автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Моделирование технологических процессов сверхпластической формовки оболочек из двухфазных титановых сплавов

На правах рукописи

Нгуен Суан Зунг

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ ОБОЛОЧЕК ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.05 — «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 АВГ 2014

Москва — 2014

005551649

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудования трубного производства» Института экотехнологии и инжиниринга Национального исследовательского технологического университета "МИСиС".

Научные руководители доктор технических наук, профессор

Смирнов Олег Михайлович

кандидат технических наук, доцент Полькин Владислав Игоревич

Официальные Галкин Виктор Иванович, доктор технических наук, оппоненты профессор, ФГБОУ ВПО "МАТИ - Российский

государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского", кафедра «Технология обработки металлов давлением», профессор.

Федотов Игорь Леонидович, кандидат технических наук, ООО «ЦветМетКомплект», директор по развитию.

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

организация Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова

Российской академии наук (ИМЕТ РАН).

Защита состоится «1» октября 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при ФГАОУ ВПО НИТУ "МИСиС" по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО НИТУ "МИСиС" и на сайте (http://www.misis.ru/tabid/176/ArticleID/1878/).

Справки по телефону: 8(495)955-01-27 E-mail: pdss@misis.ru . Автореферат разослан «<х: / » июля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ионов Сергей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс в машиностроении в значительной степени определяется разработкой новых и совершенствованием существующих технологий изготовления изделий различного назначения. Одним из перспективных направлений совершенствования технологии листовой штамповки при производстве тонкостенных деталей из титановых сплавов в виде оболочек, в условиях мелко- и среднесерийного производства, является использование сверхпластической формовки (СПФ) листовых заготовок. Промышленное освоение сверхпластической формовки позволяет получать тонкостенные объемные изделия сложной конфигурации, производство которых с использованием традиционных процессов листовой обработки не рентабельно или практически невозможно. Кроме того, СПФ по сравнению с традиционными методами получения аналогичных деталей обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся: высокий коэффициент использования материала (КИМ), возможность получения сложнопрофильных изделий на маломощном прессовом оборудовании и простой технологической оснастке за одну формообразующую операцию. Технология СПФ имеет меньшую трудоемкость, низкие энергетические и капитальные затраты, позволяет сократить ручной труд и снизить себестоимость изделий.

В настоящее время двухфазные титановые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности для изготовления конструкций летательных аппаратов, баллонов, работающих под давлением, и целого ряда других конструктивных элементов, военной и гражданской техники. Эти сплавы применяются в судостроении, химической промышленности, в установках и сооружениях, работающих в морской среде. Одним из типичных двухфазных титановых сплавов является сплав ВТ6. Он обладает характеристиками общими для этой группы сплавов и относится к числу наиболее распространенных в мире. Двухфазные титановые сплавы, в частности, сплав ВТ6, имеют хорошую технологичность, особенно, при их обработке давлением в горячем состоянии. Однако, производство листовых деталей сложной формы, с глубокими рифтами и малыми радиусами кривизны рельефов, из этих сплавов горячей деформацией очень трудоемко или вообще практически неосуществимо. В титановых сплавах при обычной горячей деформации, вследствие ее неравномерности и неоднородности, а также низкой теплопроводности титана, образуются зоны интенсивного течения, приводящие к резко выраженной макро- и микроструктурной неоднородности, что оказывает негативное влияние на качество получаемых изделий. Для устранения отмеченных выше сложностей обработка двухфазных титановых сплавов в состоянии сверхпластичности (СП) приобретает большое значение. Она позволяет резко уменьшить сопротивление деформации и увеличить пластичность титановых сплавов. При этом важно установить влияние сверхпластической деформации (СПД) на микроструктуру и комплекс механических свойств сплавов. Поэтому систематическое исследование, которое включает современные вычислительные средства, характеристик СПД двухфазных титановых сплавов и технологии СПФ для получения оболочек из

них является актуальным для оптимизации технологических режимов и повышения качества получаемых изделий, а также создания новых принципов формовки при изготовлении деталей более сложного профиля.

