автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Деформируемость и поврежденность металлов при обработке давлением

Институт машиноведения Уральского отделения Российской Академии Наук Уральский государственный технический университет

На правах рукописи

Для служебного пользования Экземпляр № 3

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И ПОВРЕЖДЕННОСТЬ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением Уральского государственного технического университета и в Институте машиноведения Уральского отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Никифоров Б.А.

- доктор технических наук, профессор Зудов Е.Г.

- доктор технических наук, профессор Коваль Г.И

Ведущее предприятие - НИИТЯЖМАШ ОАО "Уралмаш"

Защита состоится " 25 " декабря_1998 г. в 15 часов

на заседании диссертационного совета Д 063.14.02 при Уральском государственном техническом университете.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю университета, телефон 754-574.

Автореферат разослан " 24 " ноября_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, ^ /

профессор ,УУ('Л<' В.А.Шилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема деформируемости является одной из старейших в металлообработке. Однако, в связи с разработкой новых материалов, как правило, более прочных и менее пластичных, с созданием технологий интенсивной обработки материалов актуальность этой проблемы возрастает. Дефекты и микродефекты сплошности металла, возникшие при деформации и попавшие в готовое изделие, могут привести к снижению эксплуатационных характеристик изделий и преждевременному выходу их из строя. Наряду с развитием технических средств выявления уже возникших дефектов, актуальным является разработка принципов проектирования технологических процессов таким образом, чтобы исключить совсем или свести к минимуму образование этих дефектов при деформации. Научно обоснованный поиск резервов улучшения деформируемости металлов при обработке давлением может быть осуществлен на основе установления и количественного описания закономерностей накопления и залечивания поврежденпости металла. Усилению влияния теории разрушения на формирование инженерного мировоззрения и на использование ее при решении практических задач способствуют прикладные исследования поврежденной и и создание алгоритмов ее расчета в процессах обработки давлением, реализация их в виде компьютерных программ прогнозирования разрушения металла для проектных и технологических расчетов.

Исследования, приведенные в диссертации, выполнены в соответствии с программой ГКНТ СССР "Сверхпластичность", межвузовскими научно-техническими программами "Металл" и "Новые ресурсосберегающие металлургические технологии", грантами Министерства общего и профессионального образования РФ, планами научно-исследовательских работ Уральского государственного технического университета и Института машиноведения Уральского отделения РАН.

Целью диссертационной работы является развитие представлений о деформируемости металлов при обработке давлением и определение путей ее улучшения на основе экспериментального исследования и теоретического обобщения закономерностей накопления и залечивания по-врежденности, изучения пластических свойств сталей и сплавов, напряженно-деформированного состояния металла и создания компьютерных программ технологического назначения применительно к процессам изготовления изделий типа прутков и труб.

Научная новизна:

1) На основе результатов экспериментальных исследований изменения плотности металла в условиях простого и сложного нагружения установлено, что при изменении условий нагружения имеет место переходный процесс, в течение которого происходит адаптация накопления поврежденности к изменившимся условиям. Установлено, что если изменение условий нагружения происходит в благоприятном направлении, то

наблюдается частичное залечивание поврежденности, если в неблагоприятном - то дополнительное развитие поврежденности.

2) С единых позиций сформулированы кинетические уравнения поврежденности металла при различных условиях пластического деформирования и термического воздействия, разработаны методики определения эмпирических параметров в кинетических уравнениях.

3) Разработана методика учета влияния структурных изменений на пластичность при нагреве холоднодеформированного металла, что позволило построить диаграммы залечивания поврежденности при термической обработке для 20 различных сталей и сплавов, установить для них критерии микроразрушения, изучить возможности интенсификации залечивания деформационной поврежденности термоциклической обработкой и наложением сжимающих напряжений в процессе нагрева металла.

4) Разработана аппаратура и методики для проведения механических испытаний образцов в камере с регулируемым гидростатическим давлением жидкости от 0,1 до 1000 МПа при температуре от 20 до 11()0°С и скорости нагружения от 0,001 до 100 мм/мин, что впервые позволило исследовать пластичность металлов в условиях высоких температур и раздельного изменения показателя напряженного состояния и показателя Лоде.

5) Построено более 70 диаграмм пластичности, кривых деформационного упрочнения, изучена пластичность при знакопеременной деформации для сталей и сплавов разных классов, находящихся в различном структурном состоянии. Изучено совместное влияние структурного и напряженного состояний на пластичность сталей и сплавов, принадлежащих к различным классам, что позволило сделать обобщения экспериментальных данных по влиянию параметров микроструктуры, химического состава и вида термической обработки на пластичность углеродистых сталей, фазового состава на пластичность метастабильных сталей.

6) Установлена взаимосвязь поврежденности металла и .характеристик его трещиностойкости в категориях нелинейной механики разрушения.

7) Разработан метод экспериментального исследования деформированного состояния, основанный на восстановлении "естественной" координатной сетки и траекторий движения частиц в очаге деформации но данным микроструктурного анализа, что позволяет изучать деформированное состояние в очагах пластической деформации малого размера. Практическая значимость и реализация результатов работы.

Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе, позволили выполнить ряд прикладных исследований для решения актуальных проблем деформируемости материалов на предприятиях бывшего СССР:

1) На основе результатов исследования деформационных свойств определены оптимальные режимы предварительной термической обра-

ботки и волочения частично состаренной мартенситностареющей проволоки для изготовления тяжелонагруженных пружин. На пружинах, изготовленных из опытных партий проволоки, получен специальный технический эффект при стендовых испытаниях.

2) Создана математическая модель НДС металла при продольной раскатке прутков в калиброванных неприводных валках по схеме "круг-овал - круг", которая реализована в виде автоматизированной системы для технологических расчетов. Система использовалась в практике проектных расчетов и технологической подготовки новых режимов раскатки торсионных валов гусеничных движетелей во ВНИТИ (г.Санкт-Петербург).

3) На основе результатов исследования деформационных свойств определены оптимальные модификации стали 70 и маршруты волочения из нее проволоки для изготовления высокопрочных дюбелей по технологии ВНИИМЕТИЗа, позволяющих пристреливать стальные конструкции толщиной до 20 мм. Дюбели прошли успешные производственные испытания при монтажно-строительных работах в трестах Главстальконст-рукции.

4) Создана математическая модель НДС металла в очаге деформации при ротационной вытяжке толстостенных трубных заготовок, которая реализована в виде автоматизированной системы для технологических расчетов. Система использовалась при разработке технологических режимов изготовления валов газотурбинных авиационных двигателей в ЗМКБ "Прогресс".

5) На основе исследования деформационных свойств и поврежденное™ металла разработаны рекомендации по созданию новых и совершенствованию существующих технологических режимов волочения проволоки и прокатки труб из тугоплавких металлов. Рекомендации внедрены на Светловодском заводе по обработке тугоплавких и жаропрочных материалов при волочении вольфрамовой проволоки для электроламповой промышленности, на Московском заводе по обработке тугоплавких и жаропрочных материалов при изготовлении тонкостенных молибденовых труб, на предприятии п/я А-1857 при изготовлении проволоки и труб из сплавов на основе хрома.

6) Выполнено сравнительное исследование деформируемости при изготовлении прутков из тяжелых сплавов на \V-Ni-Fe основе методами гидроэкструзии, многовалковой продольной и винтовой прокатки и ротационного обжатия. Рекомендации по предельным деформациям при гидроэкструзии, предельным деформациям и параметрам инструмента при радиальном обжатии внедрены в составе новых технологий при изготовлении заготовок сердечников бронебойных снарядов на предприятиях п/я В-2652, Р-6591 и В-8061.

7) Создана математическая модель НДС металла в очаге деформации при шариковой раскатке тонкостенных сварных труб, которая реализована в составе автоматизированной системы для анализа технологии изготовления сильфонов на Саранском приборостроительном заво-

де. Система использовалась на заводе при проектных технологических расчетах и для оперативного выбора вариантов технологии в зависимости от результатов входного контроля механических свойств ленты.

8) На основе экспериментально-теоретических исследований составных образцов создана магематическая модель НДС металла в очаге деформации при винтовой прокатке круглых сортовых профилей на трех-валковом стане. Модель реализована в виде программного комплекса и используется при проектировании технологических режимов прутков из титановых сплавов на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 10 региональных, 11 всесоюзных и 9 международных конференциях, семинарах и совещаниях: семинаре "Пластичность и деформируемость металлов при обработке давлением" (Свердловск, 1983; Миасс, 1987); Всесоюзной конференции "Антикоррозионные покрытия в метизном производстве" (Магнитогорск, 1982); Всесоюзном совещании по тепловой микроскопии (Новокузнецк, 1982; Каунас, 1989); Всесоюзной конференции "Физика прочности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1983); конференции "Технология производства порошков цветных металлов" (Красноярск, 1985); Уральской школы металловедов-термистов (Свердловск,1985); конференции "Проблемы прочности, надежности и живучести элементов конструкций" (Петропавловск, 1985); межотраслевого научно-технического совещания "Проблемы повышения качества деталей и эффективности процессов холодной объемной штамповки" (Белебей, 1985); конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением" (Пермь, 1987, 1990); Международной конференции "Высокие давления в науке и технике" (Киев, 1989; Бомбей, Индия, 1992); Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением" (Минск, 1987); конференции "Интенсификация производства и качества машиностроительной продукции за счет применения сталей с улучшенными технологическими свойствами" (Челябинск, 1987); Всесоюзной конференции "Теоретические проблемы прокатного производства" (Днепропетровск, 1988); конференции "Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением" (Абакан, 1988); Всесоюзном совещании по применению ЭВМ в научных исследованиях и разработках (Днепропетровск, 1989); Международной конференции "Поведение материалов при высоких параметрах" (Тале, Чехословакия, 1988, 1990); Республиканской конференции "Технология и оборудование волочильного производства" (Алма-Ата, 1989); Всесоюзной конференции "Методы испытаний конструкционных материалов" (Воронеж, 1990); Международной конференции по механике материалов "МЕСАМАТ" (Париж, Франция, 1992); Всероссийской конференции "Перспективные процессы формообразования металлов с локально-подвижными очагами пластической деформации" (Ижевск, 1993); Российской конференции "Новые материалы и технологии машинострое-

ния" (Москва, 1993); конференции "Трансфертные технологии" (Пермь,

1996); Австралоазиатском конгрессе по прикладной механике (Мельбурн, Австралия, 1996); Международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк,

1997); Международной конференции по термомеханической обработке сталей и других материалов" (Воллонгтон, Австралия, 1997); Международной конференции "Дефекты при обработке материалов" (Париж, Франция, 1997); Международном семинаре "Программное обеспечение для инженерных расчетов и проектирования металлургических технологий" (Екатеринбург, 1997); Международной конференции по разрушению (Сидней, Австралия, 1997); Международной конференции по обработке металлов давлением (Бермингем, Великобритания, 1998).

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 70 статьях и 3 авторских свидетельствах на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 421 страницу, включая 139 рисунков, 69 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 346 наименований и 10 приложений на 22 страницах.

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментальных исследований накопления повре-жденности металла при пластической деформации и ее залечивания при термическом воздействии, теоретические обобщения результатов исследований в виде кинетических уравнений и моделей поврежденности.

2) Методики, аппаратура и результаты исследования деформационных свойств сталей и сплавов в условиях сложного напряженного состояния при холодной деформации и при повышенных температурах; установленные закономерности совместного влияния структуры и напряженного состояния на пластичность ряда сталей.

3) Метод изучения деформированного состояния, основанный на восстановлении "естественной" координатной сетки и траекторий движения материальных частиц по результатам микроструктурного анализа; результаты исследований НДС в процессах обработки металлов давлением с использованием данного метода.

4) Математические модели НДС и поврежденности металлов в процессах обработки давлением, реализованные в виде автоматизированных систем для технологических расчетов.

