Введение к работе
Актуальность работы.
Традиционно в теории ОМД для решения краевых задач используется гипотеза об однородном деформируемом материале, обладающем усредненными свойствами, которые определяются при испытаниях образцов, изготовленных из этого материала. Для описания изменения свойств материала при деформировании развиваются феноменологические теории поврежденности и упрочнения, развиваемые в работах В.Л. Колмогорова, Г.Д. Деля, В.А. Огородникова, А.А. Богатова, СВ. Смирнова, Е.Г. Зудова, Б.А. Мигачева и др.
Современные материалы, как правило, являются структурно неоднородными и состоят из структурных составляющих, каждая из которых имеет свои свойства. В настоящее время к структурно-неоднородным относят ряд групп материалов от композиционных до порошковых. Для описания деформации каждого из них в механике и теории ОМД развиваются самостоятельные научные направления.
Даже при равномерной макроскопической деформации имеет место неравномерное напряженно-деформированное состояние (НДС) на мезоуровне из-за различия упругих и пластических свойств структурных составляющих. Это является причиной возникновения деформационных микродефектов, развивающихся в процессе пластической деформации и приводящих к разрушению материала при изготовлении изделий или в условиях их эксплуатации.
Поэтому актуальным является разработка методов проектирования технологий обработки металлов давлением (ОМД), позволяющих минимизировать микроразрушения путем создания благоприятного НДС как в целом для обрабатываемого материала, так и для его структурных составляющих. Это требует создания математических моделей процессов ОМД, адекватно описывающих сложное поведение материала и его структурных составляющих при деформации, позволяющих подбирать оптимальное сочетание внутренних параметров структуры для получения заданных свойств материала в готовых изделиях. Поэтому ключевое значение приобретает понятие мезоуровня, несущего информацию о поведении структурных составляющих материала и их взаимодействиях.
Значительный опыт решения краевых задач упругих и малых упруго-пластических деформаций накоплен в механике композитов, где, в частности, под влиянием пионерских работ С.Д. Волкова развит структурно- феноменого-гический подход, связывающий решение задач на макро и мезоуровнях.
При таком подходе одной из главных проблем является задача нахождения адекватных определяющих соотношений для каждой структурной составляющей. Если для искусственных структурно-неоднородных материалов механические свойства для компонент могут быть получены в макро испытаниях (разрушающих экспериментах на растяжение, сжатие, кручение и т.д.), то для сталей и сплавов, размеры структурных составляющих которых исчисляются десятками микрон, изготовить образец и осуществить аналогичные испытания не представляется возможным. Кроме того, выделенный из своей естественной
среды компонент теряет влияние "соседей", которое согласно теории принципа ближнего порядка является определяющим в процессе деформирования материала как целостной системы. Отсюда возникает необходимость определения свойств структурных компонент локально, в их реальном окружении.
Исследования, приведенные в диссертации, были выполнены в соответствии с Федеральной целевой программой "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы" ("Интеграция"), а также в соответствии с планами научно-исследовательских работ Уральского государственного технического университета и Института машиноведения Уральского отделения Российской академии наук.
Целью работы является разработка метода моделирования напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородных материалов в технологических процессах обработки давлением с учетом геометрии и свойств структурных составляющих.
Научная новизна.
-
Предложена двухуровневая концепция для реализации структурно-феноменологического подхода при решении задач пластической деформации структурно-неоднородных материалов. Для создания геометрической модели структуры при моделировании НДС на мезоуровне предложено использовать ситуационное моделирование совместно со статистическим методом Монте-Карло, что позволяет учесть влияние разнообразия форм, размеров и взаимного расположения структурных составляющих.
-
Разработан' метод определения функции сопротивления деформации по результатам испытаний при внедрении конического индентора. Этим методом определено сопротивление деформации ряда сталей и сплавов, а также
\ структурных составляющих латуни ЛМцАЖКС (а- фазы, сс+Р'- колоний и силицидов), феррита и цементита в сорбите патентированной стали 70.
