Введение к работе
Актуальность работы.
Стальная катанка, проволока и изделия из неё (арматура, канаты, пружины, металлические сетки и т.п.) находят массовое применение и определяют эффективность работы многих сложных машин и конструкций. В условиях рыночной экономики большое значение приобретает повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, определяемой рациональным соотношением «цена-качество». В этой связи необходимо разрабатывать более эффективные пути повышения конструкционных и эксплуатационных свойств материала за счет совершенствования режимов деформации и создания новых способов обработки. Существующие промышленные способы обработки металлов давлением (ОМД), а также процессы высокотемпературной обработки не позволяют активно влиять на уровень механических свойств традиционных конструкционных материалов. Процессы холодной обработки, применяемые для массового производства высокопрочной продукции, такие как прокатка и волочение, активно упрочняют металлические материалы, однако, имеют ряд ограничений, связанных с деформационной способностью материалов. Поэтому разработка новых процессов получения высокопрочных материалов является актуальной и перспективной для ускоренного развития производства. Особый интерес представляют процессы пластического структурообразования, позволяющие формировать в конструкционных материалах мелкодисперсную структуру, приводящую к заметному повышению их прочности, износостойкости, сопротивлению усталости и т.д. В этой связи активно развивается научное направление по созданию в сталях ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерен менее одного микрона. Причем, наиболее эффективно измельчают структуру до УМЗ и даже наноструктурного состояний методы интенсивной пластической деформации (ИПД), преимущественно реализующие схему простого сдвига в условиях многоцикловой обработки с суммарной степенью накопленной деформации более 3. Получение такого типа структуры позволяет в разы повышать прочностные характеристики металлических материалов, однако, несмотря на многочисленные разработки, современные способы ИПД обладают рядом существенных ограничений, прежде всего в аспекте непрерывности и производительности технологических схем. Поэтому поиск высокопроизводительных схем формирования УМЗ структуры в металлах на базе традиционных процессов ОМД является важным этапом дальнейшего развития процессов ИПД. Например, метод волочения в силу квазимонотонного характера течения материала не обеспечивает эффективного формирования УМЗ структуры материалов, однако обладает высокой производительностью. Поэтому остается важной задачей совершенствования схем волочения для получения новых металлических материалов и новых видов продукции, в частности, высокопрочной низкоуглеродистой проволоки с УМЗ структурой для широкого применения. Использование дешевых низкоуглеродистых сталей для получения высокопрочных полуфабрикатов и изделий с характеристиками, максимально близкими к высокоуглеродистым или низколегированным сталям, позволит обеспечить конкурентоспособность и экономическую эффективность таких технологий. Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических и технических решений в области производства длинномерных изделий из традиционных конструкционных материалов с улучшенными свойствами методами ИПД и их внедрение в производство являются важной и актуальной задачей для металлургической и других отраслей промышленности РФ.
Работа частично выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации № 11.12.35.2017/ПЧ и гранта РФФИ № 17-08-00720/18.
Степень разработанности
Диссертация является законченным научным трудом, в котором решена актуальная задача повышения механических и эксплуатационных свойств низкоуглеродистой проволоки, на
примере стали марки 10, за счет создания новой совмещенной схемы напряженно-деформированного состояния и разработки научно-обоснованных технических решений.
Теория и практике схем волочения наиболее подробно рассмотрена в работах Г.Л. Колмогорова, И.Л. Перлина, М.З. Ерманка и др. Теоретические основы эффективности процессов с использованием сдвиговых схем обработки и конечно-элементное исследование методов ИПД проведено в работах В.М. Сегала, А.И. Рудского, В.С. Юсупова, Е.Н. Сосенушкина, Ф.З. Утя-шева, А.В. Боткина и др. Теоретические аспекты особенностей формирования УМЗ структур в металлических материалах в условиях ИПД разработаны и рассмотрены в работах Р.З. Валиева, С.В. Добаткина, Г.А. Салищева, В.Н. Чувильдеева и др., ряда зарубежных ученых Г. Гляйтера, Т.Г. Ленгдона, Ю. Жу и др.
Цель работы: разработка нового непрерывного метода деформирования с использованием принципов интенсивной пластической деформации на основе совмещения в очаге деформации технологических схем волочения и кручения (поперечного сдвига) для повышения механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Анализ особенностей технологических схем пластической обработки, включая методы интенсивной пластической деформации, обеспечивающих повышение прочностных свойств конструкционных металлов и сплавов.
-
Разработка непрерывного метода на основе совмещения волочения со сдвигом, исследование напряженно-деформированного состояния проволоки из низкоуглеродистой стали для рационализации режимов обработки и установления взаимосвязи варьируемых и зависимых параметров процесса.
-
Конструирование устройства и формообразующего инструмента для реализации совмещения волочения со сдвигом, проведение экспериментальных исследований особенностей формируемой структуры, механических и эксплуатационных свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.
-
Оценка инновационной перспективы использования совмещенной схемы обработки волочением со сдвигом для получения промышленной продукции в виде проволоки из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.
Научная новизна:
-
Впервые получены аналитические зависимости, определяющие условия сдвиговой деформации при совмещении обработки волочением со сдвигом и выведена формула, позволяющая рассчитать крутящий момент сдвига с учетом вклада упругой и пластической составляющих деформации.