5) Результаты прикладных исследований деформируемости металлов и рекомендации по разработке новых и совершенствованию существующих технологических процессов обработки давлением на металлообрабатывающих предприятиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Благодаря исследованиям отечественных ученых С.И. Губкина, М.Я. Дзугутова, М.А. Зайкова, В.Л. Колмогорова, Г.А. Смирнова-Аляева, Л.Д. Соколова, В.Н. Перетятько, A.A. Преснякова и др. проблема деформируемости и разрушения металлов стала предметом научного изучения и обособилась в самостоятельный раздел теории обработки металлов давлением.

Развитие представлений о количественной оценке и прогнозировании разрушения при пластической деформации прошло путь формирования от критериев и показателей пластичности до создания моделей и теорий разрушения. Кроме отмеченных выше ученых, значительный вклад в это внесли исследования и теоретические обобщения A.A. Бога-това, Ю.Г. Важенцева, Г.Д. Деля, Е.А. Зудова, Б.А. Мигачева, О.И. Ми-жирицкого, В.М. Михалевича, Н.Г. Колбасникова, A.B. Коновалова, С.М. Красневского, В.А. Огородникова, В.М. Сегала, В.А. Скуднова, Б.Е.Хайкина и др. За рубежом существенные успехи при создании моделей разрушения материалов при пластической деформации были достигнуты А.Г.Аткинсом, А.Л.Гарсоном, Ф.Макклинтоком, М.Кокрофтом, Д.Латамом, Дж.Ламотре, М.Омори, М.Ояне, Дж. Райсом, Х.Секигучи, Дж.Томасоном, Д.М.Трэйси и др.

На основании анализа различных аспектов современного состояния проблемы деформируемости металлов в процессах обработки давлением сделаны следующие выводы:

1. Результаты известных металлофизических исследований показывают, что разрушение металлов при деформации представляет собой не одноактное катастрофическое явление, а закономерный процесс возникновения и развития деформационных дефектов. На интенсивность развития и морфологию дефектов влияет напряженное состояние, температура, скорость нагружения и немонотонность нагружения металла. Дефекты на определенной стадии развития становятся энергетически устойчивыми и не залечиваются термической обработкой. Залечивание дефектов возможно также и под действием деформации в условиях сжимающих напряжений.

2. На современном этапе развития количественных методов оценки накопления поврежденности при пластической деформации феноменологические теории разрушения наиболее оптимальным образом сочетают достоверность описания закономерностей накопления поврежденности и относительную простоту определения эмпирических параметров в расчетных моделях.

3. В рамках феноменологических теорий разрушения не решены или недостаточно исследованы следующие вопросы: отсутствуют достовер-

иые экспериментальные данные металлофизических исследований для обоснованного построения кинетического уравнения поврежденности; не проведены систематические исследования совместного влияния структурного и напряженного состояния на деформационные свойства сталей и сплавов; отсутствуют аппаратура и методики для исследования пластичности с раздельным влиянием показателя напряженного состояния и показателя Лоде при высоких температурах и сложном напряженном состоянии; не исследовано явление залечивания поврежденности под воздействием сжимающих напряжений.

4. Несмотря на успехи аналитических и численных методов расчета НДС, не потеряли своего значения экспериментально-теоретические методы, которые могут быть эффективно использованы для исследования процессов ОМД со сложными граничными условиями и характером течения металла. Экспериментально-теоретические методы не развиты для решения задач с локальными очагами пластической деформации.

ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе изложены заимствованные и оригинальные методики исследования н обработки экспериментальных данных, которые были использованы при выполнении работы.

Статистические методы исследования. Для оценки точности измерения наблюдаемых величин использовали точечную оценку с помощью эмпирической дисперсии (дисперсии воспроизводимости). Аппроксимацию экспериментальных данных аналитическими зависимостями обычно осуществляли с помощью программы Йа/иП'са, у.4.3. симплекс-методом и совмещенным методом Розенброка и квази-Ныотона. Параметрическую идентификацию нелинейных моделей с большим количеством неизвестных коэффициентов осуществляли с помощью оригинальной программы, разработанной С.И.Паршаковым. Адекватность линейных моделей экспериментальным данным оценивали по величине коэффициента корреляции Пирсона. При оценке адекватности нелинейных моделей использовали критерий Фишера.

Исследование сопротивления деформации. При холодной деформации использовали метод ступенчатого нагружения (обратной экстраполяции Лоде) с разгрузкой и измерением текущих размеров образцов на инструментальном микроскопе. При повышенных температурах 5...7 образцов нагружали с записью усилия деформирования до различных степеней деформации, которую рассчитывали по результатам измерения размеров образцов после охлаждения. Кривые сопротивления деформации аппроксимировали степенными зависимостями.

Исследование пластичности. Для исследования пластичности при сложном напряженном состоянии механические испытания проводили на специализированных установках , оснащенных камерами с регулируемым гидростатическим давлением. При холодной деформации испытания на растяжение и кручение цилиндрических образцов, растяжение

1(1

плоских образцов проводили при гидростатическом давлении от 0,1 до 800 МПа на установке УВД-Юкр конструкции А.А.Богатова и О.И.Мижирицкого и универсальной установке УВД-Юм конструкции ИФМ УрО РАН.

Для проведения испытаний при повышенных температурах была разработана установка УВД-8Т высокого давления и реконструирована установка УВД-10м, что впервые позволило изучать пластичность материалов в интервале температур от 20 до 1100°С, скорости нагруженпя от 0,001 до 100 мм/мин и гидростатическом давлении в испытательной камере от 0,1 до 1000 МПа. Установка УВД-8Т смонтирована на базе гидравлического пресса ПСУ-500 с максимальным усилием 5000 кН. В отличие от известных конструкций в данной установке использован электромагнитный привод нагружения образца. Техническая новизна устройства защищена авторским свидетельством на изобретение. Установка имеет две системы нагрева: общего внутреннего нагрева рабочей камеры и локального нагрева испытываемого образца. Первая система обеспечивается трубчатыми молибденовыми нагревателями, введенными в рабочую камеру, что позволяет проводить испытания при температуре до 450°С. Для достижения более высоких температур подключается система локального нагрева, в которую входит миниатюрная электропечь сопротивления, крепящаяся на образце. На установке проводили испытания при температуре до 1100°С и гидростатическом давлении жидкости от 0,1 до 800 МПа. При реконструкции установки УВД-8Т были разработаны эффективные миниатюрные печи локального нагрева образцов, что позволило отказаться от общего нагрева испытательной камеры и изменять в широких пределах скорость нагружения (от 0.001 до 100 мм/мин). Разработка указанной аппаратуры и методик впервые позволило исследовать пластичность металлов в условиях высоких температур и раздельного изменения показателя напряженного состояния к = а/Т (а -среднее нормальное напряжение; Т - интенсивность касательных напряжений) и показателя Лоде /V Для аппроксимации зависимости пластичности от среднего за процесс испытания показателя кср при заданных значениях показателя Лоде ца использовали экспоненциальную зависимость Лр = с12ехр(сикср), где с,:, сп - эмпирические коэффициенты. Деформируемость материалов при знакопеременном нагружении изучали в экспериментах на реверсивное кручение. Испытания в условиях холодной деформации проводили на испытательной машине К-5, а при повышенных температурах - на торсионном пластометре. По результатам экспериментов определяли коэффициент Менсона-Коффина у или обратный ему по величине показатель интенсивности накопления повреж-денности а0 в модели разрушения А.А.Богатова.

Исследование напряженно-деформированного состояния. Для экспериментального изучения деформированного состояния развит микроструктурный метод, который, в отличие от метода Смирнова-Аляева -Розенберг, позволяет определять не только главные деформации, но и

восстанавливать "естественную" координатную сетку и траектории движения материальных частиц в очаге деформации. Метод основан на выделении в плоскости шлифа образца слоев металла с равным количеством зерен п > /;,„„„ которые идентифицируются с линиями пересечения плоскости шлифа поверхностями траекторий (при установившемся течении металла). Минимальное количество пересекаемых границ структурных элементов «„„„ определяется статистическим анализом. При изучении неустановившегося течения по наружному контуру шлифа деформируемой заготовки отсчитывают отрезки секущей, содержащей п пересечений с границами структурных составляющих. Из полученных узлов на контуре поверхности шлифа в перпендикулярном к нему направлению также отсчитывают по п пересечений. В результате получается второй слой узлов. Процедура повторяется вплоть до полного заполнения узлами плоскости шлифа. Микроструктурные измерения осуществляли на электронном анализаторе структуры "Эпиквант". Для оценки точности предлагаемого метода были проведены сравнительные испытания по воспроизведению координатной сетки при внедрении конического индентера по данным микроструктурных измерений на составных образцах, на меридиональной плоскости разъема которых была нанесена координатная сетка. В результате было установлено, что погрешность в установлении координат, определенных на нанесенной и воспроизведенной координатных сетках, приблизительно одинакова.

Воспроизведенная "естественная" координатная сетка и траектории движения материальных частиц могут быть подвергнуты обработке для определения компонентов тензора приращения деформаций любым из известных методов. Проведенные исследования позволили развить экспериментально-теоретический метод определения НДС для задач течения металла при плоской деформации, деформации в плоскости симметрии, осесимметричной и квазиосесимметричной деформации. Особенно эффективно использование этого метода для изучения очагов деформации малых размеров.

Экспериментальное исследование поврежденности деформированного металла осуществляли по изменению плотности и фрактографиче-ским методом. Изменение плотности металла образцов при деформации исследовали методом тройного гидростатического взвешивания и дифференциальным методом на специализированной установке Института металлофизики ЦНИИЧЕРМЕТа им. И.П.Бардина и на переоборудованных весах ВЛР-200. В качестве рабочей жидкости использовали тет-рабромэтан, имеющий плотность 2960 кг/м3 при 25°С. Измерение и контроль текущей плотности жидкости регулярно производили путем взвешивания эталона из сплава хрома с известной плотностью 7200,51 кг/м3 при 25°С. Точность измерения плотности составляла ±0, 3 кг/м3 при тройном гидростатическом взвешивании образцов массой свыше 7 г и ±0,05 кг/м3 при дифференциальном взвешивании образцов массой свыше 1 г. Для исключения влияния колебаний температуры на плотность об-

разцов результаты измерений приводили к температуре 20°С. Усреднение измерений производили по результатам пятикратного взвешивания каждой серии образцов, в рамках которого каждый образец взвешивался 3-4 раза. Для экспериментального исследования распределения пластического разрыхления по объему образцов была разработана специальная методика, которая заключается в последовательном чередовании операций гидростатического взвешивания и удаления части объема образца. Плотность металла в удаленном слое рассчитывали исходя из закона постоянства объема.

Известно, что при распространении хрупкой трещины микропластическая деформация в областях, прилегающих к фронту распространения трещины, очень мала и остаточные искажения, вносимые в структуру металла при хрупком разрушении, невелики. Это позволило разработать фрактографический метод изучения поврежденности в сплавах с ОЦК-металлов при их деформировании в интервале температур выше температуры хрупкости. Метод заключается в том, что на образцы пластически деформированного металла наносится концентратор напряжений, затем они охлаждается ниже температуры хрупкости и подвергаются хрупкому разрушению, а поверхность излома изучается на электронном сканирующем микроскопе. Дефекты, возникшие на стадии пластической деформации, легко различаются на фоне картины хрупкого излома.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА

Поврежденность металла при пластической деформации. Изменение поврежденности металла при деформации может быть охарактеризовано пластическим разрыхлением, определяемым как относительное изменение плотности образца при деформации е = Лр/р0. Для экспериментального определения вида кинетического уравнения поврежденности был реализован план исследований с последовательным усложнением условий нагружения от простого до ступенчатого и от монотонного до знакопеременного.