3. Исследованы и установлены закономерности НДС на мезоуровне при де
формации латуни ЛМцАЖКС и патентированной стали 70 в зависимости от
формы, размеров и взаимного расположения структурных составляющих
материалов.
Практическая значимость
-
На основании результатов исследования деформируемости сплава ЛМцАЖКС установлено, что формирование резьбы на кольце синхронизатора коробки передач автомобиля ВАЗ-2110 может быть осуществлено накаткой взамен нарезки. При этом достигается более высокий уровень упрочнения резьбы при меньшей величине поврежденности.
-
Установлено, что железосодержащие силициды, по сравнению с марганцовистыми, менее пластичны и более склонны к разрушению при формировании резьбы. Уменьшение содержания железосодержащих силицидов в лату-
N- ни ЛМцАЖКС повышает ее деформируемость и обрабатываемость.
3. На основании результатов комплексного исследования механических
v/ свойств при волочении патентированной проволоки из сталей с содержани
ем 0,24 и 0,70% углерода были выявлены три стадии их изменения по мере
увеличения деформации. Начало третьей стадии соответствует возникнове-
нию в деформируемой проволоке микродефектов, незалечиваемых отжигом,
что необходимо учитывать при разработке технологии изготовления прово
локи. "
Реализация результатов работы
На основании выполненного исследования деформируемости силицидов в латуни ЛМцАЖКС были даны рекомендации по изменению химического состава и микроструктуры сплава, которые были использованы на АООТ "Металлургический холдинг"(г. Ревда) при разработке технических условий на трубнуюзаготовку диаметром 69,5x51 мм, предназначенную для изготовления колец синхронизатора 2108-1701164 коробки передач автомобиля ВАЗ-2110 на АО"АВТОВАЗ". Данные рекомендации предусматривают уменьшение содержания железа в латуни с 2,0+2,5% до 1,5+2,0%. На защиту выносятся:
-
Двухуровневая концепция для реализации структурно-феноменологического подхода при решении задач пластической деформации структурно-неоднородных материалов и ее использование для моделирования деформации структурных составляющих латуни ЛМцАЖКС при нарезке и накатке резьбы и деформации сорбита патентированной проволоки при волочении. Установленные закономерности влияния формы, размеров и взаимного расположения структурных составляющих на их НДС.
-
Метод определения функции сопротивления деформации металла по данным испытаний при внедрении конического индентора и результаты, полученные с его использованием, при исследовании ряда сталей, сплавов и их структурных составляющих.
-
Результаты исследования деформируемости латуни ЛМцАЖКС и ее структурных составляющих при формообразовании резьбы и вывод о возможности замены нарезки резьбы накаткой при изготовлении колец синхронизатора коробки передач автомобиля ВАЗ-2110.
-
Результаты комплексного исследования изменения механических свойств и поврежденное при волочении патентированной углеродистой стали и вывод о возможности прогноза возникновения незалечиваемых отжигом деформационных дефектов по характеру изменения механических свойств.
Достоверность научных результатов и выводов обоснована применением известных уравнений механики сплошных сред, прикладных комплексор roC'PLAST" и nK"COSMOS/M", основанных на использовании универсального численного метода конечных элементов, а также совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Апробация результатов работы.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на II международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии" (Орел, 1998); 12-ой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1999); VIII Международном семинаре "Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов (Екатеринбург, 1999); Всероссийском научном семинаре "Механика микронеоднородных материалов и разрушение", посвященном памяти С.Д. Волкова (Екатеринбург, 1999); XXXV семинаре Межгосу-
дарственного координационного совета по физике прочности и пластичности материалов "Актуальные проблемы прочности" (Псков, 1999); 15- ой Российской конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Москва, 1999); Всероссийской конференции молодых ученых "Математическое моделирование в естественных науках"(Пермь, 1999).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных научных работ, из них 3 статьи.
Объем и структура работы. Диссертация содержит 232 страницы, включая 71 рисунок, 29 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 184 наименований и 5 приложений на 26 страницах.