Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ способов повышения уровня механических свойств металлоизделий 9
1.1 Пути повышения механических свойств сплавов 9
1.2 Влияние различных схем деформирования на свойства сплавов 17
1.3 Использование комбинированных схем деформации в методах интенсивной пластической деформации 22
1.4 Производство прутков круглого сечения и проволоки 33
комбинированными методами 33
1.5 Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования 43
ГЛАВА 2 Разработка комбинированной деформационной обработки проволоки волочением с кручением и изгибом 46
2.1 Моделирование комбинирования процесса волочения с кручением проволоки в Deform-3D 49
2.2 Моделирование комбинирования процесса волочения с кручением и изгибом в Deform-3D 57
2.3 Разработка комбинированного метода волочения с кручением и изгибом 62
2.4 Исследование влияния параметров комбинированного метода обработки на
микроструктуру углеродистой стальной проволоки 69
2.5 Выводы по главе 2 79
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование влияния параметров комбинированного воздействия на механические свойства углеродистой стальной проволоки 81
3.1 Методика проведения эксперимента 81
3.2 Исследование влияния обжатия во второй волоке на механические свойства проволоки при комбинированной деформационной обработке 83
3.3 Исследование влияния обжатия в первой волоке на механические свойства проволоки при комбинированной деформационной обработке 92
3.4 Исследование влияния распределения обжатий по маршруту волочения на механические свойства проволоки при комбинированной деформационной обработке 97
3.5 Исследование влияния различных факторов комбинированной деформационной обработки на механические свойства проволоки методом планирования эксперимента 100
3.6 Выводы по главе 3 112
ГЛАВА 4 Оценка эффективности комбинированной деформационной обработки углеродистой проволоки волочением со знакопеременным изгибом с кручением 114
4.1 Критериальная оценка эффективности комбинированной деформационной обработки проволоки волочением со знакопеременным изгибом с кручением 114
4.2 Сравнение механических свойств углеродистой проволоки и заготовок после обработки различными методами пластической деформации 124
4.3 Оценка соответствия механических свойств проволоки после комбинированной обработки волочением со знакопеременным изгибом с кручением требованиям стандартов 133
4.4 Выводы по главе 4 140
Заключение 142
Список литературы 144
- Использование комбинированных схем деформации в методах интенсивной пластической деформации
- Моделирование комбинирования процесса волочения с кручением и изгибом в Deform-3D
- Исследование влияния обжатия во второй волоке на механические свойства проволоки при комбинированной деформационной обработке
- Сравнение механических свойств углеродистой проволоки и заготовок после обработки различными методами пластической деформации
Использование комбинированных схем деформации в методах интенсивной пластической деформации
Процессы обработки металлов давлением широко используются для производства металлоизделий. При этом в ходе этих процессов неизбежно происходит изменение микроструктуры обрабатываемых металлов, и, как следствие, изменение их механических свойств. Исследования в области достижения высокопрочного состояния характеризуются поиском эффективного комплекса воздействий на микроструктуру материала, сочетающего методы обработки различной физической природы (микролегирование стали, специальные методы термической и деформационной обработки). Цель такого воздействия заключается в достижении высокопрочного состояния обрабатываемого материала с приданием ему комплекса специальных свойств, отвечающих условиям эксплуатации.
Выделяют следующие механизмы повышения прочностных характеристик стали [2-4]:
Деформационный (дислокационный) механизм упрочнения, который возникает в результате увеличения плотности дислокаций и их взаимодействия. Характеризует степень взаимодействия дислокаций при увеличении их плотности и образовании определенных дислокационных построений. Чем выше плотность дислокаций, тем больше деформационное упрочнение, но при наступлении критического момента в металле возникают микротрещины.
Дисперсионный механизм упрочнения, связанный с торможением движения дислокаций дисперсными частицами. Для этого механизма упрочнения существует следующая закономерность, предложенная Э. Орованом: чем мельче дисперсные частицы, тем больше эффект упрочнения материала. По дисперсионному механизму упрочнения увеличение предела текучести стали также зависит от увеличения количества частиц, характера распределения, расстояния между ними, степени несоответствия решеток матрицы и выделившихся частиц. Следует отметить, что по сравнению с другими механизмами дисперсионное упрочнение вызывает минимальное охрупчивание стали. При этом дисперсные частицы обеспечивают получение мелкозернистой структуры стали.
