их надежности, долговечности и технологичности при обработке (повышенные скорости спирализации (до 10000 об/мин), высокие скорости намотки и ткания сеток, динамические воздействия при получении сеток на ткацких станках, жесткие условия испытаний на расслой и др.), резко повышаются требования к чистоте и структурной однородности тугоплавких металлокерамических материалов, к физико-механическим и технологическим свойствам заготовки и к готовой проволоке.
Ротационная ковка, в настоящее время, является наиболее распространенным промышленным методом получения проволочной заготовки из тугоплавких металлов и их сплавов [ИЗ]. Заготовка для получения проволоки изготавливается из вольфрамовых штабиков за несколько переходов. При горячей ротационной ковке (1300-1400 С) значительная часть возникающих дислокаций аннигилирует, остальные образуют сплетения и выстраиваются в границах блоков и зерен. В условиях высокотемпературной обработки облегчаются диффузия примесей и сегрегация их на скоплениях дислокаций, в границах субзерен и зерен, что вызывает охрупчивание металла и порождает расслоение. Ротационная ковка сопровождается значительным газонасыщением и разрыхлением поверхностных слоев. Безвозвратные потери металла на угар достигают 5-6% из-за проведения процесса при высоких температурах в атмосферных условиях. Ковка способствует образованию трещин, которые часто являются причиной расслоя металла при дальнейшей обработке волочением и спирализации. Ковка связана с тяжелыми условиями труда вследствии высоких рабочих температур и интенсивной возгонки токсичных окислов, наличия вибрации и шума. Следует также отметить невысокий уровень производительности и сложность механизации процесса. Перечисленные выше недостатки процесса ротационной ковки вынуждают инженеров искать альтернативные варианты технологических схем изготовления проволочной вольфрамовой заготовки.
Для получения требуемых структурных, жаропрочных, эмиссионных и других характеристик вольфрама, используемого в виде прутков и проволоки в светотехнике и электронике, вводят специальные присадки. В зависимости от вида и количества присадок вольфрам подразделяют на марки. Наиболее распространенным является формоустойчивый при высоких рабочих температурах (непровисающий) вольфрам марки ВА (0,45%К2О; 0,44%SiO2 ; 0,03%А12Оз; 0,002%СаО) [114]. Технология изготовления проволоки, а также количество вводимого в него калия оказывают существенное влияние на процесс образования цепочек пор и их распределение, а также на величину провисания проволоки и ее вибростойкость.
В работе [114] сформулированы основные причины, вызывающие расслоение тонкой проволоки: 1. Пористость и повышенное содержание примесей внедрения в исходных штабиках (в вольфраме марки ВА это усугубляется введением алюмокремнещелочной присадки); 2. Высокая суммарная степень деформации, обусловленная технологическим процессом и используемым оборудованием; 3. Неравномерность и большая дробность деформации, характерная для технологии, включающей ротационную ковку и волочение. В работе [115] впервые в отечественной практике была описана возможность получения качественной проволочной заготовки для волочения, из штабиков вольфрама марки ВА, путем продольной прокатки в калиброванных валках. Достоинствами процесса прокатки являются высокая производительность, возможность создания непрерывного процесса, более благоприятная схема напряженно-деформированного состояния металла по сравнению с ковкой, резкое снижение затрат ручного труда. Авторы работы [116] для продольной прокатки использовали валки с шестигранными калибрами, в которых заготовка прокатывалась с двойной кантовкой. Металлографические исследования, проведенные в работах [115], [116] показали, что нет принципиальных отличий в структуре ротационно-кованых и прокатанных заготовок, но катаные заготовки имеют более мелкое зерно из-за отсутствия промежуточных отжигов. Величины относительного сужения и прочности ротационно-кованой и катаной заготовок близки по величине, число оборотов до разрушения при кручении кованых заготовок значительно выше при температурах близких к комнатной, но с увеличением температуры разница в этом показателе пластичности постепенно уменьшается.
В работе [114] произведено сравнение механических свойств заготовок, полученных ротационной ковкой и прокаткой в системе калибров «ромб-квадрат», которое показало некоторое снижение относительного сужения при растяжении цилиндрических образцов из катаной заготовки по сравнению с кованой в диапазоне температур испытания 250-700 С. При более высоких температурах уровень пластических свойств выравнивается. Наблюдаемые отличия авторы связывают с различием температурно-скоростных условий деформации при прокатке и ковке. Произведенный анализ позволил авторам сделать вывод, что катаная заготовка обладает более благоприятным сочетанием физико-механических свойств по сравнению с кованой.
В работе [117] разработаны теоретические и технологические вопросы пластической деформации малопластичных сплавов в многовалковых калибрах. В настоящее время созданы специализированные прокатные станы с четырехвалковыми калибрами [118]. При прокатке металл деформируется одновременно четырьмя валками, образующими замкнутый калибр. Необходимо отметить, что в упомянутых выше исследованиях определялись конечные механические свойства, но не решались задачи оценки и сравнения уровня деформируемости, ресурса пластичности сплава в условиях технологических операций изготовления проволоки. Но, как известно, вольфрам и его сплавы имеют низкий ресурс пластичности при обработке давлением, склонны к образованию поверхностных трещин и расслоений, поэтому при выборе метода изготовления заготовок необходимо учитывать фактор ограниченной пластичности материала.
