автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Прогнозирование и исследование поврежденности металла в процессе равноканального углового прессования

На правах рукописи

005060966

Дубинина Светлана Владимировна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

В ИЮН 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Магнитогорск - 2013

005060966

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Боткин Александр Васильевич.

Трофимов Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный

исследовательский политехнический

университет», кафедра динамики и прочности машин, профессор;

Сивак Борис Александрович, кандидат технических наук, профессор, ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ им. академика А. И. Целикова, первый заместитель

генерального директора.

ФГБОУ ВПО «Южно-уральский государственный университет».

Защита состоится «18» июня 2013 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « (О» мая 2013 г.

/ ь

Ученый секретарь - Селиванов

диссертационного совета : '-> Валентин Николаевич

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных научных направлений в области создания материалов с уникальными свойствами, является разработка объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов, имеющих субмикрокристаллические или нанокристаллические структуры, получаемые методами интенсивной пластической деформации (ИПД).

Процессы ИПД осуществляют при температурах ниже температуры рекристаллизации металла и сравнительно малых скоростях деформирования, в основном, на гидравлических прессах. В этих процессах реализуется деформация заготовки сдвигом, когда она проходит через зону сопряжения каналов равного сечения, выполненных в специальной оснастке. Такая форма инструмента позволяет многократно деформировать заготовку и достигать сверхвысоких значений деформации (£\ >8), что является необходимым условием формирования УМЗ структуры материала. Таюке методы ИПД, являясь, по сути, новыми применениями методов обработки металлов давлением (ОМД), имеют возможность встраиваться в существующие технологические цепочки на стадиях металлургического передела слиток -полуфабрикат или полуфабрикат - изделие.

В процессах ИПД заготовка для достижения нужной величины деформации подвергается многократному деформированию с изменением маршрута, что обуславливает сложную историю деформирования металла.

Прогнозирование разрушение металла в процессах ИПД является важным вопросом, так как накапливаемые деформации при интенсивной деформации очень велики, и материал заготовки начинает разрушаться после определенного количества проходов равноканалыюго углового прессования (РКУП) или при последующей обработке давлением.

РКУП является одним из наиболее распространенных способов ИПД металлических материалов, позволяющих получать массивные заготовки с УМЗ структурой1. Этот метод применяют с целью подготовки структуры, преимущественно, в металлических прутках с круглым и квадратным поперечным сечением.

Определение силы деформирования и скорости деформирования является важным этапом расчета технологии ОМД. Скорость деформирования в совокупности с размерами заготовки и формой канала инструмента предопределяет скорость деформации металла, которая в свою очередь влияет на структурообразование при получении УМЗ металла. Для составления обоснованной методики расчета технологических параметров РКУП цилиндрической заготовки в матрице с сужающимся каналом необходимы исследования силовых параметров процесса и разработка моделей, адекватно описывающих процесс.

1 Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные нанострукгурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.398 е.: ил.

Сужение выходного канала выполняют не только для легкой загрузки заготовки между проходами РКУГТ, но и для увеличения гидростатического давления в очаге пластической деформации металла, что влияет на напряженное состояние заготовки и в совокупности с другими факторами на формирование УМЗ структуры металла.

Известно, что при РКУП заготовок из технического титана разной геометрии при одних и тех температурно-скоростных параметрах обработки, формируется структура разной дисперсности. При этом, чем больше геометрические размеры заготовок, тем большие по размерам формируются зерна и эта разница для заготовок диаметром 10 и 40 мм достигает 20-30%. Данные факты обуславливают необходимость исследования влияния поперечного размера заготовки и скорости деформирования на термические и механические условия деформации металла в процессе РКУП.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы заключается: в разработке методики прогнозирования разрушения металла в процессе РКУП; в разработке моделей деформационных и силовых параметров в процессе РКУП заготовок; в установлении влияния поперечного размера заготовки и скорости деформирования на термические и механические условия деформации металла в процессе РКУП.

Цель работы - разработка моделей деформационных и силовых параметров, методики прогнозирования разрушения металла, учета влияния поперечного размера заготовки на термические и механические условия пластической деформации металла, обеспечивающих расчет термомеханического режима РКУП, необходимого для получения высококачественных заготовок.