Твердорастворный механизм упрочнения, вызывающий упрочнение вследствие взаимодействия дислокаций и атомов легирующих элементов. При этом имеют значение строение атомов и растворимость легирующих элементов в матрице: чем больше атомы легирующих элементов по своему строению отличаются от атомов основного металла и чем меньше их растворимость, тем эффективнее твердорастворное упрочнение материала.
Упрочнение за счет прочной структурной составляющей (мартенсит, бейнит, феррокарбидная смесь) основано на выборе режимов высокотемпературной механической обработки и охлаждения.
Зернограничный механизм упрочнения, возникающий в результате изменения величины зерна. В связи с тем, что при уменьшении размеров структурных составляющих число скопившихся на границах зерен дислокаций и поля напряжений уменьшаются, а также увеличивается набор разориентировок зерен, процесс распространения пластической деформации в материале затрудняется. Эмпирическое соотношение между размером зерна и пределом текучести стали описывается уравнением Холла-Петча, согласно которому оно обратно пропорционально квадратному корню из средней величины зерна.
Процессы упрочнения стали представляют собой комплексное воздействие множества факторов. Влияние каждого из них достаточно изучено и представляет собой следующее распределение значения предела текучести стали для горячекатаного металла т: где а0 - напряжение трения решетки а-железа (главный структурный фактор -ширина движущейся дислокации: чем дислокация уже, тем выше упрочнение); Дст.Р. - упрочнение твердого раствора феррита растворенными в нем легирующими элементами; Аап - упрочнение за счет формирования перлита П в феррито-перлитных сталях (количество перлита в стали однозначно зависит от содержания углерода и марганца и оказывает небольшое влияние на величину предела текучести); Аод.ч. - упрочнение собственно дисперсными частицами; Лад - упрочнение за счет повышения плотности дислокаций; Аа3 - зернограничное упрочнение.
В работе [5] отмечается, что для оптимального сочетания прочности и тре-щиностойкости структура упрочненного сплава должна обладать способностью предотвращать опасность возникновения пиковых напряжений путем эстафетной передачи деформации в соседние объемы. Следовательно, дислокации в решетке металла должны быть и заторможены (высокий предел текучести т) и подвижны (высокая трещиностойкость). Известна зависимость предела текучести т от величины дислокационных взаимодействий и активности различных барьеров на пути перемещения дислокаций [6-8] критическое значение коэффициента интенсивности напряжений; ап -напряжение трения решетки; ад - упрочнение благодаря увеличению плотности дислокаций, а т.к. движущиеся дислокации будут тормозиться и беспорядочно расположенными дислокациями ал (дислокациями леса), и регулярными дислокациями построения Я (границами полигонов, ячеек, субзерен), то од= ал+ ая; егр, оф и аз - упрочнение твердого раствора легирующими элементами, дисперсными фазами и микроструктурными барьерами (чаще всего зернограничное упрочнение), соответственно.
Моделирование комбинирования процесса волочения с кручением и изгибом в Deform-3D
Объектом исследования была выбрана углеродистая проволока, т.к. она является одним из распространенных видов металлических изделий, используется в качестве полупродукта для производства канатов, сеток, пружин и т.д. В качестве базового процесса был выбран процесс волочения, как основной способ производства проволоки [65 - 67].
Как известно, напряженное состояние в очаге деформации при волочении проволоки определяется характером деформации [28]. На рисунке 2.1 показана схема главных напряжений и деформаций.
На каждый элементарный объем в очаге деформации действуют растягивающее напряжение в продольном направлении ег/ и сжимающие в радиальном аг и окружном ое направлениях. Ввиду симметричности напряженного состояния при волочении окружное и радиальные напряжения равны.
Схема главных деформаций при волочении характеризуется одной деформацией удлинения єі и двумя укорочения - радиальной ег и окружной ев. Максимальной главной деформацией является продольная, которая согласно закону постоянства объема, равна сумме радиальной и окружной деформаций. Учитывая, что ег = єв, можно записать е/ = 2 sr [28].
Поскольку для формирования структуры и управления качеством получаемой проволоки необходимо создать сложное НДС в очаге деформации, то была рассмотрена возможность достижения этого за счет комбинирования волочения с процессом кручения, как с процессом, который совместим с промышленными скоростями производства проволоки.