Для определения вида зависимости е' = cie/dA от накопленной деформации, эксперименты проводили при неизменяющихся условиях напряженного состояния в процессе нагружения. Деформирование осуществляли растяжением цилиндрических и плоских образцов, ограничиваясь только стадией равномерной деформации. В результате исследований образцов из сталей СтЗсп, 10, 20пс, 45, 12Х1МФ, 16ХНЗА, 40ХНМФА, латуни ЛС 59-1 и молибдена МЧ было установлено, что при неизменных условиях нагружения при холодной деформации приращение пластического разрыхления линейно пропорционально приращению степени деформации сдвига.

Для определения вида зависимости интенсивности пластического разрыхления от показателя напряженного состояния к образцы из сталей СтЗсп, 10, 20пс, 45, 40ХНМА были растянуты в камере с гидростатиче-

ским давлением от 0,1 до 800 МПа с разной степенью деформации. Статистическая обработка результатов исследований показала возможность описания искомой зависимости в экспоненциальном виде

е'=с,ехр(с(к), (1)

где с,и с4 - эмпирические коэффициенты.

Непосредственное экспериментальное определение предельной величины пластического разрыхления е*, соответствующего моменту возникновения разрушающей трещины, является крайне затруднительным , так как разрушение начинается в неопределенно-локальном объеме, размеры которого не позволяют произвести измерение плотности. Поэтому величину е* определяли расчетным путем:

Л.р

е' = |е'(к(Л))с1Л, (2)

о

где зависимость е'(к(Л)) определяется по формуле (1). В результате было установлено, что величина е* имеет убывающую экспоненциальную зависимость от показателя напряженного состояния к

е* = С5ехр(- Сбк), (3)

где с5 и с6 - эмпирические коэффициенты.

Учитывая, что при постоянных условиях нагружения с1с = гУЛ и е" - е'Ар, поделив почленно эти равенства, можно определить приращение поврежденности

, ск <1Л ...

(1ю = — = —. (4)

в* Лр

Полученное выражение соответствует известной линейной модели В.Л.Колмогорова.

Для ступенчатого изменения показателя напряженного состояния к осуществляли двухстадийное нагружение. На первой стадии нагружения образцы из стали 20пс растягивали со степенью деформации сдвига Л, при гидростатическом давлении р, в испытательной камере установки высокого давления, а на второй стадии - со степенью деформации Л2 при гидростатическом давлении р2. Для измерения плотности из средней части образцов, содержащих участок сосредоточенной деформации, вырезали образцы длиной 10+ 0,2 мм. Были реализованы следующие схемы нагружения: р, = 0,1 МПа -» р2 = 200 МПа; 0,1 МПа -> 500 МПа; 0,1 МПа -> 800 МПа; 200 МПа 0,1 МПа; 500 МПа -> 0,1 МПа. Анализ результатов исследований показал, что при ступенчатом нагружении происходит адаптация процесса накопления поврежденности к изменив-

шимся условиям напряженного состояния. Если р: > р,, то наблюдается частичное уменьшение пластического разрыхления (залечивание), при р; < р, - его дополнительный прирост. Адаптация осуществляется не мгновенно, а в течение переходного процесса протяженностью Яа, которая зависит от степени деформации А, и изменения величины показателя напряженного состояния Лк. Полная адаптация наблюдается только для интенсивности пластического разрыхления б' , т.е. при Л > Л, + Ха величина е' становится такой, как если бы деформация с самого начала осуществлялась при давлении р2. Для самой величины е наблюдается лишь частичная адаптация.

Переходный процесс на участке адаптации при изменении интенсивности е' от Ё(, до е| может быть описан уравнением

= (5)

где ко - интенсивность пластического разрыхления при неизменных параметрах, характеризующих условия нагружения в данный момент; Я(X) -некоторая адаптивная функция, которая осуществляет преобразование ёд —> е] на участке адаптации, X - % - приведенная степень деформации сдвига на участке адаптации (Я. =0 ... 1).

Анализ закономерностей переходных процессов позволил представить это уравнение в виде

Е' = Е;-дб'[1-вд], ЯД)= . х , (6)

1 ] с9(х2-1) + с10(31-1)+1

где Су, с,о, си - эмпирические коэффициенты.

Для ступенчатого изменения вида напряженного состояния, характеризуемого показателем Лоде ¡ла , предварительно осуществляли растяжение цилиндрических образцов (ра - -1) из стали 45 со степенью деформации Л1 = 0,1; 0,2; 0,35. Из деформированных образцов изготавливали плоские образцы, которые растягивали (ца = 0) со степенью деформации Л2. Установлено, что и при такой схеме ступенчатого нагружения наблюдается адаптация пластического разрыхления материала к изменившемуся напряженному состоянию, а общие закономерности те же, что и в рассмотренных выше случаях.

Используя принцип суперпозиции, была получена формула для расчета поврежденности при многоступенчатом нагружении

со = = X

¡=0 1=0

Г—--ал

л;_| ё!лр1

В соответствии с формулой (7), если при многоступенчатом нагру-жении изменение напряженного состояния на <-м этапе происходит до того, как заканчивается полная адаптация к предыдущему его изменению, то действие переходных процессов перекрывается во времени и текущая интенсивность пластического разрыхления е' определяется суперпозицией интенсивностей каждого из переходных процессов. В соответствии с изменением с' происходит процесс накопления поврежденности,

который в общем случае имеет немонотонный характер с участками частичного залечивания поврежденности, которые сменяют участки интенсивной поврежденности. Действие изменения условий нагружения сглаживается за счет инерционности, вносимой переходными процессами. Сравнительное моделирование пластического разрыхления показало, что в зависимости от истории нагружения поврежденность, прогнозируемая предложенной и известными моделями поврежденности, для которых характерно безинерционное изменение е' при изменении внешних

условий, может отличаться как в большую, так и в меньшую сторону.

Рассматривая непрерывное нагружение как ступенчатое с величиной степени деформации сдвига на каждой ступени АЛ: -»0 и показателем напряженного состояния Аг, , после осуществления предельного перехода

получим кинетическое уравнение в виде е' = е' + |ё"(Л)|Я| - ]|с]). и выражение для расчета поврежденности

,Е!АЛ:

® = (ЛЛг>0)ш = Р-+ | [ '(П.

Т^Лр! 5ЛР 5 5 еЛр

<ЗЛ, (В)

где я — = е"(Л). Из структуры формулы (8) видно, что поврежден-А\1 dЛ

ность определяется слагаемым, соответствующим линейной модели и адаптивным членом, который зависит от скорости изменени^ условий нагружения и при простом нагружении обращается в ноль. При аналитическом описании функции Л/А.) в виде (6) поврежденность может быть рассчитана по формуле

ю

Лгал дгсД'Д

о^р о ^р

ал. (9)

:10(с|4-к'ЛС8)+к'ЛС8

Эмпирические коэффициенты с (в том числе с12 и с,}, описывающие зависимость АР[к]) определяются идентификацией условия разрушения ш = I при расчете поврежденности по формуле (9).

Если в процессе нагружения наряду с изменением к изменяется показатель fim то в соответствии с принципом суперпозиции поврежденность может быть определена следующим образом:

о'vP о Lo р J

где индексы к и ца показывают принадлежность к соответствующей переходной функции.

Для проверки адекватности разработанных моделей были проведены эксперименты по двухступенчатому растяжению образцов из стали СгЗсп в камере с гидростатическим давлением жидкости. Обработка результатов испытаний показала, что ошибка прогноза степени деформации сдвига в момент разрушения Л^по предлагаемой модели не превышает 8%, а по известным моделям В.Л.Колмогорова, А.А.Богатова и В.А.Огородникова - составляет от 15 до 18%.

Влияние изменения направления нагружения на накопление повреж-денности изучали в экспериментах по двухстадийному растяжению плоских образцов. После предварительной деформации из образцов вырезали образцы меньшего размера, ориентированные под различным углом ¡3= 22,5, 61,5 и 90° к направлению предварительного растяжения, и вновь растягивали. Результаты измерения пластического разрыхления показали, что при изменении направления деформации происходит частичное залечивание пластического разрыхления на величину As, которое тем больше, чем большими были угол ¿I/? и предварительная деформация Л0. При рассматриваемой схеме нагружения наблюдается адаптация интенсивности пластического разрыхления, которое, вследствие изотропности металла, после прохождения переходного процесса становится равной исходной. Исходя из результатов исследований, адаптивная функция R может быть представлена в виде

R = l-R2(i) = l-cl5X.c"(l-A.). (Ю)

Используя принцип суперпозиции и особенности адаптации в условиях многократного изменения направления нагружения , была получена формула для расчета поврежденности при многоступенчатом деформировании

, ДА, ^uí 1

h А . ы Д..

íxW'4

___^

чс|6+1 с,6 +2

(П)

Экспериментальная проверка по знакопеременному кручению проволоки из стали Юкп с произвольной амплитудой в цикле показала, что предлагаемая модель и известные модели А.А.Богатова и А.А.Богатова-В.Л.Колмогорова хорошо соответствуют между собой и с результатами экспериментов. Однако, предлагаемая модель позволяет рассчитывать поврежденность не только при чисто знакопеременном нагружении, но и при меньшей степени немонотонности, количественно оцениваемой по

кривизне траектории движения в фазовом пространстве деформаций А.А.Ильюшина.

Залечивание поврежденности при термическом воздействии. При холодной деформации в металле возникают деформационные дефекты, которые после прекращения нагружения остаются неизменными в течение длительного времени. При последующем нагреве существующее равновесие в системе "деформационная поврежденность - металл" нарушается и под действием релаксационых процессов происходит адаптация морфологии и количества деформационных дефектов к изменившимся температурным условиям, определяющая содержание процесса залечивания поврежденности. После окончания релаксационных процессов в системе "поврежденность - металл" вновь устанавливается относительное равновесие, характерное для данной температуры нагрева. Таким образом, залечивание поврежденности при нагреве можно рассматривать как переходный процесс, в течение которого происходит адаптация поврежденности при переходе из одного относительно равновесного состояния в другое.

Текущая скорость залечивания поврежденности в период адаптации может быть описана уравнением со =сЬ[Щт). Выбор подходящих аналитических выражений для описания адаптивной функции осуществлен на основании результатов экспериментов по двухстадийной деформации с промежуточным термическим воздействием и принят в виде

К = (1-х) ехр[с22т(с2з - т)], где с„ и с2, - эмпирические коэффициенты. С учетом граничных условий уравнение залечивания поврежденности имеет вид

Проведенные исследования кинетики залечивания поврежденности для углеродистых марок сталей и аустенитной стали показали, что при режимах термической обработки, имеющих практический интерес, релаксационные процессы полностью заканчиваются в течение термообработки. Поэтому первое слагаемое в уравнении (12) обращается в ноль и остаточная поврежденность будет равна величине а>а, которая определяется диаграммами залечивания поврежденности, устанавливающими связь между поврежденностью а1 до термообработки и залечиванию поврежденности Дм.

Принципиальной сложностью, ограничивающей построение диаграмм залечивания поврежденности для широкого класса материалов, является необходимость разделять влияние на пластичность изменения структуры при нагреве деформированного металла, например размера зерна, и незалечившихся микродефектов. В работе этот вопрос был решен путем создания методики, в соответствии с которой предварительная деформация образцов перед термообработкой осуществляется в ка-

со = со 1 ехр{——

2©1

(12)

мере с высоким давлением, что позволяет снизить уровень накапливаемой поврежденности. Тогда при термообработке внесенная поврежден-ность будет залечена, а все изменение пластичности после термообработки может быть отнесено на счет структурных изменений. Были исследованы диаграммы залечивания для 20 сталей и цветных сплавов. В результате было установлено, что диаграммы залечивания имеют в общем случае три характерных участка, которые могут быть описаны кусочно-линейными функциями

&й> =

(у,, й», < а>*;

— со*

со * ч— -(со,-со*), 0 < си, < й> * *; (13)

(о* * — (О * 1 ~ Щ

с -!_> ©**<<У|<1,

1 -СО**

где с27 - определяется экспериментально как Лш/Ш=(0„ .

