автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Физико-механический анализ течения труднодеформируемых металлов и разработка на его основе режимов холодной прокатки фольг

1. В в е д е н и е

2. Физико-механический анализ сопротивления металлов упругой, вязкой и пластической деформациям. Состояние вопроса.

2.1. Классификация реологических уравнений деформируемых металлов. Н

2.2. Статистические реологические уравнения деформируемых металлов.

2.3. Экспериментальные методы определения сопротивления металлов деформированию

2.4. Применение теории управления к анализу процессов деформирования металлов

2.5. Элементарные физико-механические модели деформируемых сред и возможности их синтеза

2.6. Физические предпосылки для построения обобщенных вероятностных моделей деформирования. .чг

2.7. Структура модели упруговязкопластического механизма деформирования металлов.

2.8. Применение реологических уравнений в процессах ОВД. Выводы.^

3. Одномерные реологические модели и экспериментальное определение параметров реологических уравнений.

3.1. Одномерные вероятностные реологические модели.

3.2. Обобщенный подход к механическим испытаниям.

3.3. Определение параметров упруговязкого материала при гармоническом воздействии. 7#

3.4. Определение параметров упруговязкого материала из

-3стр, опытов на релаксацию. №

3.5. Определение параметров упруговязкого материала при опытах на растяжение.,.,.

3.6. Определение параметров упругопластического материала по опытам на растяжение. №

3.7. Определение параметров упруговязкопластического материала. ^

3.8. Обоснование выбора аппаратуры и вида входного сигнала для механических испытаний. ^

3.9. Подготовка образцов и проведение испытаний на растяжение. ^

3.10. Экспериментальное определение статических функций распределения.

3.11. Экспериментальное определение плотности вероятности времен релаксаций.

3.12. Анализ полученных результатов. Выводы.

4. Статистическая интерпретация реологических уравнений.

4.1. Статистические характеристики реологических уравнений. ^

4.2. Определение вида функции плотности вероятности распределения безразмерных пределов текучести.

4.3. Определение вида функции плотности вероятности распределения времен релаксаций. ^^

4.4. Определение параметров статистических функций безразмерных пределов текучести.,.

4.5. Определение параметров статистических функций при помощи "вероятностной бумаги". ^^

4.6. Проверка гипотез о законе распределения.

4.7. Выводы по главе,

-4стр.

5.Реологические уравнения и процессы обработки металлов давлением.

5.1. Простое деформирование металлов.

5.2. Простое нагружение и простая разгрузка упругоплас-тического металла с упрочнением.

5.3. Повторное нагружение. У

5.4. Характеристики металла при развитых пластических деформациях. ^^

5.5. Простая нагрузка, разгрузка и повторное нагружение упруговязких металлов.

5.6. Характеристики упруговязкого металла при установив шемся течении.

5.7. Простое деформирование металла, подчиняющегося реологическому уравнению для упруговязкопластической среды.

5.8. Выводы по главе. ^^

6. Контактная задача теории холодной прокатки тонких лент и фольг при малых у пру гоне обратимых деформациях. №

6.1. Контактные задачи теории холодной прокатки.

6.2. Приведение системы малых упругонеобратимых деформаций к уравнениям теории упругости.

6.3. Осе симметричная контактная задача для полосы.

6.4. Смешанная задача для упругой полосы. ^

6.5. Смешанная задача для упругого штампа.

6.6. Решение контактной задачи для полосы с учетом упругих деформаций штампа.

6.7. Решение контактной задачи с использованием аппроксимирующих функций. ^^

6.8. Вдавливание упругого цилиндра в упругую полосу,

6.8.1. Построение решения через вспомогательную функцию. /

6.8.2. Распределение напряжений в области контакта.

6.8.3. Суммарное давление цилиндра на полосу.

6.8.4. Вертикальное перемещение цилиндра.

6.8.5. Упругие перемещения границы цилиндра. /^

6.8.6. Упругие перемещения на грани полосы. ^

6.9. Выводы.