Согласно основным положениям сопротивления материалов после закручивания бруса круглого сечения (рисунок 2.2) поперечные линии, нанесенные на его поверхности, остаются плоскими, а диаметры сечений и расстояния между ними не изменяются. При этом прямоугольная сетка превращается в сетку, состоящую из параллелограммов, что свидетельствует о наличии касательных напряжений в поперечных сечениях бруса, а по закону парности касательных напряжений - и в продольных его сечениях, то есть напряженное состояние в точках скручиваемого стержня представляет собой чистый сдвиг [68]. Угол сдвига изменяется по радиусу бруса по линейному закону
Как было показано в предыдущей главе, комбинирование различных видов деформирования приводит к изменению НДС при обработке, чем самым может привести к повышению пластичности металла, например, за счет снижения доли растягивающих напряжений. Причем, создание сложной схемы НДС, обеспечи 49 вающей большие сдвиговые деформации, позволит измельчить структуру металла (вплоть до УМЗ), а, следовательно, повысить комплекс механический свойств.
Основным параметром построения конечно-элементной модели является выбор размера основного элемента, поскольку это определяет точность получаемых результатов. Ограничением по количеству элементов является производительность вычислительной техники. Исходя из этого условия, выбирали размер основного элемента, который составил 0,2 мм по всему объему обрабатываемой заготовки.
Для построения геометрии конечно-элементной модели воспользовались системой автоматизированного проектирования SolidWorks. Данный программ 50 ный продукт трехмерного твердотельного моделирования позволяет создавать геометрию инструмента с возможностью ее дальнейшего импортирования в Deform-3D без потери точности геометрии. Размеры и геометрия волок (рисунок 2.4) соответствуют ГОСТ 9453-75 по форме 8.
Для моделирования комбинированного процесса волочения с кручением решающее значение имеет соотношение скорости волочения к скорости кручения заготовки, т.е. количество оборотов кручения на единицу длины. Для варьирования этим параметром была выбрана заправочная скорость волочильного стана, которая составляет 0,06 м/с.
Было смоделировано 4 режима обработки заготовки: волочение с диаметра 3,00 мм на диаметр 2,85 мм с единичным обжатием 9,75 % без кручения переднего конца проволоки и с кручением в 50, 100 и 200 об/мин.
В результате моделирования комбинирования волочения с кручением проволоки за счет приложения к ее переднему концу крутящего момента были получены поля распределения напряженного и деформированного состояний для четырех различных режимов (0, 50, 100 и 200 об/мин). Для их оценки был проведен расчет показателя равномерности, предложенного в работе [69-71].
Исследование влияния обжатия во второй волоке на механические свойства проволоки при комбинированной деформационной обработке
Образцы проволоки из стали марки Ст3 показали более высокую способность к пластической деформации (см. рисунок 3.7, а). Выявлен рост среднего количества гибов при увеличении скорости вращения преформатора от 0 об/мин до половины от максимального значения для каждого из 3х выбранных значений обжатия во второй волоке. Испытания показали, что количество гибов проволоки из стали марки 50 при различных режимах незначительно снижается при увеличении скорости вращения преформатора (см. рисунок 3.7, б). При деформациях кручением близких к максимальным количество гибов в среднем уменьшается с 10 до 8.
Для оценки запаса пластичности воспользуемся показателем равным отношению условного предела текучести к временному сопротивлению разрыву. Чем ближе данный показатель к единице, тем меньшим запасом пластичности обладает металл. Показатель пластичности проволоки из стали марки Ст3 (рисунок 3.8) стремится к 1 при увеличении деформации кручением во всех изучаемых случаях, что связано с более интенсивным изменением временного сопротивления разрыву по сравнению с условным пределом текучести.
Запас пластичности стали марки 50 изменяется циклически для режимов волочения с обжатием во второй волоке меньше 18 %. Причем, запас пластичности при скоростях вращения преформатора близких к критическим больше, чем у проволоки после волочения. Монотонно увеличивается запас пластичности проволоки, полученной по маршруту с максимальным обжатием во второй волоке. Причем, наибольшее его значение достигается уже при скорости вращения пре-форматора 80 об/мин.
Результаты испытаний показали, что количество скручиваний в обоих направлениях до разрушения проволоки из стали марки Ст3 уменьшается от 16,6 % при максимальном обжатии во второй волоке и до 33 % при минимальном обжатии (рисунок 3.9).