Для достижения поставленной цели, были сформулированы основные задачи исследования:

1. Разработка и экспериментальная проверка моделей - формул для расчета деформационных и силовых параметров процесса РКУП штучных заготовок с учетом необходимой скорости деформации и упрочнения металла, формы заготовки, наличия сужающегося выходного канала инструмента, угла пересечения каналов, различных трибологических условий во входном и выходном каналах инструмента.

2. Разработка методики прогнозирования разрушения металла с высоким уровнем накопленной деформации при многопроходном РКУП цилиндрической заготовки.

3. Исследование влияния поперечного размера заготовки и скорости деформирования на термические и механические условия деформации сплава ВТ-6 при РКУП.

4. Практическое использование результатов исследований для разработки технологии РКУП заготовок из сплава ВТ-6 под последующую штамповку лопаток газотурбинного двигателя.

Научная новизна работы: - разработаны и экспериментально проверены математические модели -формулы для расчета деформационных и силовых параметров процесса РКУП,

позволяющие рассчитывать силу деформирования и скорость деформирования с учетом необходимой скорости деформации и упрочнения металла, формы заготовки, наличия сужающегося выходного канала инструмента, угла пересечения каналов, различных трибологических условий во входном и выходном каналах инструмента;

- разработана и опробована на основе модифицированной модели разрушения Кокрофта-Латама методика, обеспечивающая повышение точности прогнозирования разрушения металла с высоким уровнем накопленной деформации в процессе многопроходного РКУП, за счет учета влияния показателя напряженного состояния заготовки на предельное значение показателя поврежденности Кокрофта-Латама;

- получено количественное описание влияния поперечного размера заготовки и сужения выходного канала инструмента на термические и механические условия деформации сплава ВТ-6, которое позволяет определять рациональный, для формирования УМЗ структуры металла, температурно-скоростной режим РКУП цилиндрической заготовки.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- математические модели - формулы для расчета деформационных и силовых параметров процесса РКУП штучных заготовок с учетом необходимой скорости деформации и упрочнения металла, формы заготовки, наличия сужающегося выходного канала инструмента, угла пересечения каналов, различных трибологических условий во входном и выходном каналах инструмента;

- методика прогнозирования разрушения металла с высоким уровнем накопленной деформации при многопроходном РКУП, разработанная на основе модифицированной модели разрушения Кокрофта - Латама и обеспечивающая повышение точности прогнозирования разрушения металла, за счет учета влияния показателя напряженного состояния заготовки на предельное значение показателя поврежденности Кокрофта - Латама.

Практическая значимость работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований:

- разработаны и опробованы рекомендации по применению моделей - формул для расчета деформационных и силовых параметров процесса РКУП штучных заготовок с учетом необходимой скорости деформации и упрочнения металла, формы заготовки, наличия сужающегося выходного канала инструмента, угла пересечения каналов, различных трибологических условий во входном и выходном каналах инструмента;

- разработаны и опробованы рекомендации по применению методики прогнозирования разрушения металла с высоким уровнем накопленной деформации при многопроходном РКУП цилиндрических заготовок;

- разработаны и опробованы рекомендации по учету влияния поперечного размера заготовки и скорости деформирования при разработке процесса РКУП УМЗ цилиндрических заготовок;

- разработаны и опробованы технологические рекомендации для осуществления РКУП заготовок под последующую штамповку лопаток ГТД из сплава ВТ-6.

Результаты исследований использованы на предприятиях ОАО «БелЗАН» и ООО НаноМет путем разработки рекомендаций по расчету технологических процессов РКУП и штамповки УМЗ металлических изделий с высоким уровнем физико-механических, эксплуатационных свойств, а также в учебном процессе при чтении лекций: «Оценка поврежденности металла по модифицированной модели Кокрофта-Латама» по дисциплине «Теория и обработка металлов давлением» и «Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением» по направлению 150700 «Машиностроение» профиль «Машины и технология обработки металлов давлением»; «Расчет деформационных и силовых параметров процесса равноканального углового прессования» по дисциплине «Технология и оборудование производства объемных наноматериалов» по направлению 152200 «Наноинженерия» профиль «Инженерные нанотехнологии в машиностроении».

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», посвященной 85-летию со дня рождения член-корр. РАН, д.т.н., профессора Р.Р. Мавлютова (Уфа, 2011); Международном симпозиуме «Объёмные наноструктурные материалы ВММ - 2011» (Уфа, 2011); Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа 2011, 2012); Международной конференции молодых ученых «XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, 2012), VII Всероссийской зимней школе аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2012).