7. Расчет параметров процесса холодной прокатки тонких фольг и экспериментальная проверка. /

7.1. Расчет параметров процесса холодной прокатки фольг. ^

7.1.1. Методика расчета силовых и кинематических параметров холодной прокатки фольг. /

7.1.2. Усилие прокатки.

7.1.3. Общая деформация полосы. .&0\

7.1.4. Пластические деформации полосы. .2.

7.1.5. Выкатываемоеть полосы. . 2/

7.1.6. Расчет числа проходов между отжигами. Zi

7.2. Экспериментальное определение параметров холодной прокатки. *

7.2.1. Методика проведения эксперимента при прокатке фольги на поджатых валках.

7.2.2. Подготовка и проведение эксперимента.

7.3. Внедрение результатов работы в промышленность. 22$

7.4. Выводы по главе.

Актуальность исследования» В связи с развитием космической техники, радиоэлектроники, средств связи многие отрасли приборостроения и автоматики, такие как точная механика, аналитическое приборостроение, промышленное приборостроение и другие, испытывают большую потребность в тонких и тончайших фольгах. От качества фольг, поставляемых в приборостроение (вакуумная плотность, геометрические размеры, чистота поверхности и т.д.) во многом зависит работа измерительной и контролирующей аппаратуры, приборов регистрации данных, обеспечивающих точность, надежность и достоверность результатов, а в конечном итоге, ускоряющее развитие прогресса как в области фундаментальных, так и в области прикладных наук. "Повышение качества металлопродукции - это часть более общей проблемы коренных сдвигов в области конструкционных материалов" [I].

Одним из основных технологических способов получения тонких и тончайших фольг, обладающих рядом преимуществ, по сравнению с остальными, является прокатка. Под термином "прокатка" понимается вся совокупность операций (подготовка металла, предварительные, промежуточные и окончательные отжиги, а также и непосредственно сама прокатка), обеспечивающая процесс превращения заготовки металла в тонкую и тончайшую фольгу.

В настоящей работе основное внимание уделяется непосредственно прокатке, обладающей рядом специфических трудностей. В первую очередь к ним относятся проблемы выкатываемоети металла и разрушения. Такие проблемы возникают, в основном, при прокатке трудноде-формируемых металлов. Под термином "труднодеформируемые" в данной работе понимается то, что в силу своих механических, физических свойств данные металлы в процессе прокатки либо деформируются только в упругопластической области и после прокатки, в большей части, восстанавливают свою форму, либо теряют свою сплошность при прокатке с большими обжатиями и разрушаются.

Эти две особенности прокатываемого металла заставляют вести прокатку с очень малыми обжатиями: в первом случае в силу того, что металл плохо деформируется пластически, во втором случае, он разрушается при больших обжатиях.

Особое место среди хрупких и малопластичных металлов занимает бериллий, обладающий удивительным сочетанием свойств: легкости и прочности, жесткости, высокой стабильности размеров, коррозионной стойкости, отличными тепловыми, электрическими и ядерными характеристиками и т.д.

Увеличение потребности в фольгах этого металла в промышленности, в частности, ядерной технике, авиации, электронике диктует необходимость постоянного увеличения его выпуска, расширения ассортимента бериллиевой продукции, что соответственно, требует повысить эффективность существующих методов получения и обработки бериллия, разрабатывать новые технологические процессы, отличающиеся высоким качеством продукции. В связи с этим, одной из основных задач настоящего времени является разработка и внедрение в промышленность технологических процессов производства бериллиевой фольги, в частности, холодной прокатки, обеспечивающей высокие механические характеристики, хорошее качество поверхности и вакуумплот-ность.

Отличительной особенностью процесса прокатки металлов (в частности, рения, бериллия и др.) с малыми обжатиями является то,что необратимые деформации соизмеримы с упругими (обратит,шми), поэтому при расчете технологического процесса прокатки необходимо учитывать как те, так и другие деформации.