Установлено, что критические значения поврежденности со* и ю**, соответствующие образованию незалечиваемых микродефектов и коа-лесценции микродефектов, могут изменяться в значительно более широких пределах (0,15...0,6 и 0,6...0,95), чем это предполагалось ранее (0,2...0,3 и 0,6...0,7). На примере сплавов на основе титана, хрома и сталей показано, что залечивание поврежденности в сплавах, имеющих более высокое содержание легирующих элементов, происходит с большей полнотой: увеличиваются значения со* и со**, возрастает величина Аа>. Установлено, что область обратимой поврежденности может быть расширена путем термоциклической термообработки. Полное залечивание металлов, находящихся даже в стадии предразрушения, может быть достигнуто за счет приложения к образцу при отжиге сжимающих напряжений (одноосного или всестороннего в газостате).

Для конструкций, работающих в экстремальных условиях нагруже-ния поверочные расчеты осуществляют по критериям механики разрушения, которые описывают состояние материала при действующих условиях нагружения и не могут учесть историю обработки материала при изготовлении изделий, а также сложный характер нагружения в процессе эксплуатации. Представляется перспективным дополнить критерии механики разрушения характеристиками поврежденности. Это удалось сделать путем определения величины предельной деформации в устье трещины с учетом поврежденности, накопленной до образования трещины. Тем самым в формулы для определения основных характеристик механики разрушения введена величина поврежденности. Правомочность этого проверена в экспериментах по разрушению предварительно деформированных цилиндрических образцов из стали СтЗсп, на которых были выращены кольцевые трещины. Сравнение опытных данных по определению коэффициента интенсивности напряжений Кс по методике

В.В Понасюка и результатов прогнозных расчетов показало их хорошее соответствие.

ГЛАВА 4. ДЕФОРМРУЕМОСТЬ СТАЛЕЙ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ 4.1. Исследование деформационых свойств сталей В этом разделе приведены результаты исследований влияния параметров структуры металла и режимов предварительной термической обработки на пластичность сталей при различном напряженном состоянии, а также данные по сопротивлению деформации и деформируемости при знакопеременном нагружении.

Углеродистые стали . На основании анализа диаграмм пластичности получена регрессионная зависимость, связывающая пластичность низкоуглероднстых сталей, подвергнутых отжигу после холодной деформации, с диаметром ферритного зерна, количеством перлитной фазы и показателем напряженного состояния к. Установлено, что значительное увеличение размеров перлитных колоний вследствие перегрева стали приводит к проявлению порогового влияния сжимающих напряжений на пластичность. Получены регрессионные зависимости, связывающие пластичность низко- и высокоуглеродистых сталей с химическим составом, показателем напряженного состояния и показателем Лоде. Установлено, что в низкоуглеродистых сталях отрицательное влияние углерода на пластичность наибольшим образом проявляется в области растягивающих напряжений. Увеличение содержания марганца положительно влияет на пластичность во всем исследованном диапазоне изменения напряженного состояния. В высокоуглеродистых сталях наиболее значимым фактором является содержание углерода, увеличение его содержания вызывает снижение пластичности, что в большей мере проявляется в области сжимающих напряжений. Высокая деформационная способность патентированных сталей связана с резким ростом пластичности в области сжимающих напряжений. Высокоуглеродистые стали, полученные методами прямого восстановления, а также стали, выплавленные из чистой шихтовой заготовки с вакуумированием и продувкой аргоном, и стали, полученные индукционной плавкой с микролегированием, имеют приблизительно одинаковый уровень пластичности при одинаковом напряженном состоянии, но превышающий уровень пластичности стали мартеновской плавки.

Двухфазные ферритно-мартенситные стали. При исследовании сталей 05Г2 и 05Г2С установлено, что создание двухфазной ферритно-мартенситной структуры в низколегированной стали обеспечивает более высокую пластичность во всем диапазоне изменения напряженного состояния по сравнению с традиционной ферритно-перлитной структурой. В наибольшей степени это проявляется в условиях осесимметричного напряженного состояния растяжения (/-1). Так при условиях, характерных для процесса волочения проволоки (кс ~ -0,4), пластичность ста-

ли 05Г2С с ферритно-мартенситной структурой на ~30% выше, чем при создании ферритно-перлитной структуры.

Стали 12ХНЗА и 40Х для холодной объемной штамповки. Построены кривые сопротивления деформации, диаграммы пластичности, изучена деформируемость при знакопеременной деформации и особенности разрушения сталей с пластинчатой и зернистой формой перлита, сформированной в процессе циклической термообработки. Показано, что циклическая термическая обработка является эффективным способом улучшения деформируемости сталей, обеспечивающим повышение пластичности, снижение сопротивления деформации и интенсификацию залечивания деформационных микродефектов.

Метастабильные стали. Исследована пластичность метастабильных сталей, претерпевающих у —> ам и у с —> ам деформационное превращение в зависимости от параметров структуры и инвариантных характеристик напряженного состояния. Для стали 08Г5Н4МАФ получена регрессионная зависимость, связывающая количество ревертированнного аустенита ар и показателя напряженного состояния к. Установлено, что в области сжимающих напряжений с ростом ар пластичность увеличивается; в области интенсивных растягивающих напряжений зависимость имеет немонотонный характер с максимумом при ар ~ 40...50%. Диаграммы пластичности стали 05Г20С2, претерпевающей в процессе деформации у е аи превращение, имеют минимум, положение которого зависит от вида напряженного состояния. Аномальный вид диаграмм пластичности может быть связан с интенсификацией двух конкурирующих процессов при уменьшении к: увеличением содержания менее пластичного (по сравнению с ам ) ¿-мартенсита и закономерным увеличением пластичности стали при увеличении сжимающих напряжений. На примере гидроэкструзии показано, что изменением параметров НДС можно целенаправленно влиять на фазовый состав и деформируемость метастабильной стали. Исследовано влияние напряженного состояния на пластичность сталей 12Х18Н10Т, 12Х17Н8Г2С2МФ (ЗИ-126) и 13Х) 8Н10ГЗС2М2 (ЗИ-98), созданных на основе известной хромонике-левой композиции 18-8 и имеющих различную степень стабильности аустенита при пластической деформации. Установлено, что развитие деформационного мартенситного превращения снижает влияние на пластичность размера аустенитного зерна и чувствительность пластичности к изменению показателя напряженного состояния.

Мартенситно-стареюшие стали. Исследовано влияние режимов закалки и отпуска на сопротивление деформации и диаграммы пластичности мартенситно-стареющих сталей различных систем легирования. Установлено, что для стали 08Х15Н5Д2ТЮ (ВНС-2), принадлежащей к группе слабостареющих низкоуглеродистых сталей с системой легирования Ре-Сг-№, в качестве термической обработки перед холодной деформацией при напряженном состоянии, характеризуемом показателем Лоде близком к ца = -1 (например, проволоки), можно рекомендовать

проведение дополнительного отпуска после закалки. В технологических процессах, где показатель Лоде близок к 0 (например, прокатка и волочение тонкостенных труб на оправке), наилучшая деформируемость может быть достигнута при использовании закаленной заготовки без дополнительного отпуска. Стали ОЗН17МЗТ2Ю (ЧС5У-ВИ) и Н18К9М5Т (ЧС4-ВИ) относятся к группе экономно легированных и имеют соответственно Ре-№-Мо и Рс-МнСо-Мо основу. В отличие от стали ВНС-2, эти стали имеют наибольшую пластичность после закалки. Установлено, что стали как в закаленном, так и в частично состаренном состоянии имеют достаточно высокую пластичность при напряженном состоянии, характерном для большинства процессов обработки давлением, что позволяет максимальным образом реализовать деформационный механизм упрочнения этих сталей.

Закаленная штамповал сталь 4Х5МФ1С. Задача определения деформационных свойств стали возникла в связи с моделированием разрушения штамповой стали при циклическом термомеханическом воздействии. Исследованы и обсуждены закономерности изменения сопротивления деформации, диаграмм пластичности и пластичности при знакопеременном нагружении в диапазоне температур от 20 до 750°С. Установлено, что пластичность стали увеличивается с ростом температуры во всем диапазоне изменения показателя напряженного состояния, но чувствительность пластичности к уменьшению показателя напряженного состояния меняется немонотонно - достигает минимума при температуре 450,..500°С, а затем вновь увеличивается. Показатель Менсона-Коффина у возрастает с увеличением температуры испытания.

4.2. Деформируемость сталей при обработке давлением

Волочение прутков и проволоки. Методами измерения плотности и фрактографическим исследованием установлено, что при волочении проволоки из низкоуглеродистых сталей наибольшую поврежденность имеют центральные (максимум) и поверхностные слои проволоки. Сравнением экспериментального распределения плотности по сечению деформированной проволоки с результатами прогнозных расчетов установлено, что разработанная адаптивная модель позволяет адекватно описывать накопление поврежденности при волочении. Установлена связь между расчетным уровнем поврежденности и видом образующихся при волочении микродефектов. Проанализировано влияние основных технологических факторов на накопление поврежденности. Сформулированы ограничения по допускаемому уровню поврежденности при волочении.

Осуществлено комплексное исследование деформируемости проволоки из мартенснтно-стареющей стали ОЗН17МЗТ2Ю (ЧС5У-ВИ) при волочении и навивке в предварительно состаренном состоянии для изготовления тяжело нагруженных пружин. Разработана методика расчета поврежденности при навивке пружин на оправку, рекомендована технология волочения стали в частично состаренном состоянии, обеспечи-

вающая суммарную поврежденность после навивки пружин со < со* -0,41. Рекомендации были переданы ЦНИИМ, проверены при стендовых испытаниях опытных партий пружин и использованы при разработке технологии изготовления пружин на одном из предприятий Миноборон-прома СССР.

Исследована деформируемость и поврежденность стали при изготовлении высокопрочных дюбелей для соединения стальных конструкций суммарной толщиной до 20 мм. Исследованные партии стали отличались химическим составом, степенью чистоты по неметаллическим и газовым включениям, заводом-изготовителем и способом выплавки. Был осуществлен анализ накопления поврежденности при волочении проволочной заготовки и в формообразующих операциях изготовления дюбелей, исходя из недопустимости остаточных деформационных микродефектов в теле дюбеля. В результате было установлено, что предпочтительным материалом для изготовления дюбелей является сталь 70 по ТУ-14-1-1857-76 (катанка для металлокорда ЧерМК, изготовленная из металла, выплавленного мартеновским способом на шихтовой заготовке с продувкой аргона) и ТУ-14-1-3747-86 (ускоренно охлажденная после горячей прокатки сорбитизированная катанка, изготовленная на ОЭМК из непрерывно литой заготовки железа прямого восстановления). Разработан маршрут волочения проволоки. Результаты исследований были использованы ВНИИметизом при разработке технологии изготовления дюбелей. Опытно-промышленная партия дюбелей прошла стендовые и производственные испытания в строительных трестах Главстальконст-рукции с положительной оценкой их способности к пристрелке конструкций.