Публикации. По основному содержанию диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях, вошедших в перечень ВАК, и 6 тезисов докладов в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 110 источников и трех приложений. Общий объем диссертации: 147 страниц машинописного текста, в том числе 58 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Определены цели исследований; изложена научная новизна и практическая значимость работы; сформулированы основные положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации работы и публикациях, структуре и объему диссертации.

В первой главе рассмотрены основные методы ИПД, используемые для формирования УМЗ структуры. Отмечено, что РКУП является одним из наиболее распространенных способов интенсивной деформации металлических материалов, позволяющий получать массивные заготовки с УМЗ структурой простым сдвигом, и в связи с этим вызывает повышенный интерес для

исследования. Однако чтобы получить УМЗ структуру необходимо решать задачи, которые относятся к ОМД, а именно выбор и расчет режима обработки (скорость деформирования, температура нагрева заготовки и оснастки), деформационных и силовых параметров процесса, напряженно -деформированного состояния, выбор смазки, прогнозирование разрушения металла с высоким уровнем накопленной деформации и т.д.

В настоящее время известно достаточно много моделей поврежденности и разрушения металла при холодной пластической деформации. Среди них модели М. А. Зайкова и В. Н. Перетятько, Г. А. Смирнова-Аляева и В. М. Розенберга, В. JI. Колмогорова, А. А. Богатова, С. В. Смирнова, В. А. Огородникова, В.Н. Трофимова и др., а за рубежом - Кокрофта-Латама, установленная в программном комплексе Deform 3D по умолчанию, как основная методика прогнозирования разрушения металла при холодной пластической деформации.

Однако методика прогнозирования разрушения применительно к РКУП цилиндрической заготовки с высоким уровнем накопленной деформации при многопроходном к настоящему времени не рекомендована и не разработана.

Ранее была предложена Сегалом В.М. формула для удельной силы деформирования в процессе РКУП заготовок с квадратным поперечным сечением. Недостатком данной модели является то, что не учитывается сужение выходного канала, трибологические условия во входном канале матрицы, упрочнение металла в процессе деформирования, решение было получено для плоско-деформированного состояния. Эти решения не корректно использовать для заготовок круглого сечения, т.к. круглое сечение канала инструмента обусловливает иное напряженно - деформированное состояние в заготовке и, следовательно, иные деформационные и силовые параметры процесса РКУП при одинаковых характерных размерах поперечных сечений каналов (диаметр круга и сторона квадрата).

Известно, что методом РКУП получают заготовки с относительно небольшим поперечным размером - размер поперечного сечения обычно составляет порядка 100 — 225 мм".

Следует отметить, что в литературе отсутствуют количественные зависимости влияния поперечного размера заготовки и скорости деформирования при РКУП заготовок на термические и механические условия деформации металла в процессе РКУП, которые бы позволили определить рациональный температурный, скоростной режим деформирования.

На основе анализа литературных данных были сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание физических экспериментов. В качестве материалов исследования использовали сталь 15, ШХ15 и сплав ВТ-6.

Дня расчета поврежденности металла по модифицированной модели Кокрофта - Латама и модели Богатова A.A. в качестве объекта исследований использовали цилиндрическую заготовку диаметром 10 мм и длиной 70 мм, из стали 15.

Испытания образцов из стали 15, сплава ВТ-6 на пластичность проводили

на экспериментальном измерительном комплексе с программным управлением, позволяющим осуществлять различные виды комбинированного деформирования образцов в термических и механических условиях деформации заготовки при РКУП.

При разработке моделей деформационных и силовых параметров РКУП цилиндрических заготовок в матрице с сужающимся выходным каналом в качестве объекта исследований использовали заготовки диаметром 10 мм и длиной 65 мм, диаметром 40 мм и длиной 120 мм из стали ШХ 15, после термической обработки. Поверхность заготовок, предварительно до РКУП, покрывали смазкой «Росойл О», которая представляет собой само высыхающую композицию с содержанием графита.

В процессе моделирования РКУП заготовок использовали кривую упрочнения материала, которую строили по результатам механических испытаний на сжатие цилиндрических образцов диаметром 6 мм и высотой 7 мм при помощи универсальной испытательной машины У10 с цифровой записью диаграммы: сила-перемещение. Скорость деформирования образцов 1,3 мм/мин.