Следовательно, уравнения сопротивления деформации, которые определяют реальные реологические свойства металлов, должны быть получены в области малых упругонеобратимых деформаций. Переход металла из упругого состояния в пластическое происходит не скачкообразно, тем более, что у большинства металлов предел текучести чисто условная величина, а постепенно и определяется большим количеством процессов, происходящих на микроуровне. Учет этих процессов невозможен без привлечения аппарата теории вероятности, который позволит в удобной форме описать все многообразие процессов, происходящих внутри металла при необратимых деформациях и определить интегральные вероятностные характеристики металла на макроуровне.

Совершенствование расчетных методов режимов обжатий также невозможно без теоретического анализа напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации. Анализ напряженно-деформированного состояния в очаге деформации осложняется тем обстоятельством, что прокатка тонких фольг производится на поджатых валках, вследствие чего валки испытывают значительные упругие деформации. Это, в свою очередь, затрудняет применение классических методов расчета параметров процесса прокатки.

Исходя из вышесказанного, в работе ставились следующие цель и задачи исследования.Целью настоящей работы является разработка методики расчета обжатий для труднодеформируемых металлов (на примере бериллия) на поджатых валках в области малых упруго-необратимых деформаций с учетом вероятностных свойств металлов и определение минимально возможной толщины фольги, получаемой методами холодной прокатки на конкретном оборудовании.

В диссертации поставлены и решены следующие конкретные задачи: - разработана научно обоснованная методика построения реологических уравнений в области малых упругонеобратимых деформаций с учетом вероятностных свойств металлов;

- определено минимально необходимое количество параметров,характеризующих конкретный металл в области малых упругонеобратимых деформаций;

- обоснован выбор вероятностных функций, применяемых для описания вероятностных свойств металлов;

- разработана методика проведения эксперимента для получения всех необходимых параметров, характеризующих конкретный металл;

- создана методика расчета обжатий для металлов в области малых упругонеобратимых деформаций;

- получена формула для оценки минимальной толщины фольги из бериллия, которую можно получить в данных условиях.

Методология и методика исследования. Методологической основой разработки поставленных задач являлись труды советских и зарубежных ученых в области прокатки тонких лент и фольг. В работе использованы методы механики оплошной среды, общей теории систем, теории вероятности и математической статистики, а также методы математической физики.

Объектом исследования являются современные схемы расчета технологических параметров процесса холодной прокатки тонких фольг (на примере бериллия).

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана научно обоснованная методика построения реологических уравнений в области малых упругонеобратимых деформаций с учетом вероятностных свойств металлов; исходя из теоретических предпосылок обоснован выбор вероятностных функций, применяемых для описания вероятностных свойств металлов; разработана методика проведения эксперимента для получения всех необходимых физико-механических параметров, характеризующих конкретный металл; создана методика расчета обжатий для металлов в области малых упругонеобратимых деформаций; получены формулы расчета минимальной толщины фольги.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета обжатий для труднодеформируемых металлов в области малых упругонеобратимых деформаций может быть использована для расчета технологического процесса любого труднодеформируемого металла. Достаточная универсальность предложенной методики позволяет производить расчеты для произвольного металла и технологического оборудования.

Реализация работы. Основные положения и выводы исследования отражены в отчетах по НИР, выполненных при участии автора в 19781984 годах на кафедре "Пластическая обработка металлов" ЛПИ им. М.И.Калинина. Проведенные исследования и разработанные методики были использованы для получения бериллиевой фольги заданной толщины. Данная фольга была внедрена в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. Экономический эффект при этом составил 84 тыс. рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на III Всесоюзной конференции "Теоретические проблемы прокатного производства" (Днепропетровск, 1980), на Всесоюзной конференции "Новые технологические процессы прокатки, интенсифицирующие производство и повышающие качество продукции" (Челябинск, 1984). Основное содержание работы опубликовано в шести печатных трудах.

Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы; содержит приложения, 146 страниц основного текста, Т5 рисунков, 2.9 таблиц.

7.4. Выводы по главе.

1. Разработана методика расчета режимов обжатий тонких фольг на лабораторном стане ДУ0-80.

2. На основе данной методики был разработан технологический процесс холодной прокатки бериллиевых фольг 1 и получена партия бериллиевой фольги. Внедрение данной фольги в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований позволило получить экономический эффект 84 тыс.рублейС в год ).

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе показано, что применение общей теории систем с распределенными параметрами и метода обобщенных реологических моделей дает возможность с единых позиций подходить к построению реологических уравнений в области малых упругонеобратимых деформаций с учетом вероятностных свойств металлов и определять минимально необходимое число параметров, характеризующих конкретный металл.

2. Установлено, что применение обобщенного подхода к механическим испытаниям, основанного на принципе "возбуждение-отклик", дает возможность при произвольном входном сигнале определить не только константы,но и функции, входящие в реологические уравнения.

3. На основании теоретического анализа обоснован и подтвержден методами математической статистики вид функций распределения, применяемых для описания вероятностных свойств металлов.

4. На основании решения контактной задачи теории холодной прокатки фольг разработана методика расчета силовых и кинематических параметров очага деформации.

5. С использованием рассчитанных кинематических параметров очага деформации и на основе полученных реологических уравнений разработана методика расчета обжатий для металлов в области малых упругонеобратимых деформаций, а также получена формула для оценки минимальной толщины фольги из бериллия, которую можно получать в данных условиях.

6. На основе разработанной методики расчета режимов обжатий была получена опытная партия фольги из бериллия, внедрение которой в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований позволило получить экономический эффект 84 тыс. рублей в год.

1. Материалы ХХУ1 Съезда КПСС. - Политиздат, 1981,223с.

2. Седов Л.И. Механика сплошной среды.- T.I, М.: Наука,1970,492с,

3. Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред. М.: Мир, 1975, 592с.

4. Мейз Дне. Теория и задачи механики сплошных сред. М.: Мир, 1974, 319с.

5. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. -М.: Металлургия, 1980, 456с.

6. Смирнов B.C. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1967, 376с.

7. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкции. М.: Наука, 1966, 752с.8» Truesdell С„, Noll W„ The Non-liner Field Theories,,. SpringerVerlag, Berlin, 1965, p.92

8. Рахматулин X.A. 0 распространении волны разгрузки. Прикл. матем. и механ., 1945, т.9, вып.1, с. 91-100.

9. Рахматулин Х.А.Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках, М.: Физматгиз, 1961, 399с.

10. Tt. Erickaon T-L.,,. Continuum Theory of Liquid Crystals► — Appl. Meciu. Rew* 20r 1 С1967).

11. Chacon RJPJSL,. Eivlin R.S. Representation Theorems in the Mechanics of Materials with Memory. — Z» Angew^ Math» Pbys*,.5r Ш 0964)

12. Целиков А.И. Формула рдя точного определения средней скорости при прокатке.- В сб.: Прокатные станы (ЦНИИТМАШ). М.: Маш-гиз, 1955, кн. 73, вып. 5, с.227-229.

13. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации. -М.: Металлургиздат, 1963, 284с.

14. Целиков А.И., Дерсиянцев В.А. Учет влияния наклепа на сопротивление деформации в зарекристаллизационных процессах. В сб.: Прокатные станы и технология прокатки (МВТУ). - М.: Машгиз, 1957, вып.80, с.22-27.

15. Бриджмен П.В. Исследования больших пластических деформаций и разрыва. Влияние высокого гидростатического давления на механические свойства материалов. М.: Изд.иноетран.литературы, 1955, 444с.

16. Персиянцев В.А. К вопросу зависимости сопротивления от скорости деформации. В сб.: Процессы штамповки и технологические параметры.- М.: Машгиз,1951, с.128.

17. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением./ Поздеев A.A., Тарновский В.И., Еремеев В.И., Баакашвили B.C.

18. М.: Металлургия, 1973, 192с.

19. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. -М.: Наука, 1977, 383с.

20. Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968, 304с.

21. Рейнер М., Маркус Г. Реология. М.: Наука, 1965, 223с.

22. Бленд Д. Теория линейной вязко-упругоети. М.: Мир,1965,199с.

23. Метод подобия в теории прокатки./ Смирнов B.C.»Григорьев А.К., Карачунский А.Д., Мельничук О.Я. Л.: Наука,1971, 180с.

24. Смирнов B.C.,Григорьев А.К. Применение ЭЦВМ для расчета параметров прокатки. М.: Металлургия, 1970, 232с.

25. Ломакин В.А. Проблемы механики структурно-неоднородных твердых тел. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1978, №6, с.45-52.

26. Костгок А.Г. Статистическая теория пластичности поликристаллического материала. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1968,$6,с. 60-69.

27. Ломакин В.А. Статистические задачи механики твердых деформируемых тел. М.: Наука, 1970, 139с.

28. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977, 400с.

29. Кадашевич Ю.И.»Новожилов В.В. Теория ползучести, учитывающая микропластические деформации. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1976, 115, с.153-159.

30. Снитко И.К. К физической теории упруго-пластических деформаций металлов. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела,1973, №5, с.160-167.

31. Кадашевич Ю.И.»Новожилов В.В. 0 предельных вариантах теории пластичности, учитывающей начальные микронапряжения. Изв. АН СССР. Мех.тверд.тела, 1980, №3, с.93-96.

32. Кадашевич Ю.И., Новожилов В.В. Об учете микронапряжений в теории пластичности. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1968, ЖЗ, с. 82-91.

33. Кадашевич Ю.И. О квазистатическом варианте теории пластического течения. Изв.АН СССР.Мех.тверд.тела, 1973, М, с.167-171.

34. Лейбфрид Г. Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов. М.: Физматгиз, 1963, 134с.

35. Кунин И.А. Теория упругости сред с микроструктурой. М.: Наука,1975, 384с.

36. Сопротивление деформации и пластичность металлов (при обработке давлением)./ Смирнов B.C., Григорьев А.К., Пакудин В.П., Садовников Б.В. М.: Металлургия, 1975, 272с.

37. Механические свойства стали при горячей обработке давлением./ Тарновский И.Я.,Поздеев A.A.»Меандров Л.В.Дасин Г.А.- М.: Металлургия, 1963, 407с.

38. Екельчик B.C. Применение дробно-экспоненциальных функций для описания вязкоупругого поведения полимеров в широком темпетатур-но-временном диапазоне. Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1980,1. Ж, с.116-123.

39. Кузьменко В.А. Новые схемы деформирования твердых тел. Киев: Наукова думка, 1973, 200с.

40. Пальмов В.А. Колебания упругопластических тел. М. : Наука,1976, 328с.

41. Друккер Д. Континуальная теория пластичности в микро- и макромасштабе. В сб.: Механика (периодический сборник переводов иностранных статей), 1971, вып.З, с.125-158.

42. Бутковский А.Г. Структурная теория распределенных систем. -М.: Наука, 1977, 320с.

43. Кристинсен Р. Введение в теорию вязкоупругости. М.: Мир, 1974, 339с.

44. Ишлинский А.Ю. Продольные колебания стержня при наличии линейного закона последействия и релаксации. Прикл. математ. и механ., 1940, т.1У, вып.1, с.79-92.

45. Тернер С. Механические испытания пластмасс. М.: Машиностроение, 1979, 175с.

46. Ферри Д. Вязкоупругие свойства полимеров. М.: Изд. иностр. литературы, 1963, 535с.

47. Новак А.,Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М.: Атомиздат, 1975, 472с.