Продольная раскатка ступенчатых валов в неприводных калиброванных валках используется на ряде заводов в автомобильной и оборонной промышленности для изготовления точных заготовок типа полуосей, шпилек и др. Схема процесса раскатки во многом аналогична известному в металлургии процессу волочения прутков в роликовых калиброванных волоках. В данном разделе представлены результаты исследований НДС и иоврежденности металла для обоснования возможности изготовлении этим методом торсионных валов танковых гусеничных движетелей. Исследование деформированного состояния осуществляли микроструктурным методом восстановления "естественной" координатной сетки. Образцы для исследования НДС изготавливали из прутков стали 20. Статистическим анализом установлено, что количество пересечений секущей с элементами структуры при построении "естественной" координатной сетки должно быть не менее птЫ - 40 . Исходя из этого ограничения и размеров образцов, было выбрано п = 100. Для формализации геометрических размеров образцов и формы рабочей поверхности валков были введены следующие безразмерные параметры: А = О|(/Н0; В = 2К/Н0; С = Н/Н,; Е = Н(/В0, где £>„ - диаметр валка по вершине калибра, /? - радиус калибра, Н„ и Н, - размеры образца по высоте калибра; В„ -

размер образца по ширине калибра. Деформирование образцов осуществляли на стане ПР-100 Опытного завода ВНИТИ при 17 сочетаниях безразмерных параметров, которые изменялись в пределах: А = 2...3; В = 1,0...1,4; С = 0,025...0,12, Е = 1,0...1,15. После достижения установившейся стадии раскатки процесс останавливали и из деформированной заготовки вырезали образцы, соответствующие плоскости вершин калибра и плоскости разъема калибра. После изготовления шлифов образцы подвергали количественному металлографическому анализу на электронном анализаторе структуры. Координаты узлов деформированной "естественной" сетки являлись исходной информацией для расчета деформированного состояния по методу В.Н.Березовского. Характеристики напряженного состояния определяли с помощью физических уравнений связи напряженного состояния и дифференциальных уравнений движения.

Были исследованы сопротивление деформации, диаграммы пластичности, деформируемость при знакопеременной деформации и диаграммы залечивания поврежденности для сталей 18ХН4А, 40ХН, 60С2ХА, 45ХН2М2ФАШ, 50ХЗН2М2ФАШ. Используя полученные сведения о деформационных свойствах сталей, рассчитана поврежденность в плоскостях симметрии для всех исследованных образцов. Результаты расчетов были подвергнуты регрессионному анализу с целью получения зависимости, определяющей для каждой стали связь между накопленной поврежденностью и значениями безразмерных параметров. Установлено, что наиболее опасным из-за интенсивного накопления поврежденности является состояние слоев металла, расположенных вблизи наружной поверхности заготовки в плоскости, проходящей через вершину калибра. Показано, что поврежденность возрастает с увеличением приведенного радиуса калибра В, обжатия С и неравноосности исходной заготовки Е. При увеличении приведенного диаметра валка А поврежденность поверхностных слоев убывает, а внутренних - возрастает.

Создана автоматизированная система для компьютерного моделирования поврежденности, характеристик формоизменения и энергосиловых параметров при многопроходной раскатке по схеме калибров "круг -овал - круг" с промежуточными термическими обработками. Система использовалась при проектировании и технологической подготовке новых процессов раскатки торсионных и других валов, разрабатываемых во ВНИТИ. В процессе освоения и использования программы была осуществлена проверка точности прогнозирования разрушения. Для этого по 6 заготовок сталей 45ХН2М2ФАШ, 50ХЗН2М2ФАШ и 60С2ХА подвергали раскатке до образования визуально наблюдаемых трещин. Результаты прогнозных расчетов и результаты экспериментов не отличались более чем на 6%.

Ротационная вытяжка (РВ) толстостенных трубных заготовок а неприводных валках осуществляется на цилиндрической или конической оправках профилированными валками, расположенными на равном расстоянии друг от друга по периметру заготовки. В данном разделе

описаны результаты исследований РВ применительно к процессу изготовления заготовок полых валов газотурбинных авиационных двигателей Запорожского машиностроительного конструкторского бюро (ЗМКБ) "Прогресс".

Ввиду небольших величин продольной подачи за один оборот валка схема деформации при РВ может быть сведена к квазиосесимметричному течению металла в сходящемся коническом канале с недеформируемыми межвалковыми зонами в тангенциальном направлении и возможностью закручивания радиальных сечений. Для определения НДС в соответствии с методом функций линий тока необходимо знать поверхности траекторий движения материальных частиц /и /. Для изучения НДС изготовлены полые цилиндрические образцы из стали 20 с продольными пазами, в которые были впаяны медные пластинки. Ротационную вытяжку образцов осуществляли на стане СРГ-1,2-1800 Опытного завода ЗМКБ до реализации стационарной стадии, после чего деформирование прерывали и вырезали участки, содержащие очаги деформации. Варьировали следующие параметры: обжатие стенки; продольную подачу заготовки; диаметр валка; диаметр заготовки; количество деформирующих валков. Последовательным выделением на продольных шлифах слоев в 120 зерен (при пт,„ = 40) в радиальном направлении определяли положение поверхности траекторий /. Поверхность траекторий г определяли измерением деформированной пластинки на продольных шлифах. Было установлено, что при РВ наблюдается значительное тангенциальное течение металла в тангенциальном направлении, которое интенсифицируется при продвижении материальных частиц вдоль очага деформации. Расчет характеристик деформированного состояния производили в соответствии с методом функций линий тока, а напряженного состояния - с использованием физических уравнений и дифференциальных уравнений движения. Результаты расчета НДС показывают, что оно существенным образом неравномерно по объему очага деформации. Максимальную степень деформации сдвига испытывают наружные слои заготовки. На большей длине очага деформации по внутренней поверхности заготовки показатель к > 0. Это указывает на преобладание растягивающих напряжений. Металл вблизи наружной поверхности заготовки находится в области сжатия, в основном за счет радиальных сжимающих напряжений.

Для материалов, подвергаемых РВ (сталь ЭП-609Ш, никелевые сплавы ЭИ-437БУВД и ЭИ-698ВД), были исследованы сопротивление деформации, диаграммы пластичности, деформируемость при знакопеременной деформации и диаграммы залечивания поврежденности. Для исследованных материалов было рассчитано накопление поврежденности при РВ по объему очага деформации при 45 сочетаниях технологических факторов, реализованных в экспериментах. Анализ результатов расчетов показал, что максимальную поврежденность могут иметь различные точки по толщине стенки деформированной заготовки в зависимости от сочетания технологических параметров, но обычно они расположены на наружной поверхности или вблизи ее. Математическая мо-

дель накопления поврежденности была создана путем статистической обработки результатов расчетов поврежденности. Анализ частных зависимостей позволил установить, что поврежденность возрастает с увеличением продольной подачи заготовки, толщины стенки и степени ее обжатия, уменьшением отношения диаметра валка к диаметру заготовки.

Экспериментально поврежденность изучали по измерению плотности и фрактографическим методом на образцах, вырезанных из различных участков очага деформации. Установлено, что в зоне редуцирования идет интенсивное разрыхление металла, что связано с неблагоприятным напряженным состоянием в данной зоне. На участке обжатия валком металл попадает под влияние интенсивных сжимающих напряжений и это способствует частичному залечиванию микродефектов, особенно во внутренних слоях металла. При последующей деформации во всех участках заготовки наблюдается нарастание поврежденности, наиболее сильное это выражено для наружных слоев заготовки. На основании разработанного алгоритма и результатов исследования поврежденности была создана программа для расчета НДС, энергосиловых параметров и прогнозирования разрушения при многопроходной РВ. Программа использовалась в ЗМКБ "Прогресс" при проектировании технологии изготовления длинномерных валов авиационных двигателей.

ГЛАВА 5. ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

5.1. Деформируемость при волочении проволоки из цветных металлов

Алюминий, легированный редкоземельными металлами СРЗМ). Исследовано влияние легирования РЗМ (до 13%) на деформационные свойства гранулированного алюминия. Установлено, что РЗМ увеличивают предел текучести и общий уровень прочностных свойств алюминия, но слабо влияют на интенсивность упрочнения при развитой пластической деформации и на деформируемость алюминия при знакопеременном на-гружении. При увеличении содержания РЗМ возрастает критическое значение гидростатического давления при переходе алюминия в состояние неограниченной пластичности. Фрактографические исследования показали, что при этом подавляются процессы возникновения и развития деформационных микродефектов. Исследовано залечивание повреж-. денности при отжиге с температурой 400°С в модельных испытаниях и после волочения проволоки. Определено, что для сплава А1+7%РЗМ остаточная поврежденность наблюдается при со > со* = 0,35, а для сплава А1+13%РЗМ - при со > ю* = 0,25. Установлено, что частичное залечивание поврежденности наблюдается и при длительном вылеживании деформированной проволоки без дополнительного нагрева. Результаты исследований позволили разработать рекомендации по маршруту волочения проволоки диаметром 0,5 мм из прессованной заготовки диаметром 8 мм сплава А1+7%РЗМ для проводников бортовых электросетей летательных

аппаратов. Обоснованность рекомендаций была подтверждена при изготовлении опытных и опытно-промышленных партий.

Молибден МЧ. Изучено влияние среды спекания порошкового молибдена МЧ на сопротивление деформации и диаграммы пластичности проволочной заготовки. Построены диаграммы залечивания деформационной поврежденности при высоком отпуске и отжиге с частичной рекристаллизацией. Установлено, что необратимая поврежденность наблюдается при ю > о* = 0,38. Фрактографические исследования позволили определить, что при этом по границам зерен молибдена возникают продольные микротрещины, которые развиваются при продолжении волочения. Под действием растягивающих тангенциальных или радиальных напряжений микротрещины вызывают расслоение проволоки. Сопоставление результатов расчета поврежденности, исследования плотности и морфологии микродефектов проволоки, изучения механических свойств и результатов испытаний на спирализациго позволили сделать вывод, что критерий а>< со* можно использовать для оценки предельных деформаций при проектировании маршрутов волочения нерасслаиваю-щейся молибденовой проволоки. Был разработан маршрут холодного волочения проволоки диаметром 0,8 мм из заготовки диаметром 2,8 мм с одним промежуточным отжигом. Изготовление опытной партии проволоки в Чирчикском филиале ВНИИТС показало возможность промышленной реализации предложенного маршрута.

Вольфрам ВА. Целью данного исследования являлось сравнение деформационных свойств заготовок из металлокерамического вольфрама ВА, полученных ротационной ковкой, винтовой прокаткой на трехвал-ковом стане и продольной прокаткой в четырехвалковых калибрах. Исследовали сопротивление деформации, диаграммы пластичности и деформируемость при знакопеременной деформации в диапазоне температур испытания от 900 до 1100°С. Установлено, что способ изготовления прутков, температура деформации и напряженное состояние неоднозначно влияют на пластичность сплава. Заметное изменение пластичности наблюдается при температуре 1100°С, а при более низких температурах диаграммы пластичности сплава остаются практически неизменными. Моделирование накопления поврежденности показало, что наилучшей деформируемостью обладают проволочные заготовки, изготовленные многовалковой винтовой и продольной прокаткой, позволяя производить волочение проволоки без образования микротрещин соответственно с Яг = 4,3 и 6,5. Для заготовок, полученных ротационной ковкой, максимальное Ах, при котором следует производить отжиг, составляет 2,9.

Результаты исследований были использованы для разработки предложений по совершенствованию технологии волочения проволоки диаметром 0,8 мм для электроламповой промышленности из заготовки диаметром 2,75 мм на Светловодском заводе по обработке тугоплавких металлов. Было рекомендовано проведение отжига с частичной рекристал-

лизацией на размере 1,55 мм. Рекомендации были использованы ВНИИТС при пересмотре маршрута волочения проволоки, что позволило экономить 1,2% дорогостоящего металла за счет снижения брака по расслоению проволоки на готовом размере.