-
Научно обоснован новый непрерывный метод «Волочение со сдвигом», отличающийся совмещением в одной операции схем растяжения и сдвига и приводящий к более интенсивному по сравнению с традиционным волочением повышению до 10% прочности проволоки из низкоуглеродистой стали 10 за счет интенсификации измельчения исходной структуры.
-
Установлена существенная неоднородность накопления деформации в сечении круглой заготовки (проволоки) после одного прохода обработки методом «Волочение со сдвигом», причем периферийные области накапливают деформацию в 2,5-3 раза интенсивней, что является причиной формирования структуры градиентного типа.
-
Установлено, что на поверхности проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после волочения со сдвигом формируется сверхтвердый слой толщиной до 140 мкм с прочностью до 7 ГПа.
-
Установлено, что формирование градиентной структуры в низкоуглеродистой проволоке из стали 10 полученной с использованием метода «Волочение со сдвигом» приводит к повышению на 15-25% сопротивления износу в условиях взаимного контактного сухого трения
по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки и других условий эксперимента.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Разработана методика теоретического расчета рабочего момента, обеспечивающего кручение заготовки в несимметричной конусной волоке учитывающая упругую и пластическую составляющие в суммарной деформации скручиваемого стержня.
-
Разработан новый метод «Волочение со сдвигом» и устройство для получения длинномерных полуфабрикатов (прутков, проволоки) из низкоуглеродистой стали (патенты РФ № 2347632 и №2347633) с повышенной прочностью за счет интенсификации накопления деформации за один проход и измельчения исходной структуры.
-
Разработаны и практически опробованы конструкция устройства и формообразующий инструмент для реализации метода «Волочение со сдвигом», обеспечивающие повышение механических свойств по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.
-
Разработаны режимы получения проволоки из низкоуглеродистой стали 10 после обработки волочением со сдвигом с более высокими на 10-12 % пределом прочности на растяжение и на 25% сопротивлением поверхностному износу по сравнению с традиционным волочением при одинаковом коэффициенте вытяжки.
-
Определено влияние технологических параметров метода «Волочения со сдвигом» на величину накапливаемой интенсивности деформации. Установлено, что при волочении со сдвигом силы, действующие на инструмент, снижаются до 2 раз по сравнению с традиционным волочением.
Методология и методы исследований
Исследование напряженно-деформированного состояния металла исследуемого метода «Волочение со сдвигом» осуществлялось с применением современного метода конечных элементов в программном комплексе DEFORM-3D. Исследование параметров структуры проводили с использованием передовых методик просвечивающей микроскопии. Исследование механических свойств проводили в соответствии со стандартами на методы испытаний и с использованием сертифицированного оборудования
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Аналитическая зависимость для численного определения момента, обеспечивающего деформацию поперечным сдвигом с учетом упругих и пластических деформаций.
-
Непрерывный метод «Волочение со сдвигом», конструкция устройства и формообразующего инструмента для его осуществления, позволяющие получать проволоку из низкоуглеродистой стали с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.
-
Взаимосвязь между формированием в проволоке, полученной методом «Волочение со сдвигом» и последующей пластической обработкой, прочностных и износостойких свойств, интенсивностью распределения накопленной деформации и особенностями структурного состояния.
Степень достоверности
Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования подтверждена анализом современных тенденций развития методов интенсивной пластической деформации, использованием основных закономерностей структурообразования и формирования механических свойств низкоуглеродистой стали при совмещении методов обработки металлов давлением.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и результатов исследования подтверждена использованием современного оборудования, методов исследований и обработки результатов экспериментов, расчетов, которые хорошо согласуются с известными работами по тематике рассматриваемого исследования.
Апробация результатов диссертационного исследования
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: Международный симпозиум «Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations» (г. Уфа, 2009 г.); Третья Всероссийская конференция по наномате-риалам НАНО - 2009 (г. Екатеринбург, 2009 г.); 68 Межрегиональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии обработки металлов» ( г. Санкт-Петербург, 2011 г.); IV Всероссийская конференция по наноматериалам (г. Москва, 2011 г.); Школа – конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (г. Уфа, 2012 г.); Международная конференция «The 141-st TMS Annual Meeting&Exhibition» (США, 2012 г.); V Всероссийская конференция по наноматериалам (г. Звенигород, 2013 г.); VI Международная конференция по наномате-риалам «NanoSPD6» (г. Метц, Франция, 2014 г.); 5-й Международный симпозиум «Bulk nanostructured materials: from fundamental to innovations» (г. Уфа, 2015 г.); X Российская научно-техническая конференция «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2016 г.); Международная конференция «Magnitogorsk rolling practice» (г. Магнитогорск, 2016 г.); III International scientific conference «Material science» (г. Варна, Болгария, 2017г.); XV International scientific conference «Ma-chines, Technologies, Materials» (Болгария, г. Боровец, 2018 г.); The 147-st TMS Annual Meet-ing&Exhibition» (США, 2018 г.).
Внедрение результатов диссертационных исследований
Результаты диссертации отражены в 27 публикациях, из них 3 научные статьи опубликованы в рецензируемых научных изданиях ВАК РФ, 4 статьи проиндексированы в наукометрических базах данных Web of Science и Scopus, 3 патента Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 4 приложений, содержит 54 рисунка, 11 таблиц; изложена на 121 страницах машинописного текста.