автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование реологических свойств и определение режимов обработки сложнолегированных сплавов на основе меди в условиях горячей деформации

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПЛАСТОМЕТРИЧЕС- 6 КИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Краткое описание конструкций кулачковых и 6 торсионных пластометров

1.2. Выбор метода испытаний и методика 14 гшасто метр ических исследований

1.3. Учет динамики нагружения, теплового 24 эффекта и локализации деформации; выбор вида и размеров образцов

ГЛАВА 2 СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ СЛОЖНО- 34 ЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

2.1. Анализ процессов деформационного упро- 34 чнения и динамического разупрочнения металлов

2.2. Математическая обработка эксперимен- 39 тальных данных и классификация кривых течения сплавов меди в условиях горячей деформации

2.3. Результаты исследования сопротивления де- 54 формации сплавов на основе меди

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛАТИЧ- 67 НОСТИ И ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ СПЛАВОВ МЕДИ В УСЛОВИЯХ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

ЗЛ. Анализ феноменологических моделей разру- 67 шения

3.2. Методика исследования предельной пластич- 72 ности при пластометрических испытаниях

3.3. Результаты исследования предельной пла- 75 стичности сплавов на основе меди

3.4. Исследование характера разрушения сплава

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ СЛОЖНОГО ЗАКОНА НАГРУЖЕНИЯ 111 НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ

4.1. Аналитическое описание кривых течения с 112 помощью уравнений теории ползучести

4.2. Применения уравнений теории ползучести 115 для моделирования различных законов нагружения

4.3. Моделирование на пластометре различных 123 процессов ОМД

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДА 141 ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПРУТКОВ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ

5.1. Описание метода винтовой прокатки, 141 преимущества и недостатки РСГ

5.2. Описание линии станов винтовой прокатки, 147 установленной в ОАО «Кольчугцветмет»

5.3. Результаты промышленного опробования и 154 внедрения станов винтовой прокатки в ОАО «Кольчугцветмет»

МНМц50-10

Внедрение в металлургическое производство новых марок сплавов, разработка перспективных и совершенствование существующих технологических схем производства металлопроката делает актуальной задачу по определению надежных реологических характеристик деформируемых материалов: сопротивлении деформации сг5 и предельной пластичности ЛР. в За последние годы проблеме определения надежных данных по реологии сплавов в условиях горячей деформации уделяется все возрастающее внимание. Это вызвано тем, что в таких условиях есть все необходимые предпосылки для управления конечными свойствами и структурообразованием деформируемых материалов. Другой причиной повышенного интереса металлообработчиков к характеру поведения металлов при горячей деформации служит все увеличивающийся объем в номенклатуре обрабатываемых материалов сложнолегированных, зачастую труднодеформируемых сплавов на основе некоторых цветных металлов (например, меди и никеля), используемых в различных отраслях народного хозяйства. Создание современных методик и испытательных установок для определения механических свойств сплавов также способствует развитию этого направления в науке.

К таким установкам с полным основанием можно отнести кулачковые и торсионные пластометры, позволяющие в широких интервалах изменения термомеханических параметров проводить исследования и анализ прочностных и пластических свойств различных материалов.

В настоящее время пластометрические испытания рассматриваются уже не как вспомогательные исследования, а как самостоятельное научно-экспериментальное направление по изучению реологических свойств деформируемых материалов. Разработанные за последние годы новые технологии пластической деформации, экспериментальный материал по реологии сложнолегированных сплавов требуют обобщения и анализа, выработки принципов практического применения полученных данных как в существующих технологических схемах, так и во вновь создаваемых. Переориентация производства на малотоннажные партии с широкой номенклатурой типоразмеров предъявляет повышенные требования к гибкости технологического оборудования, заставляя внедрять новые технологии с возможностью получения конкурентоспособной продукции.

В этом и заключается цель настоящей работы: проведение исследования реологических характеристик ряда сложнолегированных сплавов на основе меди для создания рациональных технологий производства круглого и плоского проката; внедрение перспективной схемы радиально-сдвиговой прокатки при производстве прутков из труднодеформируемых материалов; обобщение результатов, полученных в рамках настоящего исследования с использованием современных теорий и гипотез в области обработки металлов давлением.