РКУП заготовок, осуществляли в оснастке, смонтированной на гидравлический пресс модели ДВ2428 номинальной силой 600 кН. Пресс был оснащен измерительным комплексом, включающим в себя мессдозу, аналого-цифровой преобразователь и компьютер с обрабатывающей программой «IAÛDET 5.0». Относительная погрешность измерения силы деформирования составляла 2.. .4 %.

При исследовании влияния поперечного размера заготовки на термические и механические условия формоизменения при РКУП варьировали диаметром заготовки от 10 мм до 40 мм из сплава ВТ-6.

Механические испытания образцов (из стали ШХ15 и сплава ВТ-6), изготовленных из деформированных заготовок, на растяжение проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 на универсальной машине Instron 1185. В процессе испытаний велась запись диаграммы растяжения в координатах «нагрузка-перемещение».

В третьей главе были разработаны модели деформационных и силовых параметров РКУП цилиндрических заготовок в матрице с сужающимся выходным каналом.

При разработке моделей деформационных и силовых параметров РКУП заготовок в матрице с сужающимся выходным каналом применяли методику М.З. Ерманка и энергетический подход.

Разработку схемы процесса РКУП (рисунок 1) выполняли на основе моделирования процесса в программном комплексе DEFORM 3D. Применение метода баланса работ позволило получить модели для деформационных и силовых параметров РКУП.

Формула для расчета средней скорости деформации в области сдвига очага пластической деформации:

л/з • £> • бш а

180-ч-а

180-у-а !

б В

Рисунок I - Схема к расчету удельной силы углового прессования цилиндрической заготовки в матрице с сужающимся выходным каналом: а - схема к расчету объема очага пластической деформации; б - схема к расчету скоростей сдвига ив ,ис1; в - общий вид сетки в вертикальной плоскости симметрии для стадии устойчивого течения

Формула для расчета удельной силы углового прессования заготовки (с круглым поперечным сечением) в матрице с сужающимся выходным каналом:

ст.. + и.

^ (у + а) +

/, 1 [ ^ вша ] —+ - ctgу—:— £> эт/)

4/ -(т,-8та + 7 -+

л/3-

■Уз

О1

(0 + с1) (£>-<*) „ вша

эту

(2)

где ст=(о-50+<т51)/2; о-51 = (<т5|+ст2)/2;сг50, егл, ст2 - напряжение течения металла: начальное, на верхней границе области растяжения очага деформации, МПа, на нижней границе области растяжения очага деформации; /-коэффициент трения: между металлом, находящимся в области сдвига, и матрицей, входного канала матрицы и заготовки, между металлом, находящимся в области растяжения, и матрицей; Б, с! - диаметр входного и выходного канала матрицы, мм; а - половина угла, характеризующего угловой размер области сдвига очага пластической деформации (рисунок 16), градус; у

- половина угла пересечения входного и выходного каналов матрицы, градус; /,

- длина входного участка матрицы, мм; /2 - длина выходного канала матрицы, мм.

В результате экспериментального изотермического углового прессования заготовки из стали ШХ15 при температуре 500°С, в оснастке были получены

бездефектные заготовки (не содержащие поверхностных складок, зажимов и трещин).

Таким образом, сопоставление расчетной силы, равной Р = 109,5 кН, с результатами моделирования Рмод = 123 кН (рисунок 26) показало относительное отклонение 11%. Расчетная сила, равная Рр = 109,5 кН, с приемлемой для практического использования точностью согласуется с силой -Р = 110 кН (рисунок 2а), измеренной при экспериментальном угловом прессовании цилиндрической заготовки из стали ШХ15 в матрице с сужающимся выходным каналом, отклонение составляет 0,45%.

а б

Рисунок 2 - Графические зависимости силы РКУП заготовки из стали ШХ15 от времени движения пуансона: а - по результатам экспериментальных измерений;

б - в результате моделирования цилиндрической заготовки со скоростью деформирования 0,1 мм/с

Формулы (1) и (2) позволяют рассчитать скорость деформации и удельную силу деформирования в процессе РКУП цилиндрической заготовки в матрице с сужающимся выходным каналом при различных углах пересечения каналов матрицы, при различных условиях и скоростях деформирования.

Для сравнения рассчитали силу с использованием формулы Сегала В.М., которая составила Рд = 91 кН.