Анализ поврежденности металла при изготовлении труб из молибдена и сплава МНРЮ
В основу методики положено решение краевой задачи по определению напряженно-деформированного состояния при гидроэкструзии и прессовании [105]. Рассматривается осесимметричное, радиальное течение деформационно-упрочняемого металла в условиях контактного трения по Зибелю. Форма очага деформации видоизменяется в зависимости от конфигурации рабочего инструмента и граничных условий, учитывается также дополнительная деформация за счет изгиба материальных волокон металла при входе и выходе из очага деформации. Алгоритм решения был реализован в виде программы.
Проведение планированного математического эксперимента с помощью данной программы позволило построить номограммы для определения поврежденности поверхностных слоев заготовки, в которых наиболее вероятно разрушение. Номограммы позволяют рассчитывать поврежденность для конкретных сплавов, с экспериментально определенными деформационными
свойствами, в зависимости от изменения двух основных факторов, влияющих на накопление поврежденности: величины обжатия є - (d0 -d, )/d02 (d0,d1 -диаметры прутка до и после прессования) и угла конусности матрицы а. Номограммы приведены на рис.4.7,4.8. Видно, что накопление поврежденности увеличивается с ростом величины обжатия и угла конусности матрицы, причем угол конусности матрицы может являться более значимым фактором. Особенно это проявляется при больших значениях углов. Увеличение накопления поврежденности при росте угла конусности связано с увеличением дополнительных деформаций, возникающих за счет изгиба материальных волокон на входе и выходе из очага деформации, а также небольшими значениями показателя ао- Снижение интенсивности накопления поврежденности с увеличением величины обжатия связано с увеличением сжимающих напряжений, что способствует увеличению пластичности. Этот фактор уменьшает влияние на поврежденность таких факторов как угол конусности матрицы и накопленная степень деформации.
Для расчета поврежденности металла при прессовании труб на пуансоне использовали известный программный комплекс QForm для конечно-элементного моделирования процессов ковки и штамповки [77]. В качестве исходной служила информация о свойствах деформируемого металла (см. раздел 4.1.1), размеры инструмента, размеры трубы до и после деформации. Для тестового примера был проведен расчет поврежденности для нескольких, предварительно выбранных, точек, характеризующихся различным расположением по расстоянию до оси трубы. Расчеты показали, что максимальную поврежденность приобретает микрообъемы металла, лежащие на внутренней поверхности трубы. Далее, в результате реализации планированного численного эксперимента было установлено влияние угла конусности волоки; относительного обжатия по толщине стенки; отношения толщины стенки So к диаметру трубы Do до прессования на итоговую поврежденность со. В расчетах использовался полуугол конусности матрицы а/2, который варьировали от 8 до 20, отношение AS/S0 изменялось от 0,162 до 0,28, относительная тон косте нность So/D0 от 0,1 до 0,21. При расчете поврежденности учитывалось влияние на пластичность показателей напряженного состояния а/Т и цд. Для удобства анализа результаты расчетов аппроксимировали в виде следующих зависимостей:
Рассматривая полученные формулы для разных материалов, можно заметить, что при прочих равных условиях, поврежденность увеличивается с увеличением обжатия по стенке AS/So и начальной тонкостенности трубы So/Do. Влияние полуугла конусности волоки для разных материалов различно: для МЧВП рост этого параметра приводит к возрастанию итоговой поврежденности, а для МНРЮ к снижению. Такое различие во влияние одного параметра процесса, вероятно, обусловлено его двояким влиянием на процессы дефектообразования. С одной стороны, увеличение угла конусности "смягчает" напряженное состояние деформируемого металла, с другой же стороны значительно увеличивается степень накопленной частицами металла степени деформации. Можно предположить, что итоговое взаимодействие этих процессов для материалов, имеющих различные пластические свойства, приводит к противоположным закономерностям в динамике накопления поврежденности на внутренней поверхности трубы при прессовании на пуансоне. Наблюдаемые частные зависимости накопленной поврежденности от различных параметров процесса проиллюстрированы графиками на рис.4.9.
Методика расчета напряженно-деформированного состояния основана на обобщении результатов экспериментального исследования течения металла, выполненного Алешиным В.А. [131] и выводов, изложенных в работах [45,132].
Значительная часть изменения диаметра трубы происходит в зоне редуцирования, а изменение толщины стенки - на участке соприкосновения внутренней поверхности трубы с оправкой. Поэтому, фактором, в наибольшей степени определяющем накопление поврежденности в зоне редуцирования, можно считать изменение внутреннего диаметра трубы Ad/d0, а в зоне обжатия стенки — параметр AS/S0 и величину подачи за один двойной ход т.
Поврежденность при прокатке труб рассчитывали по формуле В.Л. Колмогорова [46] с учетом снижения интенсивности накопления поврежденности при знакопеременной деформации по модели А.А. Богатова [28]: где количество циклов частных обжатий п при прохождении материальной частицей зоны редуцирования, значения степени деформации сдвига, накопленной в зоне редуцирования Aj и суммарной за процесс прокатки As, определяются по формулам, приведенным в работах [45,131].
При расчетах принимали величину подачи равной 1,5.. .2,0 мм, что соответствует сложившейся заводской практике. Как видно из таблицы 4.3 поврежденность при прокатке увеличивается незначительно.