Пластометрические исследования позволили расширить возможности изучения предельной пластичности металлов и сплавов с использованием феноменологических моделей и вероятностного характера процесса разрушения. Применение торсионных пластометров в рамках настоящей работы позволило провести моделирование различных законов развития деформации (скорости деформации) во времени. Использованная в работе модель, основанная на уравнениях феноменологической теории наследственности, показала эффективность ее применения при анализе различных процессов деформации, что открывает широкие возможности по моделированию сложных законов нагружения с применением ЭВМ. Экспериментальная проверка модели была проведена при различных законах развития деформации во времени.

В работе описаны и применены методы «экспресс-испытаний» по определению рациональных температурно-скоростных условий деформирования исследуемых сплавов. Данные методы особенно эффективны при испытаниях труднодеформируемых сплавов, имеющих узкие интервалы удовлетворительной пластичности, а также при исследовании новых материалов.

В ходе выполнения работы были исследованы особенности процесса радиально-сдвиговой прокатки при производстве прутков из сложнолегированных сплавов на основе меди. Результатом данного исследования явилось разработка, монтаж и пуск в эксплуатацию на производственных площадях ОАО «Кольчугцветмет» комплекса станов сортовой прокатки прутков совместными усилиями сотрудников кафедр ПДСС, ОМД, ОАО «Кольчугцветмет» и ООО «Н-Тех».

Работа была выполнена на кафедре Пластической деформации специальных сплавов Московского Государственного института стали и сплавов (Технологического университета) под руководством профессора, доктора технических наук Галкина Александра Михайловича.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю за ценную помощь и руководство, а также заведующему кафедрой ПДСС профессору, доктору технических наук Зиновьеву A.B., всему коллективу кафедры ПДСС и кафедры ОМД. Особую благодарность автор выражает коллективу ОАО «Кольчугцветмет» и лично генеральному директору Мочалову H.A. за постоянную помощь в проведении совместных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

На основании обобщений, теоретических и экспериментальных исследований были определены реологические свойства, рассмотрен ряд факторов, влияющих на деформируемость сложнолегированных сплавов на основе меди, позволяющих оптимизировать режимы горячей обработки и имеющих важное практическое значение.

1. На основании анализа современных методов исследования реологических свойств металлов обоснована, усовершенствована и внедрена методика испытаний сплавов меди на торсионном пластометре. Разработана компьютерная программа, позволяющая осуществлять контроль и управлять ходом эксперимента и обрабатывать экспериментальные данные с определением аппроксимирующих зависимостей.

2. Определены реологические свойства ряда сложнолегированных сплавов меди. Проведена оценка влияния температуры, скорости деформации, метода нагрева на сопротивление деформации и предельную пластичность исследованных сплавов. Выполнено экспериментальное исследование локализации деформации и теплового эффекта, возникающих при кручении образцов. Выработаны и внедрены практические рекомендации по усовершенствованию технологий обработки данных сплавов.

3. Оценено влияние динамического разупрочнения на формирование последеформационной структуры на примере латуни ЛМцСКА. Исследованы характер и причины разрушения, влияние неметаллических включений на красноломкость сплава МНМц50-10-5 в области температур горячей деформации. Предложены рекомендации по совершенствованию режимов обработки данного сплава, которые позволили снизить брак и увеличить выход годного при производстве полос методом реверсивной прокатки в условиях ОАО «Кольчугцветмет».

4. Разработан алгоритм и математическая модель с применением уравнений теории наследственности, на основании которых создан комплекс программ, позволяющий моделировать процессы сложного нагружения. Определены параметры ползучести для исследованных сплавов, проведено экспериментальное и аналитическое исследование таких процессов, как прессование сплавов МОр и МНЖ5-1, реверсивная горячая прокатка сплавов МНМц50-10-5 и МН-10, винтовая прокатка сплава ЛС58-2.

5. Спроектирована база данных по реологическим свойствам сплавов на основе меди, применительно к процессам горячей и теплой деформации. В состав базы данных вошли реологические и физико-химические свойства сплавов.

1. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983, 352с.

2. Ефимов В.Н., Бровман М.Я. Сопротивление деформации в процессах прокатки. М.: Металлургия, 1996, 254с.

3. Galkin А. Badania plastometryczne metali i stopow. Politechnika Czestochowska, 1990, 142s.

4. Трыонг Ван Kay. Исследование пластичности и сопротивления деформации легких сплавов с применением математических методов планирования эксперимента. Дис. на соискание ст. к.т.н. М., 1979.