Расчетная сила деформирования в процессе РКУП цилиндрической заготовки из стали ШХ15 диаметром 40 мм, рассчитанная с помощью полученной формулы (2), больше силы углового прессования, рассчитанной с помощью формулы Сегала В.М., на 17%. Такая разница значений сил деформирования заготовки обусловлена не учётом в формуле Сегала В.М.: сужения выходного канала, трибологических условий во входном канале матрицы; упрочнения металла в процессе деформирования, скорости деформации. Формула была получена для плоско-деформированного состояния. Неточное определение силы деформирования ведет к необоснованнному выбору пресса для деформирования, в результате чего не соблюдается необходимый режим обработки.

Таким образом, разработанная модель (2) позволяет точнее определить силу деформирования, по сравнению с ранее разработанными другими авторами.

Четвертая глава посвящена разработке методики прогнозирования разрушения и расчету поврежденности металла в процессе РКУП по модифицированной модели Кокрофта-Латама.

Прогнозирование разрушения металла в процессе РКУП заготовки осуществляли по разработанной ранее модифицированной модели Кокрофта-Латама, которая позволяет учитывать изменение напряженного состояния материальной точки при расчете поврежденности металла":

1 (^l^)ds,l[((jju)cps,i

(3)

где г - число этапов деформирования точки; Аск = | (а^/ег )й?£, - приращение

показателя Кокрофта-Латама на к-ом этапе деформирования материальной точки заготовки; е1к— интенсивность деформации, накопленной материальной точкой заготовки к началу к-го этапа деформирования; е1Ш- интенсивность деформации, накопленной материальной точкой заготовки к окончанию к-го этапа деформирования; сг,— главное положительное нормальное напряжение, МПа; а — интенсивность напряжений, МПа; е, — интенсивность деформации,

накопленной материальной точкой образца при испытании к моменту разрушения при постоянном значении показателя (7,/ег. напряженного состояния.

Функцию £^=-1,397-111(0-,/^), (4)

определяющую пластичность стали 15, опреляли с помощью экспериментального измерительного комплекса, разработанного в ФГБОУ ВПО «УГАТУ» НИИ ФПМ.

Как показано авторами работы2 траекторию материальной точки, в которой рассчитывают поврежденность металла необходимо представлять г этапами деформирования с длительностью каждого этапа деформирования равной ?э. Количество г этапов деформирования принимают таким, чтобы выполнялось условие:

0,99 <¿

( л

ч i

h

V ' / ср

/ S < 1,

(5)

где S- площадь плоской фигуры, ограниченной графической зависимостью показателя напряженного состояния aja, материальной точки заготовки от времени, осями абсцисс, ординат и линией параллельной оси ординат.

2 Опенка поврежденности металла при холодной пластической деформации с использованием модели разрушения Кокрофт-Латам/ A.B. Боткин [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 201J. № 7. С. 17-22.

проходящей через точку (í3;0); t3- время деформирования материальной точки, с.

Адекватность модифицированной модели поврежденности металла (3) проверяли путем решения тестовой задачи - определение количества проходов РКУП заготовки из стали 15 диаметром 10 мм и длиной 70 мм до разрушения. Максимальное значение показателя Кокрофта - Латама наблюдается в области заготовки, примыкающей при РКУП к внутреннему углу матрицы (рисунок За). Поэтому расчет поврежденности металла выполняли для материальной точки, выбранной именно из этой области заготовки, в которой накапливается деформация около 3 единиц. В результате моделирования получили графические зависимости показателя напряженного состояния от времени ejercí), показателя Кокрофта-Латама от времени C\t), коэффициента жесткости напряженного состояния от времени <?cp/T(t), показателя Лоде от времени №<?{*)■

Рисунок 3 - Схема положения и графическая зависимость материальной точки заготовки от времени: а - схема положения точки; б — компоненты тензора скорости вращения от времени: 1 - Ф2; 2 - Ф,; 3 - Ф,

Для сравнения результатов расчета повреясденность оценивали по методике A.A. Богатова:

т А1 дв-1

« = (6)

М о Л/Р

где ш - количество участков монотонной или квазимоиотонной деформации материальной точки; Астепень деформации сдвига на j-ом участке монотонной или квазимонотонной деформации материальной точки, в которой

1+0.511^ з

рассчитывается поврежденность; а = а0 , а0 = 2,585 ;А - интенсивность

Прогнозирование разрушения металла при холодной объемной штамповке с помощью адаптивной модели разрушения/ Биба Н.В. [и др.]//Кузнечно-штамиовочное производство. Обработка металлов давлением. 2003. № 3. С.39-14.