5.2. Деформируемость сплавов из молибдена н хрома при изготовлении

труб

При создании новой техники, работающей в условиях высокоскоростных плазменных и газовых потоков, контакта с агрессивными средами все чаще находят применение трубы из тугоплавких металлов. Одной из важнейших причин, сдерживающих применение этих материалов, является ограниченная технологическая пластичность, низкотемпературная хрупкость, высокая чувствительность к концентраторам напряжений. Так, например, микротрещина размером 1...5 мкм приводит к хрупкому разрушению малолегированного сплава хрома при комнатной температуре. Это вызывает необходимость разработки технологических процессов обработки тугоплавких материалов, обеспечивающих отсутствие микродефектов в готовых изделиях.

Исследовано сопротивление деформации, диаграммы пластичности и деформируемость при знакопеременной деформации в диапазоне температур испытания до 500°С и особенности разрушения сплавов ВХ-2К и Cr+35%Fe на основе хрома. Совместное влияние температуры и напряженного состояния на пластичность сплава Cr+35%Fe имеет неоднозначный характер. Так, например, пластичность сплава при осесиммет-ричном растяжении в области растягивающих напряжений имеет наибольшее значение при температуре деформации 500°CV однако в области сжимающих напряжений пластичность при этой температуре наименьшая. Установлено, что при температуре 300...400°С и показателе Лоде ¡ла- - 1 пластичность сплава Cr+35%Fe неограниченно возрастает при к< 0,5. Это явление было использовано при разработке на предприятии п/я А-1857 технологии волочения проволоки диаметром 1 мм из прессованной заготовки диаметром 4 мм без промежуточных отжигов. Установлен аномальный характер влияния температуры нагрева на деформируемость при знакопеременной деформации: при температуре 500°С она оказалась ниже, чем при монотонной. На основании результатов исследований деформационных свойств и поврежденности были разработаны маршруты теплой прокатки труб размером 7,4 х 0,6 мм из сплава ВХ-2К и размером 6,9 х 0,4 мм из сплава Cr+35%Fe. По предложенным маршрутам на п/я А-1857 были изготовлены трубы для ядерной энергетики в объеме опытных и опытно-промышленных партий. Результаты иммита-ционных и стендовых испытаний подтвердили наличие специального технического эффекта при использовании этих труб у потребителя.

Исследовано сопротивление деформации, диаграммы пластичности и деформируемость при знакопеременной деформации в диапазоне температур испытания от 500 до 900°С и особенности разрушения сплавов

МНРЮ и МЧВП на основе молибдена. Установлено, что с учетом температурной зависимости пластичности от напряженного состояния, температура 500...600°С является оптимальной для теплой деформации молибдена. Осуществлен пооперационный анализ развития поврежденно-сти (расчет <в, измерение плотности, фрактографический анализ) от прессования трубных заготовок до прокатки труб на стане ХПТР с учетом возможности залечивания ее при промежуточных термических обработках. Показано, что уровень поврежденности труб при существующей технологии регламентируется процессом прессования на пуансоне. Моделирование развития поврежденности показало, что за счет перераспределения деформации по переходам и введения промежуточного отжига можно снизить количество переходов с 9 до 7 при изготовлении заготовок труб из молибдена МЧВП. Результаты анализа технологии изготовления труб 8,0 х 1,0 мм из молибденовых сплавов и рекомендации по ее изменению были переданы ВНИИТС и МОЗТМиТС и после опытно-промышленного опробования внедрены в производство.

5.3. Сравнительное исследование деформируемости тяжелых сплавов на \V-Ni-Fe основе

Для получения высокопрочных сердечников бронебойных подкали-берных снарядов (БПС) спеченные заготовки дополнительно подвергают холодной деформации, применяя различные способы деформации. Целью исследований, представленных в данном разделе, было изучение деформируемости тяжелых сплавов при изготовлении заготовок сердечников БПС по альтернативным технологиям (гидропрессование, прокатка в многовалковых калибрах, радиальное обжатие).

Исследованы образцы из промышленных сплавов Н7ЖЗА и Н8Ж2К1, полученных жидкофазным спеканием, и сплав Н8Ж2К1-И, полученный методом полунепрерывного индукционного спекания на опытной установке ВНИИТСа. Изучено сопротивление деформации, диаграммы пластичности и деформируемость при знакопеременной деформации в условиях нагрева до 400°С, диаграммы залечивания поврежденности. Пластичность сплавов при холодной деформации в области растягивающих напряжении слабо зависит от напряженного состояния. Электронно-фрактографическое исследование показало, что пластичность сплавов при р < 600 МПа контролируется пластичностью матрицы, так как вольфрамовые зерна практически не содержат следов пластической деформации. При большем давлении в вольфрамовых зернах наблюдаются следы развитого пластического течения. Нагрев до температуры 400°С вызывает рост пластичности сплавов Н7ЖЗА и Н8Ж2К1 в области растягивающих напряжений за счет пластификации зерен вольфрама выше температуры вязко-хрупкого перехода. В области сжимающих напряжений вольфрам уже вовлечен в процесс пластической деформации, поэтому нагрев несущественно увеличивает пластичность. Сплав Н8Ж2К1-И резко повышает пластичность с уменьшением доли растягивающих напряжений. Залечивание поврежденности исследовано

при отжиге в вакуумной печи с температурой 800...1350°С в течение 24 часов.

Сравнительное исследование деформируемости при трех основных альтернативных процессах изготовления заготовок сердечников подка-либерных снарядов (гидропрессование, ротационное обжатие, прокатка в многовалковых калибрах) было осуществлено путем моделирования развития поврежденности исходя из критерия микроразрушения для этих сплавов со < со* = 0,3. В результате были установлены предельные величины обжатия заготовок сердечников БПС в зависимости от способа деформирования. Показано, что при разных способах деформирования наибольшей деформируемостью обладают различные сплавы. Например, большие допустимые обжатия при гидропрессовании сплава Н8Ж2К1-И связаны с высоким, по сравнению с другими сплавами, уровнем пластичности при осесимметричной деформации в условиях преобладания сжимающих напряжений. Для частиц, расположенных при прокатке на свободной поверхности в плоскости разъема калибров, показатель Л оде 0 при к > 0, а в этих условиях пластичность сплава минимальна.

Исследована неравномерность деформации прутков при радиальном обжатии. Распределение деформации по очагу деформации и в готовом прутке изучено методом восстановления "естественной" координатной сетки по данным микроструктурных исследований. Деформирование прутков производили на промышленной радиально-обжимной машине. В экспериментах изменяли величину обжатия, скорость продольной подачи заготовки и угол входного конуса бойков а,х. Установлено, что неравномерность деформации возрастает с увеличением угла входного конуса и уменьшением скорости подачи заготовки в бойки. Наименьшая неравномерность деформации может быть реализована при использовании бойков с а,х < 8°.

Рекомендации по предельным деформациям при гидропрессовании, по инструменту и предельным деформациям при радиальном обжатии были использованы ВНИИТС в составе технологических процессов, внедренных на ряде предприятий для изготовления сердечников БПС новых типо-размеров. Результаты исследований позволили также разработать новый способ изготовления заготовок методом гидропрессования, позволяющий увеличить суммарное обжатие при снижении вероятности разрушения заготовок за счет проведения гидропрессования в две стадии с промежуточной термической обработкой.

5.4. Исследование деформируемости при изготовлении сильфо-нов из сварной трубной заготовки

Технология изготовления сильфонов является многоступенчатой и включает ряд операций пластической (шариковая раскатка трубок-заготовок, накатка канавок, формовка сильфонов гидрораздачей) и термической обработок. Деформированное состояние при шариковой рас-

катке изучали микроструктурным методом. Для экспериментального определения поверхностей траекторий движения материальных частиц/ и / произведена раскатка сварных трубок нескольких типо-размеров с различным сочетанием технологических параметров раскатки (всего 24 варианта, по 2 образца на вариант). Раскатку производили на промышленных станках цеха сильфонов Саранского приборостроительного завода. В экспериментах варьировали следующие факторы : обжатие стенки трубки; продольная подача; диаметр шариков; диаметр трубки-заготовки; начальный зазор между внутренней поверхностью заготовки и оправкой. Раскатку проводили до реализации стационарной стадии деформации, а затем осуществляли торможение. Участки, содержащие очаг деформации, вырезали. Линии пересечения поверхности/с плоскостью продольного шлифа очага деформации изучали последовательным выделением слоев в 20 зерен (при птт =17) в радиальном направлении. Поверхность траекторий г изучали измерением положения сварного шва на поперечных шлифах. Установлено, что при шариковой раскатке наблюдается тангенциальное течение металла, которое интенсифицируется при продвижении материальных частиц вдоль очага деформации. В дальнейшем расчет параметров НДС осуществлялся также, как и при описанном выше исследовании процесса ротационной вытяжки.

Для построения диаграмм пластичности бронзы БрБ2 и сплава 36НХТЮ образцы вырезали в поперечном направлении из сварных трубок 10 типо-размеров. С целью локализации места разрушения в шве на широких гранях образцов наносили полукруглые надрезы. Аналогичные надрезы наносили и на образцах из основного металла. Для всех исследованных сочетаний технологических параметров было рассчитано НДС и накопление поврежденности со. На основании статистической обработки результатов расчета со была получена регрессионная математическая модель накопления поврежденности. Установлено, что поврежден-ность растет с увеличением степени обжатия по толщине стенки трубки, приведенного диаметра деформирующих шариков, с уменьшением начального зазора между трубкой и оправкой. Обжатие по стенке трубки различным образом влияет на накопление поврежденности металла в слоях, примыкающих к наружной и внутренней поверхностям трубы. При наличии крутой диаграммы пластичности у деформируемого металла (характерно для сплава 36НХТЮ) поврежденность внутренних слоев выше. Для сварного шва бронзы БрБ2, имеющего пологую диаграмму пластичности, поврежденность выше для наружных слоев. Для более толстостенных трубок поврежденность выше у наружных слоев, а для тонкостенных - внутренних слоев. С ростом продольной подачи накопление поврежденности в наружных слоях трубок уменьшается, что связано с локализацией деформации в наружных слоях при малых подачах.

Наибольшую вероятность разрушения при формовке имеют участки металла, расположенные на наружной поверхности гофра сильфона.

которая возрастает с увеличением степени раздачи сильфона, увеличением ширины кольцевых канавок и уменьшением шага накатки канавок.

Алгоритмы расчета НДС и поврежденности в отдельных формообразующих операциях были объединены в рамках автоматизированной экспертной системы, с помощью которой можно проводить сквозной анализ действующих технологических режимов изготовления сильфо-нов, а также проектировать новые, более рациональные режимы. Система была использована при технологической подготовке производства сильфонов на Саранском приборостроительном заводе.

5.5. Винтовая прокатка круглых сортовых профилей на трехвалковом

стане

Винтовая прокатка была предложена как способ изготовления бесшовных труб и в течение длительного времени применялась преимущественно для этого. Комплексные исследования, выполненные в Московском институте стали и сплавов, показали возможность деформации сплошных заготовок на станах винтовой прокатки при больших углах подачи. К факторам, сдерживающим распространение этого способа прокатки, относятся устойчивое представление о винтовой прокатке как о процессе провоцирующем возникновение внутренней полости, что наблюдается при прошивке труб, и недостаточная изученность его возможностей несмотря на большой объем исследований, выполненных П.И. Лопухиным и его учениками .

Эксперименты для изучения НДС были проведены на специальных составных титановых образцах. Образцы содержали стальные вставки, которые были ориентированы так, что они лежали в одной радиальной плоскости и были параллельны центральной продольной оси заготовки. Тогда при прокатке с образованием недоката последовательность соответствующих стальных вставок укажет пространственное расположение траекторий движения материальных частиц в очаге деформации. Прокатку образцов проводили на ВСМПО на промышленных станах СРВП-130 и ПВП. Было реализовано 15 различных сочетаний технологических параметров, изменявшихся в следующих пределах: относительное обжатие е = 10...45%; угол подачи ß = 9...24°; частота вращения валков п = 40...90 об/мин. Угол раскатки 5= 10° определялся конструкцией стана. Кратность экспериментов равна 3. Прокатку производили в чашевидных валках с простой цилиндро-конической калибровкой.