48. Смирнов-Аляев Г.А.»Розенберг В.М. Теория пластических деформаций металлов. М.: Машгиз, 1956, 368с.

49. Витвицкий П.М.,Попина С.Ю. Прочность и критерии хрупкого разрушения стохастически дефектных тел. Киев: Наукова думка, 1980, 187с.

50. Лебедев А.А. 0 возможном совмещении условий пластичности и хрупкого разрушения. Прикл, мех. (Киев),1968,т.ГУ, вып.8, с. 85-93.

51. Писаренко Г.С.,Лебедев А.А. 0 форме предельной поверхности механического критерия прочности. Прикл.мех.(Киев), 1968, т.1У,вып.З, с.75-81.

52. Чечулин Б.Б. Масштабный фактор и статистическая природа прочности металлов. М.: Металлургия, 1963, 120с.

53. Фрейденталь A.M. Статистический подход к хрупкому разрушению.-В кн.: Разрушение. М.: Мир, 1975, т.2, с.616-645.

54. Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества. М.: Мир, 1970, 368с.

55. Иоффе А.Я.,Петухов Г.Б.,Миров Ю.Ы. Лекции по математической статистике: Учеб.пособие. Л.: ЛВИКА им.А.Ф.Можайского, 1970, 176с.

56. Полухин П.И.Делезнов Ю.Д.,Полухин В.П. Тонколистовая прокатка и служба валков. М.: Металлургия, 1967, 256с.-23563. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962, 494с.

57. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965, 247с.

58. Королев А.А. Новые исследования деформации металла при прокатке. М.: Машгиз, 1953, 268с.

59. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. Конспект лекций.- Л.: ЛПИ, 1965, 140с.

60. Целиков А.И. Определение контактной поверхности при прокатке с учетом упругой деформации. Сталь, 1961, 166, с.321.

61. Малых Б.Г. К определению длины контакта с учетом сплющивания валков. Изв.ВУЗов.Черная металлургия, 1962, №8, с.52.

62. Грудев П.И. Прокатка тонких листов и лент. В сб.: Листопрокатное производство (тр. НТО черной металлургии), I960,с.262.

63. Леонов М.Я.,Нисневич Е.Б. Структурные представления в механике упругопластических деформаций. Прикл.матем. и механ.,1981, т.45,вып.5, с.924-931.

64. Лебедев Н.Н.,Уфлянд Я.С. Осесимметричная контактная задача для упругого слоя. Прикл.матем. и механ.,1958, т.XXII,вып.3,с. 320-327.

65. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970, 940с.

66. Уфлянд Я.С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. Л.: Наука, 1967, 402с.

67. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, суш, рядов ипроизведений. М.: Наука, 1971, 1108с.

68. Снеддон И. Преобразования Фурье. М.: Изд. иностр. литературы, 1955, 668с.

69. Белосевич В.К., Нетесов Н.П. Совершенствование процесса холодной прокатки. М.: Металлургия, 1971, 272с.

70. Григорьев А.К.,Фомин С.Г.,Заборцев В.Н. Теория упруговязкой деформации металлов с упрочнением. — В сб.: Достижения технического прогресса на службе производства. Псков: Псковское НТО, 1980, с.40-45.

71. Фомин С.Г. Модель упруговязкопластического механизма деформирования металлов.- Тр.Ленингр.политехи.ин-та, 1981, $378,с. 63-68.

72. Григорьев А.К.»Фомин С.Г. Применение теории систем с распределенными параметрами для построения уравнений сопротивления деформации при обработке металлов давлением. Сообщение I. -Изв.ВУЗов. Черная металлургия, 1984, .№6, с.54-58.

73. Григорьев А.К.»Фомин С.Г. Применение теории систем с распределенными параметрами для построения уравнений сопротивления деформации при обработке металлов давлением. Сообщение 2. -Изв.ВУЗов. Черная металлургия, 1984, №8, с.22-26.