деформации сдвига, накопленная металлом к моменту разрушения при постоянных термомеханических параметрах, для стали 153.

Количество m участков монотонной или квазимонотонной деформации материальной точки, движущейся по траектории в очаге деформации, определяли путем расчета и анализа изменения знака компонент тензора скорости вращения (рисунок 3 б) в сопутствующей системе координат, определенной на базисе собственных векторов тензора скорости деформации. Изменение знака хотя бы одной из трех компонент тензора скорости вращения служило основанием считать данную временную точку началом очередного и окончанием предыдущего участков монотонной или квазимонотонной деформации материальной точки.

Получили, что оценки поврежденное™ металла при РКУП цилиндрической заготовки, полученные с использованием методики А. А. Богатова и модифицированной модели Кокрофта - Латама, хорошо согласуются между собой. Относительное отклонение оценок поврежденное™ металла не превышает 10 % (таблица 1). Эти методики расчета поврежденности металла одинаково приемлемы для удовлетворительного прогнозирования разрушения металла при РКУП заготовки. Но для применения методики Богатова A.A. требуется сравнительно большой объём вычислений и экспериментальных данных о пластичности металла.

Таблица 1 Результаты расчета поврежденности металла в процессе РКУП заготовки диаметром 10 мм и длиной 70 мм из стали 15_

Количество Поврежденность Поврежденность Поврежденность

проходов по по модели по модели

РКУП модифицированно А. А.Богатова Кокрофта-

й модели Латама

Кокрофта-Латама

1 0,205 0,223 0,601

2 0.519 0,512 0,98

3 0,969 0,958 1,59

4 1,149 1,058 1,86

Физический эксперимент показал, что разрушение заготовки диаметром 10 мм и длиной 70 мм из стали 15 в процессе РКУП при комнатной температуре происходит во время осуществления третьего прохода (рисунок 4).

Рисунок 4 Заготовка диаметром 10 длиной 70 мм из стали 15, полученная после трёх проходов РКУП при комнатной температуре

В пятой главе исследовано: влияние поперечного размера и скорости деформирования на термические и механические условия деформирования в процессе РКУГ1 заготовок из сплава ВТ-6; влияние угла пересечения каналов матрицы и сужения выходного канала на поврежденность заготовки в процессе РКУП из сплава ВТ-6. А также разработана технология получения полуфабрикатов под последующую штамповку лопаток ГТД из сплава ВТ-6.

При исследовании влияния поперечного размера заготовки на температуру разогрева металла в процессе РКУП использовали компьютерное моделирование в программном комплексе Deform 3D.

Анализ результатов моделирования процессе РКУП из сплава ВТ-6 показал, что с увеличением размера поперечного сечения и скорости деформирования, температура разогрева заготовки в процессе прессования растет. Кратковременное повышение температуры в очаге деформации может быть существенным для миг рации границ фрагментов, увеличения размеров зерен.

На рисунке 5 показаны зависимости, полученные обработкой результатов моделирования, при скорости деформирования 0,1 мм/с, 1 мм/с, 10 мм/с, которые можно использовать для выбора термоскоростного режима обработки металла при проектировании технологии РКУП. Графики, представленные на рисунке 5, хорошо описываются аппроксимирующими зависимостями с величиной достоверности R2 = 1 для скорости деформирования 0,1 мм/с (7), 1 мм/с (8), 10 мм/с (9):

AT = 0,0067-d2 + 0,35-g? + 1,3333, (7)

AT = -0,0l33-d2 +1,925-«?+ 27,333, (8)

AT = -0,0283 • d2 + 2,575 • d + 73,333. (9)

Из графиков на рисунке 5 видно, что при увеличении поперечного сечения заготовки увеличивается разогрев заготовки.

дт.°с 100 50 О

О 10 -0 30 iL мы

Рисунок 5 - Графические зависимости температурного разогрева металла в

очаге деформации от диаметра заготовки при скорости деформирования: 1-10 мм/с; 2-1 мм/с; 3-0,1 мм/с

Влияние поперечного размера заготовки на термические условия деформации металла в процессе РКУП значительно и может сказаться на механических свойствах получаемых полуфабрикатах и поэтому его

необходимо учитывать при разработке термомеханического режима процесса прессования.