Для выявления пространственного расположения траекторий вы-резаные участки недокатов подвергали послойной поперечной строжке и шлифовке. Положение вставок на остальных образцах с дублирующими условиями прокатки усредняли и приводили к середине очага деформации в поперечном направлении. Этим усреднением задача объемного течения упрощалась до задачи квазиосесимметричного течения. При исключении жесткого перемещения материальных частиц по вин-

товой линии между последовательными обжатиями валками течение металла можно считать квазистационарным. Поверхность траекторий С определяли как поверхность, в которой расположены продольные стальные вставки в образце. Семейство параметрических поверхностей /можно представить как совокупность поверхностей вращения с образующей в виде линий, соединяющих продольные оси стальных вставок. Пересечение поверхностей / и / определяет положение траекторий отдельных частиц, лежавших первоначально на выбранной линии вставок. Массив значений полученных в результате расчетов для всех образцов, подвергали статистической обработке с целью получения аналитических зависимостей частных производных Р^-от положения материальных точек в очаге деформации и сочетания технологических факторов. Изменение компонент вектора скорости перемещения материальных частиц вдоль траекторий их пермещений в очаге деформации определяли интегрированием:

Х=У* + |(Уисо5(Х;Ж (14)

(О

где -дифференциал дуги траектории перемещения материальных частиц; V'- значение компоненты вектора скорости перемещения на границе входа в очаг деформации.

Учитывая специфику горячей деформации, функция сопротивления деформации была выбрана в виде, позволяющем учесть деформационное и скоростное упрочнение, а также динамическое разупрочнение с ростом накопленной степени деформации сдвига. После определения поля скоростей деформаций компоненты тензора напряжений рассчитывали с помощью физических уравнений для теории течения и дифференциальных уравнений движения.

Для моделирования НДС и поврежденности металла при прокатке был создан прикладной пакет программного обеспечения научно-учебно-производственного назначения "ПВП - ЭКСПЕРТ". В настоящее время пакет используется на ВСМПО при разработке технологий и калибровок валков стана СРВП-130 для прокатки титановых прутков и в УГТУ при обучении студентов и аспирантов по специальности "Обработка металлов давлением". Анализ влияния технологических факторов на НДС и накопление поврежденное™ осуществляли по результатам планового численного эксперимента с помощью пакета "ПВП - ЭКСПЕРТ". Моделировали прокатку заготовок из титанового сплава ВТЗ-1 на стане СРВП-130. В результате исследований установлено: распределение параметров НДС и поврежденное™ по объему деформируемой заготовки существенным образом зависит от калибровки валков, их настройки и обжатия; опасным для разрушения всегда является кольцевой слой, расположенный на расстоянии 0,7...0,8 величины радиуса от оси заготовки; при определенных соотношениях параметров настройки валков и обжатия вероятным становится разрушение и в других участках поперечного сечения; поврежденность немонотонно зависит от угла по-

дачи (например, при величине обжатия за проход 28% минимум повреж-денности соответствует углам подачи 12 и 20°, но при другом обжатии и калибровке валков положение минимумов меняется); возникновение кольцевого слоя с наибольшей вероятностью разрушения связано с неблагоприятным напряженным состоянием по сравнению с остальным объемом металла и, в первую очередь, с показателем напряженного состояния к, который имеет для этого слоя максимальное значение вследствие возникновения растягивающих продольных напряжений на участке обжатия, а также тангенциальных и радиальных напряжений на калибрующем участке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа современного состояния методов и результатов исследования пластичности и разрушения металлов при пластической деформации в диссертации поставлена цель развить представления о деформируемости металлов при обработке давлением и определить пути ее улучшения в процессах изготовления изделий типа прутков и труб на основе экспериментального исследования и теоретического обобщения закономерностей накопления и залечивания поврежденности, изучения деформационных свойств сталей и сплавов, напряженно-деформированного состояния металла и создания компьютерных программ технологического назначения.

Поставленная цель была достигнута путем решения следующих задач, имеющих важное научное и практическое значение:

1. Разработаны методики электронно-фрактографического анализа деформационных микродефектов и распределения плотности в объеме деформирируемого металла, с помощью которых были изучены закономерности поврежденности при пластической деформации и ее залечивания при термической обработке. Установлено, что при простом нагру-жении в условиях холодной деформации справедлива линейная модель накопления поврежденности, но, если напряженное состояние или направление нагружения изменяются, то линейная связь нарушается и имеет место переходный процесс, в течение которого происходит адаптация накопления поврежденности к изменившимся условиям. При смягчении условий нагружения наблюдается частичное залечивание поврежденности, а при ужесточении условий нагружения - дополнительное увеличение поврежденности. При нагружении с непрерывно изменяющимся напряженным состоянием на накопление поврежденности влияет скорость изменения напряженного состояния - чем она больше, тем сильнее накопление поврежденности отличается от прогнозируемого линейной моделью.

Разработана методика учета структурных изменений при построении диаграмм залечивания поврежденности. Исследованы закономерности залечивания поврежденности при термическом воздействии для 20 различных сталей и сплавов и установлено влияние на этот процесс хи-

мического состава металла, режимов термической обработки, термоциклической обработки и внешнего давления.

На основании теоретического обобщения результатов экспериментальных исследований с единых позиций сформулированы кинетические уравнения накопления и залечивания поврежденности, которые позволяют более точно, по сравнению с известными моделями, прогнозировать разрушение металла при деформировании в сложных условиях на-гружения с промежуточным термическим воздействием.

2. Для представителей различных классов сталей, отличающихся химическим составом, структурой, степенью деформационной стабильности и др., в условиях холодной деформации исследованы деформационное упрочнение, пластичность при сложном напряженном состоянии и характере деформации. На основании анализа диаграмм пластичности получены регрессионные зависимости, связывающие пластичность сталей с показателями напряженного состояния при деформации, диаметром ферритного зерна и количеством перлитной фазы (для низкоуглеродистых сталей), химическим составом (для низко- и высокоуглеродистых сталей), количеством аустенитной фазы (для метастабильных сталей).

Изучены особенности деформации и разрушения сталей для холодной объемной штамповки с зернистой и пластинчатой формой перлита, влияние циклической термической обработки. Показано, что высокая деформационная способность патентированных сталей при волочении связана с интенсивным ростом пластичности в области сжимающих напряжений и при знакопеременной деформации. Установлено, что пластичность высокоуглеродистых сталей, полученных методами прямого восстановления, сталей, выплавленных из чистой шихтовой заготовки с вакуумированием и продувкой аргоном, и сталей, полученных индукционной плавкой с микролегированием, имеет приблизительно одинаковый уровень при одинаковом напряженном состоянии, но превышающий уровень стали мартеновской плавки.

Исследованы особенности влияния режимов закалки и отпуска мар-тенситно-стареющих сталей различных систем легирования на сопротивление деформации и диаграммы пластичности

3. Разработаны установки высокого давления и методики исследования, позволяющие изучать пластичность металлов в интервале температур от 20 до 1100°С, гидростатическом давлении в испытательной камере от 0,] до 1000 МПа и скорости нагружения от 0,001 до 100 мм/мин. Это позволило раздельно исследовать влияние показателя напряженного состояния и показателя Лоде на пластичность металлов при повышенных и высоких температурах. По результатам исследований построены диаграммы пластичности, кривые сопротивления деформации и изучена пластичность при знакопеременной деформации для тугоплавких материалов, тяжелых сплавов и закаленной штамповой стали.

4. На основании экспериментальных исследований и теоретических расчетов определены основные закономерности деформационной по-

врежденности при волочении проволоки и сформулированы ограничения по допускаемому уровню поврежденности.

Исследованы особенности деформируемости, возникновения деформационных дефектов и их залечивания при термической обработке при волочении проволоки из мартенситно-стареющей стали, сталей типа 70, сплавов алюминия, молибдена, вольфрама, хрома. Результаты исследований были использованы при разработке и внедрении маршрутов волочения проволоки различного назначения: проволоки из мартенситно-стареющей стали ОЗН17МЗТ2Ю в частично состаренном состоянии для изготовления тяжелонагруженных пружин; проволоки из стали 70 для изготовлении высокопрочных дюбелей для соединения стальных конструкций суммарной толщиной до 20 мм; проволоки из сплава Сг+35%Ре для монтажных работ в атомных реакторах; проволоки из гранулированного алюминиевого сплава, легированного 7% РЗМ, для проводников бортовых электросетей летательных аппаратов; холодного волочения проволоки из молибдена МЧ и теплого волочения проволоки из вольфрама ВА для электровакуумной промышленности.

4. На основании результатов исследования деформационных свойств и расчетов поврежденности металла разработаны и внедрены маршруты теплой прокатки труб из сплавов хрома ВХ-2К, Сг+35%Ре и молибдена МЧВП. Осуществлено сравнительное исследование деформируемости тяжелых сплавов системы \V-Ni-Fe при изготовлении заготовок сердечников подкалиберных бронебойных снарядов по альтернативным технологиям (гидропрессование, прокатка в многовалковых калибрах, радиальное обжатие). Рекомендации по предельным деформациям при гидропрессовании использованы при совершенствовании технологических процессов изготовления этих изделий.

5. Разработан метод исследования деформированного состояния, основанный на восстановлении "естественной" координатной сетки и траекторий движения материальных частиц по данным микроструктурного анализа. Метод позволяет изучать НДС в очагах пластической деформации малого размера. С помощью этого метода выполнены исследования ряда малоизученных процессов обработки металлов давлением:

- Продольная раскатка ступенчатых валов в калиброванных неприводных валках. Изучены деформационные свойства сталей, применяемых при раскатке, создана математическая модель накопления поврежденности при раскатке. Установлено, что поврежденность при раскатке возрастает с увеличением приведенного радиуса калибра, обжатия, степени неравноосности исходной заготовки. При увеличении приведенного диаметра валков поврежденность поверхностных слоев заготовки снижается, а внутренних возрастает. Для анализа и проектирования технологических режимов раскатки была создана программа, которая была использована во ВНИТИ при проектировании процессов раскатки торсионных валов гусеничных движетелей.

- Шариковая раскатка тонкостенных труб на оправке. Изучены деформационные свойства основного металла и сварного шва сплава 36НХТЮ и бронзы БрБ2, используемых для раскатки заготовок сильфо-нов из сварной заготовки. Разработана математическая модель накопления поврежденности. Установлено, что поврежденность металла при раскатке возрастает с увеличением диаметра деформирующих шариков, с ростом тонкостенности заготовки, снижается с увеличением продольной подачи и наличием начального зазора между заготовкой и оправкой. Влияние обжатия стенки трубы на накопление поврежденности зависит от крутизны диаграммы пластичности металла. При формовке сильфонов гидрораздачей поврежденность увеличивается с ростом величины раздачи трубной заготовки, уменьшением шага накатки кольцевых канавок и увеличением ширины канавок. По результатам исследований была создана программа для анализа технологии изготовления сильфонов, которая использовалась на Саранском приборостроительном заводе.

- Радиальное обжатие прутков. Изучено влияние технологических факторов на распределение накопленной степени деформации сдвига по сечению прутка в зависимости от технологических параметров и угла входного конуса бойков. Определены условия, при которых достигается минимальная неравномерность степени деформации по сечению. Разработанные рекомендации были использованы при внедрении на ряде предприятий технологических процессов для изготовления заготовок сердечников бронебойных подкалиберных снарядов.