В связи с этим, настоящая работа посвящена разработке процессов сверхпластической формовки оболочек из сплава ВТ6, как типичного представителя двухфазных титановых сплавов, для выяснения общих закономерностей их формообразования при СПФ оболочек на основе исследования влияния характеристик микроструктуры материала и температуры деформации на его реологическое поведение, а также технологические параметры процесса СПФ с использованием компьютерного и физического моделирования.

В работе определена количественная связь между размером структурных составляющих и реологическими характеристиками сплава ВТ6 при сверхпластической деформации, а также относительная термическая стабильность его структуры при нагреве до оптимальной температуры СПД и последующей СПФ. На основе вычисленных реологических параметров и характеристик сверхпластичности исследуемого материала выбраны рациональные технологические режимы сверхпластической формовки. Разработаны компьютерные конечно-элементные (FEM CAD) модели процессов СПФ полых оболочек для исследования закономерностей формоизменения и распределения напряженно-деформированных состояний в полуфабрикате при различных термомеханических режимах. Проведены эксперименты по СПФ типовых оболочек из сплавов ВТ6 и ВТ23 для проверки расчетных результатов компьютерного моделирования, отработки технологии и исследования влияния микроструктуры исходного листа заготовки (направления прокатки) на параметры готовых изделий, а также эволюции микроструктуры в процессе СПФ.

Работа выполнена на кафедре «Технология и оборудование трубного производства» (ТОТП) Института экотехнологии и инжиниринга Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»._

Автор выражает глубокую признательность д.т.н. проф. Смирнову О. М.[ к.т.н. доц. Полькину В. И. и другим сотрудникам и преподавателям кафедры ТОТП и ПДСС за помощь, оказанную при выполнении работы и представлении её результатов.

Цель работы: Используя компьютерное и физическое моделирование процессов сверхпластической формовки разработать научно-обоснованную методику для получения оболочек из листов двухфазных титановых сплавов на примере сплава ВТ6.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализировать научно-техническую и патентную литературу о процессах СПФ двухфазных титановых сплавов и сделать выбор модельного сплава для исследований.

2. Выполнить анализ основных реологических характеристик и эволюции микроструктуры двухфазных титановых сплавов при сверхпластической деформации.

3. Произвести расчет реологических параметров и характеристик СП двухфазных титановых сплавов при СПД для выбора рациональных режимов СПФ на примере сплава ВТб.

4. Разработать комплексную методику оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов и технологию СПФ двухфазных титановых сплавов с использованием методов физического и математического моделирования для определения закономерностей формоизменения при различных технологических режимах.

5. Выполнить проверку результатов компьютерного моделирования и предложенных методик СПФ листов из сплавов ВТб и ВТ23.

6. Разработать технологические рекомендации по схемам, температурно-скоростным и силовым режимам СПФ полых оболочек из двухфазных титановых сплавов.

Научная новизна работы

1. Получены новые данные о реологических характеристиках СПД для двухфазных титановых сплавов на примере сплавов ВТб и ВТ23 по выбранной модели «БР-среды» и определены количественные зависимости напряжения течения, показателя скоростной чувствительности (т) от скорости, температуры и размера зерна при СПД.

2. Разработана специальная программа и проведены расчеты реологических параметров двухфазных титановых сплавов в состоянии СП по модели «БР-среды».

3. Разработана методика, сочетающая компьютерное моделирование и экспериментальную проверку, для комплексной оценки формуемости для всех двухфазных титановых сплавов при СПФ оболочек.

4. С помощью предложенной методики выявлены основные закономерности формоизменения и определены рациональные технологические режимы, характеристики напряженно-деформированного состояния, а также геометрической формы и размера изделий при СПФ оболочек из двухфазных титановых сплавов.

Практическая значимость работы

1. Получены базы данных реологических свойств двухфазных титановых сплавов, которые могут быть использованы при проектировании технологических процессов изготовления оболочек методом СПФ.