5. Галкин А.М., Мочалов H.A., Парфенов Д.Ю., Пичугин A.B. // «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». 2000, №1, с.55-57.

6. Микляев П.Г., Дуденков В.М. Сопротивление деформации и пластичность алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979, 183с.

7. Суяров Д.И., Лель Р.В., Гилевич Ф.С. Упрочнение и разупрочнение металлов и сплавов при горячей пластической деформации. Горький, ГПИ, 1975, 75с.

8. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1974, 224с.

9. J. Coupry. // Physique du Solide E.N.S.M.I.M, 1976, pp. 124-132.

10. Чиченев H.A., Кудрин A.B., Полухин П.И. Методы исследования процессов ОМД. М.: Металлургия, 1977, 236с.

11. Зюзин В.И., Третьяков A.B. //в сб. «Пластическая деформация сталей и сплавов». М.: МИСиС, 1996.

12. Галкин А.М. //Цветные металлы, 1995, №7, с.56-58.

13. Drastik F., Elfmark I. Plastometry a tveritelnost kovu. Praha, SNTW, 1977, 292s.

14. Schindler I., Kliber J., Boruta J. // «Hutnicke Listy». 1985, #7.

15. Krawczyk A., Tokarz A. // «Praca IMZ». 1977, #5/

16. Grabianowski A. // "Archiwum Hutnictwa", 1982, v.27, #3, pp. 225-241.

17. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. M.: МГУ, 1990, 330с.

18. Васин P.A., Ильюшин A.A., Моссаковский П.А. // «Механика твердого тела». М.: МГУ, 1994, №2, сс.177-184.

19. Муравлев A.B. // «Вестник московского университета». 1996, №5, с.74-80.

20. Semiatin S., Frey N., Walker N. // «Acta Metall.», 1986, v.34, #1, pp. 167176/

21. Lahoti G., Altan T. //ASME, #2, 1975, pp.19-27/

22. Rauch E., Canova G., Jonas J.J. et al. // «Acta Metall.». 1985, v.33, #3, pp.465-476.

23. Spittel Т., Spittel M., Suchanek I. II «Neue Hütte». 1986, v.31, #6, pp.233238.

24. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением. M.: Металлургия, 1982, 360 с.

25. Weber К.Н. // «Freiberger Forschungahefte». 1969, v.l43, p.253.

26. Frobin R., Pfogner E. // "Fertigungsteehn u Betr.", 1980, v.30, #10, c. 599601.

27. Neumann R„ Spittel M. // «Neue Hütte». 1984, v.29, #7, pp.263-268.

28. Petrzela L, Elfmark I. // «Hutnicke Listy». 1985, #1, pp. 14-19.

29. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковская Э.П. Деформационное упрочнение и разупрочнение поликристаллических металлов. Киев: Наукова Думка, 1987, 248с.

30. Бернштейн M.JL, Займовский В.Л., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983, 480с.

31. Sample V.M., Fitzsimons G.L., De Ardo A.J. // «Acta Metall.». 1987, v. 35, #2, pp. 367-379.

32. Hensger K.-E., Klimanek P., Böhme D. // «Neue Hütte». 1983, v. 28, #1, pp. 15-20.

33. Zener C., Hollomon J.H. // «Appl. Physics». 1944, v. 15, p.22.

34. Зуев И.Г., Никитин Г.С. // «Металлы». 1984, №1, с. 138-144.

35. Бровман М.Я., Галкин A.M. // в сб. «Теория и технология деформации металлов», М.: Металлургия, 1982, №145, с. 83-86.

36. Хикс Ч. Основные принципы планирования экстремальных экспериментов. М.: Мир, 1967, 232 с.

37. Финни Д. Введение в теорию планирования эксперимента. М.: Наука, 1971,364 с.

38. Гун Г.Я., Трыонг Ван Kay. // в сб. «Обработка давлением металлов и сплавов». М.: ВИЛС, 1971, с. 93-103.

39. Мочалов H.A., Парфенов Д.Ю., Галкин A.M. // «Металлургическая и горнорудная промышленность». 2000, № 8-9, с.369.

40. Мочалов H.A., Парфенов Д.Ю., Галкин A.M. // «Цветные металлы». 2000, №3,с.115-119.

41. Парфенов Д.Ю., Мочалов H.A., Галкин A.M., Сорочкин В.В. // «Известия ВУЗов. Цветная металлургия». 1999, №3, с.31-36.