Для изучения влияния величины обжатия в первой волоке рассмотрим режимы волочения 3,0 15-97 2,75 1гз6 2,5; 3,0 б-56 2,9 m8S 2,58; 3,0 1Яб 2,69 17-05 2,45 с приблизительно равными обжатиями во второй волоке (маршруты 3 - 5, см. табл. 3.1).
Величина обжатия в первой волоке оказывает значительное влияние на временное сопротивление разрыву (рисунок 3.11).
С увеличением обжатия в первой волоке, а, следовательно, и суммарного обжатия, кривые зависимости временного сопротивления разрыву от скорости вращения преформатора в процессе комбинированной деформационной обработки проволоки из стали марки Ст3 смещаются вверх, сохраняя характер изменения (см. рисунок 3.11, а). Характер изменения временного сопротивления разрыву для проволоки из стали марки 50 изменяется в зависимости от суммарного обжатия: чем оно больше, тем в меньшей степени разупрочняется проволока с увеличением скорости вращения преформатора (см. рисунок 3.11, б).
С увеличением обжатия в первой волоке уменьшается влияние кручения на условный предел текучести проволоки из стали марки Ст3 (см. рисунок 3.12, а). При наименьшем обжатии в первой волоке, а, следовательно, и при наименьшем суммарном обжатии максимальный прирост условного предела текучести составляет 25 МПа, что составляет 4,8 % по сравнению со свойствами волоченной по тому же маршруту проволоки. В тоже время при максимальном обжатии в первой волоке прирост условного предела текучести составляет 5 МПа. Аналогичное влияние оказывает обжатие в первой волоке на условный предел текучести проволоки из стали марки 50 (см. рисунок 3.12, б), т.е. с увеличением обжатия, увеличиваются значения условного предела текучести. Но наложение деформации кручения приводит к повышению условного предела текучести только при малых скоростях вращения преформатора до 50 об/мин. При дальнейшем увеличении количества оборотов происходит уменьшение значений условного предела текучести.
Данный факт говорит о том, что изменение обжатия в первой по ходу движения проволоки волоке в пределах 13 % и изменение суммарного обжатия в пределах 7,3 % (для изучаемых диапазонов) практически не оказывают влияния на данное механическое свойство проволоки.
Можно отметить, что относительное удлинение проволоки из стали марки 50 при близких к максимальным скоростям сопоставимо с относительным удлинением проволоки из стали марки Ст3 до наложения деформации кручения (рисунок 3.14).
Зависимость количества гибов проволоки от скорости вращения преформатора: а - Ст3; б - сталь 50 Как видно на рисунке 3.15, с увеличением суммарного обжатия увеличивается среднее количество гибов проволоки из стали марки 50. При максимальных значениях скорости вращения преформатора количество гибов для всех режимов обработки проволоки приблизительно равно 8. Количество гибов проволоки из стали марки Ст3 для всех режимов имеет больший разброс, и среднее значение приблизительно равно 14.
Зависимость количества скручиваний проволоки от скорости вращения преформатора: а – Ст3; б – сталь 50 Изменение относительного обжатия в первой волоке, а также суммарного обжатия в изучаемых пределах не ведет к изменению характера зависимости количества скручиваний как по направлению вращения преформатора (происходящего в процессе обработки), так и против (см. рисунок 3.16).
За счет увеличения временного сопротивления разрыву и понижения условного предела текучести происходит увеличение запаса пластичности проволоки (рисунок 3.17) из стали марки 50 при больших скоростях вращения преформатора.
Сравнение механических свойств углеродистой проволоки и заготовок после обработки различными методами пластической деформации
Обработка разработанным комбинированным методом оказывает противоположный эффект на изменение относительного сужения после разрыва (рисунок 4.11), количества гибов (рисунок 4.12) и количества скручиваний (рисунок 4.13), чем РКУП и РКУ протяжка.