Применение УМЗ титановых сплавов представляет значительный интерес для изготовления таких ответственных изделий, для которых критическими свойствами, определяющими ресурс и надежность, является прочность, выносливость и износостойкость. Лопатки ГТД являются наиболее массовыми и дорогостоящими деталями.

Технологические исследования были направлены на прогнозирование разрушения металла в процессе РКУП, а именно: определение количества проходов при деформировании заготовок диаметром 27 мм и длиной 300 мм; выбор угла пересечения каналов матрицы для РКУП; выбор сужения выходного канала матрицы для РКУП. Произведен расчет деформационных и силовых параметров, и на основе этих расчетов спроектирована матрица для РКУП.

В работах Богатова A.A. показано, что критическое значение поврежденности равно 0,65 для крупнозернистого металла (для УМЗ металла это значение неизвестно), по достижению которой металл не разрушается, но накопленная поврежденность не устраняется последующей термообработкой и показатели прочности существенно уменьшаются.

В результате моделирования и расчетов по модифицированной модели поврежденности Кокрофта-Латама (3) получили, что рациональными являются: угол пересечения каналов #> = 120° и сужение выходного канала 7% , так как поврежденность металла после четырех проходов РКУП по маршруту Вс в этом случае удовлетворяет условию 0,59 < 0,65.

На рисунке 6 представлена заготовка диаметром 25 мм и длиной 300 мм из сплава ВТ-6 после четырех проходов РКУП при температуре 650°С.

Рисунок 6 - Заготовка диаметром 25 мм и длиной 300 мм из сплава ВТ-6, полученная после четырех проходов РКУП при температуре 650°С

Скорость деформирования рассчитывали с использованием формулы (1), которая составила I мм/с.

Используя, полученные графики (рисунок 5) температурного разогрева в очаге деформации от поперечного размера заготовки и скорости деформирования определили температуру нагрева исходной заготовки для РКУП, как разность температуры деформации, взятой из справочной литературы, и деформационного разогрева, которая составила 580°С.

Используя полученную формулу (2), определили удельную силу, действующую на деформирующий инструмент при РКУП заготовки из сплава ВТ-6 диаметром 27 мм, сужение выходного канала инструмента 7%. Она составила 409,4 МПа.

Таким образом, для РКУП заготовок из сплава ВТ-6 диаметром 27 мм и длиной 300 мм при температуре 650°С необходим пресс, который развивает силу не менее 234,2 кН и скорость передвижения траверсы не более 1 мм/с. При этом минимальный наружный радиус матрицы из стали ДИ 22 для прессования заготовки из сплава ВТ-6 должен быть не менее 16,7 мм.

На основе полученных результатов была разработана технологическая схема для получения заготовок из сплава ВТ-6 под последующую штамповку, которая составляет часть технологической схемы для получения лопаток ГТД.

Технологическая схема получения заготовок под последующую штамповку лопаток ГТД:

1. Термическая обработка: закалка 950°С в воду + старение 450°С (механические свойства таблица 2).

2. Нагрев исходной мерной заготовки до температуры 580°С.

3. 1 проход РКУП заготовки из сплава ВТ-6.

4. Нагрев заготовки до температуры 580°С.

5. 2 проход РКУП заготовки из сплава ВТ-6 по маршруту Вс.

6. Нагрев заготовки до температуры 580°С.

7. 3 проход РКУП заготовки из сплава ВТ-6 по маршруту Вс.

8. Нагрев заготовки до температуры 580°С.

9. 4 проход РКУП заготовки из сплава ВТ-6 по маршруту Вс.

Таблица 2 - Механические свойства полуфабрикатов из сплава ВТ-6

О. а°,2 <5,%

Закалка 950'С в воду + старение

450-С (4 часа)

1100 1040 10 42

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны модели - формулы для расчета деформационных и силовых параметров процесса РКУП. Формулы позволяют рассчитать силу деформирования и скорость деформирования процесса РКУП с приемлемой для практического использования точностью и учитывать при расчете необходимую скорость деформации и упрочнение металла, форму заготовки, сужение выходного канала инструмента, угол пересечения каналов, различные трибологические условия во входном и выходном каналах инструмента. Относительная разность расчетных и измеренных в эксперименте значений силовых параметров процессов РКУП не превышает 10%.