2. Предложены компьютерные модели, позволяющие быстро оценить формуемость любого двухфазного титанового сплава при СПФ оболочек. Полученные результаты являются основой для разработки технологии производства изделий из листовых титановых полуфабрикатов методом СПФ.

3. Разработана комбинированная методика технологических проб для испытаний листовых материалов с ультрамелким зерном на пригодность к СПФ, сочетающая компьютерное моделирование и тестовые эксперименты.

4. Предложены технологические рекомендация по схемам, температурно-скоростным и силовым режимам, а также конструкции установки и технологической оснастки для СПФ полых оболочек из двухфазных титановых

сплавов.

5. Получены технологические параметры для изготовления тонкостенных деталей из сплавов ВТ6 и ВТ23, которые можно использовать при разработке технологии СПФ оболочек.

6. Результаты работы нашли практическое применение в учебном процессе и исследовательской работе в НИТУ «МИСиС» и в «Ханойском технологическом институте» при выполнении курсовых и дипломных работ студентов.

Методы исследования и достоверность результатов

В качестве основного метода исследования процесса СПФ был выбран экспериментально-теоретический метод. Процесс СПФ оболочек исследовался методом математического численного моделирования, с применением программного продукта ОЕРОЯМ-ЗБ. Адекватность предложенных моделей проверялась сравнением некоторых расчетных зависимостей с экспериментальными, на натурных материалах. Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теорий, надёжностью современных вычислительных средств, корректностью постановки задач, подтверждается качественным и количественным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Апробация работы

Материалы диссертации используются в учебном процессе и исследовательской работе на кафедре ТОТП НИТУ «МИСиС» и в «Ханойском технологическом институте» при чтении лекции по курсам «Теория обработки металлов давлением» и «Технология листовой штамповки».

Предложенная методика комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов использовалась при формовке полусфер из сплава ВТ23 на одном из заводов авиакомической отрасли. Результаты работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях: XI конгресс «Кузнец-2012. Перспективы инновационного и конкурентоспособного развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств», Рязань, ОАО «Тяжпрессмаш»; международный научно-технический конгресс ОМД-2014, Москва, НИТУ МИСиС.

Публикации

Материалы проведенных исследований отражены в 3 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в перечень рекомендуемых ВАК, в 2 статьях в сборниках материалов российских и международных научно-технических конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы и выводов, изложена на 191 странице, содержит 94 рисунка, 36 таблиц, библиографический список из 86 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, ее

научная новизна и практическая значимость, а также приводятся основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен обзор и анализ научно-технических публикаций, посвященных явлению сверхпластичности, условиям, механизмам деформации и признакам её проявления, а также основным характеристикам материала в сверхпластичном состоянии и реологическим моделям, используемым для описания сверхпластичных материалов (СПМ). Рассмотрены основные схемы процесса СПФ оболочек, типовые изделия, конструкции установок и технологической оснастки для СПФ. Проведен анализ нескольких методов регулирования толщины стенок при СПФ оболочек. Выполнен обзор и проведен анализ современных специализированных компьютерных систем для моделирования процессов при обработке металлов давлением. Изложены основные свойства двухфазных титановых сплавов и области их применения, а также характеристики двухфазных титановых сплавов в состоянии СП и методы подготовки их микроструктуры для СПД. На основании результатов литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена методика проведения исследований и описаны использованное при экспериментах оборудование и технологические оснастки. В качестве материала для исследования СПФ оболочек был выбран сплав ВТ6, как типичный представитель группы двухфазных титановых сплавов.

Химический состав листов сплава ВТ6, использованных при СПФ, приведен в таблице 1.