Относительное сужение после разрыва в значительно большей степени уменьшается после обработки среднеуглеродистой стали методом РКУП (см. рисунок 4.11, а). Следует отметить значительное (84 %) снижение относительного сужения после 4 проходов РКУП относительно исходного состояния, т.е. более чем в 6 раз. Менее интенсивно изменяется данный параметр стали марки 20, всего на 19 %. Аналогичная зависимость характерна процессу РКУ протяжке. После 12 циклов РКУ протяжки относительное сужение после разрыва проволоки из стали марки 20 уменьшается на 12 %, стали марки 45 – на 48 % (см. рисунок 4.11, б). Разработанный же метод комбинированной деформационной обработки проволоки приводит к повышению относительного сужения после разрыва на 3 – 4 % проволоки из стали марки Ст3 и на 10 – 18 % проволоки из стали марки 50 в зависимости от режима обработки (см. рисунок 4.11, в).
Количество гибов также имеет различную тенденцию при обработке РКУ протяжкой и разработанным методом (рисунок 4.12). В случае деформирования РКУ протяжкой количество гибов проволоки уменьшается на 53 и 75 % для стали марки 20 и 45, соответственно. Разработанный метод комбинированной обработки приводит к понижению количества гибов на 22 – 27 % для низкоуглеродистой проволоки и к повышению количества гибов на 3 – 27 % для среднеуглеродистой проволоки, обработанной по одинаковым режимам.
Количество скручиваний увеличивается, как в случае обработки стали марки Ст3, так и стали 50 методом комбинированной обработки на 10 – 19 % и 11 – 59 %, соответственно (рисунок 4.13). В случае РКУ протяжки количество скручиваний проволоки из стали марки 20 уменьшается на 70 %, стали марки 45 - на 81
Деформационное наноструктурирование низко- и среднеуглеродистой стали в процессе РКУП обеспечивает существенное повышение прочностных свойств материала за счет интенсивной фрагментации структурных составляющих по сечению заготовок. Однако, в связи с низкой технологичностью и дискретностью процесса наноструктурирования, а также малыми геометрическими размерами обрабатываемых заготовок способ не может применяться в условиях массового производства стальной проволоки.
РКУ протяжка является перспективным и высокотехнологичным способом деформационного наноструктурирования длинномерных изделий, обеспечивающим неизменность поперечного сечения заготовки в процессе обработки [110,
Однако требуется проведение дальнейших теоретико-экспериментальных исследований, направленных на повышение однородности структуры и свойств обрабатываемой проволоки на основе научно обоснованного выбора и оптимизации технологических параметров обработки, а именно: числа циклов, геометрии очага деформации и параметров состояния исходной заготовки (геометрические размеры, химический состав, структура и свойства).
Метод комбинированной деформационной обработки обладает рядом преимуществ по сравнению с представленными методами. В отличие от описанных методов разрабатываемый метод приводит к увеличению пластических характеристик (количество гибов, количество скручиваний, относительного сужения после разрыва) при росте временного сопротивления разрыву и предела текучести (условного), что свидетельствует, в свою очередь, о повышении ресурса пластичности. При этом разработанный метод комбинированной деформационной обработки обладает более высокой производительностью, которая в сочетании с комплексом получаемых механических характеристик делает его более технологичным.
Оценка соответствия механических свойств проволоки после комбинированной обработки волочением со знакопеременным изгибом с кручением требованиям стандартов Для оценки возможности дальнейшего применения проволоки, полученной в результате применения разработанной комбинированной обработки волочением со знакопеременным изгибом с кручением, целесообразно провести сравнение получаемых свойств проволоки с требованиями стандартов. Для сравнения были выбраны следующие стандарты на проволоку: ГОСТ 1071-81 «Проволока стальная пружинная термически обработанная», ГОСТ 3282-74 «Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. Термически необработанная без покрытия», ГОСТ 5663-79 «Проволока стальная углеродистая для холодной высадки», ГОСТ 792-67 «Проволока низкоуглеродистая качественная».
На рисунках 4.14 - 4.19 приведены значения механических свойств, которые регламентируются стандартами на соответствующую проволоку. Также представлены диапазоны изменения показателей механических свойств в зависимости от маршрута волочения, где максимальное и минимальное значения получены путем изменения скорости вращения преформатора в ходе комбинированной деформационной обработки.
Как показало сравнение уровня получаемых свойств низко-, средне- и высокоуглеродистой проволоки обработанной разработанным методом, данный метод не позволяет достигать требуемого уровня временного сопротивления разрыву по ГОСТ 1071-81 для обоих классов сталей при обработке тех исходных состояний, на которых были проведены исследования (рисунок 4.14).