2. Разработана методика прогнозирования разрушения металла на основе модифицированной модели Кокрофта - Латама с высоким уровнем накопленной деформации в процессе многопроходного РКУП, позволяющая

4 Семенова И.П. Формирование УМЗ структур и повышенных механических свойств в малолегированных титановых сплавах комбинированными методами ИГЩ: Диссертация на соискание ученой степени д.т.н/Науч. рук. Р.З. Валиев. Челябинск: ЮУрГУ. 2011.40 с.

учитывать влияние напряженного состояния материальной точки заготовки на предельное значение показателя поврсжденности Кокрофта-Латама. Показано, что методика позволяет прогнозировать разрушение металла при изменяющемся напряженном состоянии материальной точки заготовки, а траекторию материальной точки представляют г этапами деформирования с длительностью ¿з каждого этапа деформирования таким образом, чтобы

удовлетворялось условие: 0,99 < У

■К

/ S < 1. Экспериментальную

проверку методики прогнозирования разрушения металла проводили на примере расчета поврежденности металла с высоким уровне накопленной деформации гг, » 3 в процессе четырехпроходного РКУП цилиндрической заготовки из стали 15 диаметром 10 мм и длиной 70 мм, заготовка разрушилась в эксперименте и при моделировании в третьем проходе РКУП.

3. Разработаны рекомендации по использованию при проектировании процесса РКУП цилиндрической заготовки: формул для расчета деформационных и силовых параметров деформирования; методики прогнозирования разрушения металла; зависимостей влияния поперечного размера заготовки и сужения выходного канала инструмента на термические и механические условия деформации металла.

4. Разработаны рекомендации по применению полученных моделей при разработке технологии и проектировании инструмента для РКУП заготовок под последующую изотермическую штамповку лопаток ГТД из сплава ВТ-6.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Боткин A.B., Валиев Р.З., Дубинина C.B. Моделирование термических и механических условий деформирования и разрушения металла в процессах ИПД // Российская научно - техническая конференция «Мавлютовские чтения» 2011. Т.З. С.30-35.

2. Деформационные и силовые параметры углового прессования цилиндрической металлической заготовки / A.B. Боткин, Р.З. Валиев, C.B. Дубинина [и др.] // Кузнечно-штамповочное производствл. Обработка металлов давлением 2011. №8 С. 3-8. (научная статья в рецензируемом издании из перечня ВАК РФ).

3. Боткин A.B., Дубинина C.B., Вареник Е.В. Деформационные и силовые параметры РКУП цилиндрической металлической заготовки // Международный симпозиум «Объёмные наноструктурные материалы BNM - 2011» г. Уфа. С. 162-163.

4. Дубинина C.B. Влияние масштабного фактора на термические и механические условия деформации металла в процессе РКУП// Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» 2011. Т.2. С.97-98.

5. Дубинина C.B. Прогнозирование разрушения металла в процессе ИПД цилиндрической заготовки РКУП // Седьмая Всероссийская зимняя школа -семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» 2011. Т.2. С.7-10.

6. Прогнозирование разрушения металла в процессе ИПД цилиндрической заготовки РКУП / A.B. Боткин, Р.З. Валиев, C.B. Дубинина [и др.]// Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2011. №4. С. 38-42 (научная статья в рецензируемом издании из перечня ВАК РФ).

7. Получение ультрамелкозернистых металлов и сплавов методами ИПД: новые подходы в разработке технологий/ Р.З. Валиев, A.B. Боткин, C.B. Дубинина [и др.]//Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2012. №8. С.44-47. (научная статья в рецензируемом издании из перечня ВАК РФ).

8. Дубинина C.B. Физическое моделирование термических и механических условий деформации заготовки в процессе РКУП // XXI Уральская школа металловедов - термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» 2012. С.260-261.

9. Дубинина C.B. Исследование термических и механических условий деформации заготовки в процессе РКУП: моделирование и эксперимент// Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» 2012. Т.1. С.144-145.

Подписано в печать 08/05/13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 120 экз. Заказ 931. Гарнитура «Тіте5№\¥ІІоіпап». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТНЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 1 пл. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 4. т/ф: 8(347) 27-27-600, 27-29-123