42. Парфенов Д.Ю., Токаж А., Мочалов H.A., Галкин A.M. // в сб. трудов Бернштейновских чтений по термомеханической обработке. М.: МИСиС, 1999, с.29.

43. Парфенов Д.Ю., Мочалов H.A., Галкин A.M. // «Известия ВУЗов. Цветная металлургия». 1999, № 4, с.33-39.

44. Мочалов H.A., Пичугин A.B., Галкин A.M., Парфенов Д.Ю. // «Цветные металлы». 1999, №2, с.73-76.46Красневский С.М., Макушок Е.М., Щукин В .Я. Разрушение металлов при пластическом деформировании. Минск: «Наука и техника», 1983, 173 с.

45. Пластичность и разрушение, /под ред. В.Л. Колмогорова./ М.: Металлургия, 1977, 336 с.

46. Богатов A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984, 144с.

47. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970, 229 с.

48. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / под ред. Лецкого Э.К.; перевод с нем., М.: Мир, 1989, 522 с.

49. Волчок И.П., Минакова В.И. // «Металловедение и термическая обработка металлов». 1975, №5, с.74.

50. Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений в стали. М.: Металлургия, 1991.

51. Мочалов H.A., Губенко С.И., Галкин A.M., Пичугин A.B. // «Известия ВУЗов. Цветная металлургия». 1998, №2, с.23-30.

52. Панин В.Е., Дударев В.Ф., Бушнев Л.С. Стуктура и механические свойства твердых растворов замещения. М.: Металлургия, 1971.

53. Поздеев A.A., Тарновский В.И., Еремеев В.И. Применение теории ползучести при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973, 192 с.

54. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1963, 400 с.

55. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966, 568 с.

56. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986, 688 с.

57. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1990, 542 с.

58. Galkin A., Novakowski A., Kosyriew W. // «Metalurgia i odlewnidstwo». 1990, v. 16, #3, p.382-391.

59. Гун Г.Я., Полухин П.И., Косырев B.K. // в сб. «Теория и технология деформации металлов». М.: Металлургия, 1979, № 119, с. 18-22.

60. Малинин H.H. Обзор отечественных работ по расчетам деталей машин на ползучесть, «Расчеты на прочность». М.: Машиностроение, 1965, №11.

61. Tokarz A., BrozowaЕ. // «Praca IMZ». 1986, 33-4, с. 113.

62. Галкин A.M., Токаж А., Блаз Л. // «Цветные металлы». 1995, №1, с.38.

63. Галкин A.M., Полухин П.И., Косырев В.К. // в сб. «Пластическая деформация сталей и сплавов». М.: МИСиС, 1996, с.98-108.

64. Гун Г.Я., Косырев В.К., Галкин A.M. //в сб. «Теория и технология деформации металлов». М.: Металлургия, 1976, № 96, с.73-77.

65. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. М.: Наука, 1968,320 с.

66. Колмогоров В.Л., Богатов A.A., Смирнов C.B. Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка. М.: Наука, 1986, с.5-12.

67. Мочалов H.A., Парфенов Д.Ю., Галкин A.M., Косырев В.К. // «11роизводство пороката». 1999, №4, с.3-7.

68. Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990, 344 с.

69. Полухин П.И., Потапов И.Н., Харитонов Е.А. и др. // «Кузнечно-штамповочное производство». 1982, № 9, с. 17-18.- 17372. Галкин С.П., Карпов Б.В., Потапов Н.И. // в сб. «Обработка металлов давлением». М.: МИСиС, 1987, с. 19-22.

70. Галкин С.П., Михайлов В.К., Романцев Б.А. // в сб. «Пластическая деформация сталей и сплавов». М.: МИСиС, 1996, с.249-255.

71. Галкин С.П. Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов. Автореф. дис. на соискание ст. д.т.н. М., 1998.

72. Смирнов C.B., Душин B.C., Коробовщиков В.Г. и др. // «Известия ВУЗов. Черная металлургия». 1998, №5, с.44-49.

73. Lapovok R., Smirnov S., Solomein V. // «Journal of Material Processing Technology». 1998, v.80-81, pp. 337-340.

74. Романцев Б.А., Галкин С.П., Михайлов В.К., Хлопонин В.Н. // Труды 1-го конгресса прокатчиков, М., 1996, с. 164-169.

75. Линия станов винтовой . прокатки. Техническое описание. М.: МИСиС, 1997.174