- Ротационная вытяжка толстостенных трубных заготовок в валках грибовидной формы. Изучены деформационные свойства сталей, применяемых при ротационной вытяжке заготовок валов газотурбинных двигателей, создана математическая модель накопления поврежденности. Установлено, что поврежденность металла возрастает с увеличением продольной подачи заготовки, обжатия, толщины стенки и снижается с увеличением отношения диаметра валков к диаметру заготовки. На основании результатов исследований была создана программа для расчета основных технологических параметров и прогнозирования разрушения при многопроходной ротационной вытяжке. Программа использовалась в ЗМКБ "Прогресс" при проектировании технологий изготовления длинномерных валов авиационных двигателей.

7. Экспериментально-теоретическим методом изучено течение металла при винтовой прокатке круглых сортовых профилей на трехвал-ковом стане. Разработана математическая модель НДС при квазиосе-симметричном течении металла в очаге деформации. Создан пакет прикладных программ для компьютерного анализа и проектирования технологических режимов прокатки прутков, который используется при проектировании технологии прокатки титановых прутков на ВСМПО и в учебном процессе на кафедре обработки металлов давлением УГТУ. Моделирование процесса прокатки позволило установить, что изменением калибровки валков, углов настройки валков стана и величиной

обжатия можно в широких пределах менять распределение параметров НДС и накопление поврежденности в очаге деформации. Наиболее опасным, из-за возможного разрушения, является состояние кольцевого слоя металла, расположенного на расстоянии 0,7...0,8 радиуса прокатываемого прутка от продольной оси. Это связано с неблагоприятным НДС и, в первую очередь, с показателем напряженного состояния к, который для этого слоя имеет наибольшее значение.

Таким образом, представленная работа может быть квалифицирована как крупное научное достижение в развитии представлений о разрушении и деформируемости металлов при обработке давлением на основе результатов экспериментальных исследований и их теоретических обобщений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

1. Оценка поврежденности деформированного металла / Левит В.И., Смирнов C.B., Богатов A.A. и др. // Физика металлов и металловедение. 1982, т.54, вып.4, с.787-792

2. Смирнов C.B. Методика и результаты исследования восстановления запаса пластичности сталей при отжиге после холодной деформации //Обработка металлов давлением: Межвузовск. сб-к, вып.9. Свердловск: изд. УПИ. 1985, с.59-65

3. Богатов A.A., Тропотов A.B., Смирнов C.B. Напряженно-деформированное состояние и разрушение металла при гидроэкструзии через двухконусную матрицу. Сообщение 1 // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1983, № 12, с.44-47

4. Богатов A.A., Тропотов A.B., Смирнов C.B. Напряженно-деформированное состояние и разрушение металла при гидроэкструзии через двухконусную матрицу. Сообщение 2 // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1984, № 2, с.24-27

5. Изменение поврежденности холоднодеформированных сплавов при термической обработке / Колмогоров В.Л., Богатов A.A., Смирнов C.B. и др. //Цветные металлы. 1984, №3, с.71-75

6. Использование диаграмм пластичности для выбора термической обработки перед деформацией / Богатов A.A., Смирнов C.B., Зеленский В.Н. и др. //Сталь. 1984, №2, с.69-71

7. Исследование изменения поврежденности стали 40Х при холодной пластической деформации и термической обработке / Белов A.A., Богатов A.A., Смирнов C.B. и др. //Физика металлов и металловедение. 1985, т.54, вып.4, с.787-792

8. Влияние разупрочняющей термической обработки на пластичность и деформируемость сталей 40Х и 12ХНЗА / Белов A.A., Богатов A.A., Смирнов C.B. и др. //Автомобильное производство. 1984, №8, с.7-12

9. Смирнов C.B. Совместное влияние структурного и напряженного состояния на пластичность углеродистой стали. Обработка металлов давлением: Межвузовск. сб-к, вып.12. Свердловск: изд. УПИ. 1985,

с. 59-65

10. Феноменологическая теория разрушения и ее использование для совершенствования процессов обработки металлов давлением / Колмогоров B.JL, Богатов A.A., Смирнов C.B. и др.// Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка. М.: Наука. 1986, с.5-12

11. Исследование пластичности мартенситностареющих сталей при различном напряженном состоянии / Богатов A.A., Грачев C.B., Смирнов C.B. и др. //Термическая обработка и свойства металлов: Межвузовск. сб-к, вып. 11. Свердловск: изд. УПИ. 1986, с.39-44

12. Бронфин Б.М., Емельянов A.A., Смирнов C.B. Влияние типа микроструктуры и металлургических факторов на пластичность малоуглеродистых и низколегированных сталей при различных схемах нагружения // Кузнечно-штамповочное производство. 1987, №2, с. 13-14

13. Афанасьев Ю.В., Смирнов C.B., Богатов A.A. Восстановление ресурса пластичности стали 70 при отжиге после холодной деформации. Известия вузов. Черная металлургия. 1987, №6, с.151-152.

14. Исследование поврежденности при волочении проволоки из малоуглеродистой стали / Смирнов C.B., Левит В.И., Колмогоров В.Л. и др. //Известия АН СССР. Металлы. 1987, №2, с. 144-150

15. Исследование технологической пластичности малоуглеродистых сталей с ферритно-перлитной и ферритно-мартенситной структурой / Бронфин Б.М., Емельянов A.A., Смирнов С.В и др. //Известия АН СССР. Металлы. 1988, №.2, с. 112-117

16. Оценка деформируемости стали Х12НМБФ-Ш при ротационной вытяжке полых осесимметричных заготовок / Смирнов C.B., Богатов A.A., Гребенец A.A. и др. // Обработка металлов давлением: Межвузовск. сб-к, вып. 15. Свердловск: изд. УПИ. 1988, с.81-85

17. Смирнов C.B., Домиловская Т.В. Исследование поврежденности металла при волочении труб на длинной оправке. // Обработка металлов давлением: Межвузовск. сб-к, вып. 17. Свердловск: изд. УПИ, 1990,

с.112-117

18. Исслледование поврежденности металла при многопроходном безоп-равочном волочении труб с промежуточными отжигами / Смирнов C.B., Тропотов A.B., Богатов A.A. и др.. Известия вузов. Черная металлургия. 1989, №4, с.27-32.

19. Технологические свойства сплавов системы W-Ni-Fe при обработке давлением / Смирнов C.B., Богатов A.A., Михайлов В.Г. и др. //Кузнечно-штамповочное производство, 1991, вып.6, с.8-10

20. Bogatov A.A., Smirnov S.V., Mijiritsky O.I. Plasticity and fracture of metals due to deformation under high hydrostatic pressure. // High pressure science and technology: Proceedings of XI AIRAPT Intern. Conf. Kiev: Naukova dumka. 1989, p.313-316

21. Обоснование маршрутов волочения ниобиевой проволоки диаметром до 0,8 мм / Михайлов В.Г., Езерский К.И., Смирнов C.B. и др. // Производство и применение тугоплавких металлов: Научные труды

ВНИИТС, вып. 25. M.: Металлургия. 1990, с.62-70

22. Смирнов C.B., Богатов A.A. Прогнозирование деформируемости, технологических и эксплуатационных свойств металлоизделий, получаемых обработкой давлением // Перспективы производства точных заготовок и деталей методами объемного деформирования. М.: изд. МДНТП. 1990, с.61-68

23. Efros В.M., Gladkovsky S.V., Smirnov S.V. Phase tansformations and metas-table Fe-Mn steels under high pressure // High pressure science and technology: Proceedings of XII AIRAPT Intern. Conf. Oxford IBH Publihing Co., PVT Ltd. 1992,725-727

24. Технологические свойства сталей 45ХН2М2ФАШ и 60С2ХА, предназначенных для раскатки в неприводных валках./ Семибратов Г.Г., Агасьянц Г.А., Смирнов C.B. и др. //Кузнечно-штамповочное производство. 1993, №10, с. 2-3

25. Исследование напряженно-деформированного состояния металла в процессе холодной раскатки в неприводных валках / Семибратов Г.Г., Агасьянц Г.А., Смирнов C.B. и др. //Кузнечно-штамповочное производство. 1993, N910, с. 3-4

26. Экспертная автоматизированная система для проектирования технологии изготовления ступенчатых валов раскаткой в неприводных профилированных валках / Семибратов Г.Г., Агасьянц Г.А., Смирнов C.B. и др.//Кузнечно-штамповочное производство. 1993, №10, с. 4-5

27. Оптимизация геометрии инструмента и режимов раскатки в неприводных валках / Семибратов Г.Г., Агасьянц Г.А., Смирнов C.B. и др. //Кузнечно-штамповочное производство. 1993, №10, с. 5-6

28. Пластичность сплавов некоторых металлов VI группы при знакопеременной деформации / Смирнов C.B., Нестеренко A.B., Быков В.Н. и др. //Известия АН СССР. Металлы. 1993, № 2, с.162-165

29. Влияние гидростатического давления на фазовое превращение, механические свойства и разрушение малоуглеродистой стали 08Г5Н4МАФ / Емельянов A.A., Пышминцев И.Ю., Смирнов C.B. и др. //Физика металлов и металловедение. 1993, т. 76, вып. 2, с.158-163

30. Сравнительное исследование пластичности прутков из вольфрамового сплава ВА после ротационной ковки и прокатки /Смирнов C.B., Швейкин В.П., Михайлов В.Г. и др. //Кузнечно-штамповочное производство, 1994, №8, с.2-4

31. Lapovok R., Smirnov S., Shveikin V. Dactility defined as critical local strain. Proceedings of First Australasian Congress on Applied Mechanics, Melbourne. 1996, pp. 181-185

32. Методики определения технологических свойств металла и его отдельных составляющих в условиях сложного нагружения/ Богатов A.A., Смирнов C.B., Швейкин В.П. и др. //Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1995, №1, с. 42-49

33. Фазовый состав, структура и свойства метастабильных гетерофазных материалов при деформации в условиях сверхвысоких давлений / Эф-

рос Б.М., Шишкова Н.В., Гладковский С.В. и др. //Физика и техника высоких давлений. 1995, № 1, с. 26-35

34. R.Lapovok, S.Smirnov. The criterion for non-monotonic deformation in damage mechanics //Advanced in Fracture Research: Proceedings of the 9-th Int. Conf. on Fracture. Sydney, 1977, pp. 1159-1166

35. Смирнов С.В., Лаповок Р.Е., Швейкин В.П. Моделирование разрушения штамповой стали от трещин разгара при циклическом термомеханическом воздействии //Кузнечно-штамповочное производство. 1997, №.8, с. 11-14

36. Smirnov S.V., Domilovskaya T.V., Bogatov S.V. Definition of the form for kinetic equation of damage during the plastic deformation // Advanced Methods in Materials Processing Defects, edited by M.Predeleanu and P.Gilormini. Elsevier Science B.V. 1997, pp.71-80

37. Kolmogorov V.L., Smirnov S.V. Healing of metal microdefects after cold deformation.//Advanced Methods in Materials Processing Defects, edited by M.Predeleanu and P.Gilormini. Elsevier Science B.V. 1997, pp.61-69

38. Прикладной пакет программного обеспечения для моделирования винтовой прокатки прутков на трехвалковом стане/ Смирнов С.В., Душин B.C., Курочкина Л.Г. и др. //Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1997, №6, с.31-41

39. Lapovok R., Smirnov S., Solomein V. Investigation of the helical rolling of rods //Thermomechanical processing of steels and after materials: Proceedings of the Int. Conf. THERMEC 97. Pergamon Press. 1997, pp.719727

40. Kolmogorov V.L., Smirnov S.V. The restoration of the margin of metal plasticity after cold deformation //Journal of Materials Processing Technology. 1998, v. 74, pp.83-88

41. Lapovok R., Smirnov S., Solomein V. Modeling the helical rolling of rods in a three-high mill //Journal of Materials Processing Technology. 1998, v. 80-81, pp.337-340

42. Исследование напряженно-деформированного состояния при винтовой прокатке сплошной заготовки круглого сечения I Смирнов С.В., Душин B.C., Коробщиков В.Г. и др. //Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1998, № 5, с.44-49