Таблица 1 — Химический состав сплава ВТ6

Химические элементы (%)

Элемент А1 V Zr О Fe Si С N н Примеси

ГОСТ 1980791 5,3-6,8 3,5-5,3 <0,3 <0,2 <0,6 <0,1 <0,1 <0,05 <0,015 <0,3

Исследуемый материал 6,05 4,0 0,17 0,15 0,26 0,09 0,07 0,01 0,01 0,25

При СПФ были использованы заготовки, вырезанные из листов в состоянии поставки толщиной 1 мм и диаметром 60 мм. Для определения влияния температуры и продолжительности отжига на характер структурных изменений в сплаве из листов вырезали образцы размером 1x10x10 мм. Изучение влияния режимов сверхпластической формовки на структуру проводили на образцах, вырезанных на характерных участках отформованных оболочек.

Исследование микроструктуры проводили методами световой микроскопии и количественного металлографического анализа на микроскопе Axio Obsever Dim. Размер зерна определяли методом случайных секущих с помощью компьютерной программы Axio Vision Red 4.8.

При экспериментальном исследовании технологических режимов СПФ использовали разработанную ранее в НИЛ ДСПМ НИТУ «МИСиС» методику технологических проб в виде формовки куполов и осесимметричных деталей с

продольными рифтами, имеющими различные сечения и размеры, а также с куполами, имеющими малые диаметры, для наблюдения оформления контура деталей и заполнения материалом гравюры матрицы.

Для экспериментальных исследований СПФ использовали установку, сконструированную и изготовленную на базе двухстоечного гидравлического прессаУ1671 (рисунок 1)

Рисунок 1 - Установка для СПФ 1-газопровод; 2-система водоохлаждения; 3-термометр; 4-электропечь;

5-система выталкивателя; 6-заготовка; 7-крышка; 8-промежуточная труба;

9-матрица; 10-пресс-форма; 11-промежуточная стойка

В работе использовали систему компьютерного конечно-элементного моделирования на основе программы DEFORM-3D версия 6.1, и других прикладных программ для моделирования формоизменения заготовки в процессе СПФ.

Для обработки данных физического моделирования использовали прикладные программы, такие как Microsoft Word, Microsoft Excel, Graphicssuitex 3, Matlab-2012 и др.

В третьей главе описано влияние температуры и резмера зерна на характеристики сплава ВТ6 в состоянии СП. Проведен расчет численных значений реологических параметров и характеристик СПД двухфазных титановых сплавов на примере сплава ВТ6 по модели «SP-среды».

Исследовалось влияние температуры (от 830 °С до 940 °С) и времени выдержки (от 15 мин до 1440 мин) на фазовый состав и микроструктуру сплава ВТ6. Показано, что при увеличении температуры отжига соотношение объема фазовых составляющих изменяется в сторону увеличения доли (3-фазы. При температурах на 50-М 00 °С ниже температуры полного полиморфного превращения (для сплава ВТ6 Т„„= 950^ 1000 °С) наблюдали соотношение а- и (3-фазы примерно 50:50, являющееся оптимальным с точки зрения механизмов СПД.

Исследуя влияние времени выдержки на изменение размера зерна, установили, что ультрамелкозернистая структура двухфазных титановых сплавов обладает высокой термической стабильностью при температурах равенства фаз.

На основании проведенных исследований влияния температуры на реологическое поведение сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой установлено, что оптимальной температурой сверхпластичности этого сплава является температура равного объемного соотношения фаз (Т = 900 °С), которой соответствует наибольшее значение показателя скоростной чувствительности напряжения течения (т).

При отжиге образцов из промышленных листов сплава ВТ6, использованных при эксперименте по СПФ в работе показано, что при температуре отжига 900 °С изменение размера зерна находится в допустимом диапазоне, который обеспечивает одно из условий проявления сверхпластичности материала (Ь < 10 мкм), при длительности выдержки не более 70 мин.

Как известно, во всем исследованном интервале скоростей показатель т больше у образца с меньшим размером структурных составляющих. При этом размер зерна практически не влияет на величину напряжения течения, при котором наблюдается максимальное значение т. При уменьшении среднего размера зерна увеличивается максимум показателя скоростного чувствительности напряжения течения (т) при смещении его в область более высоких скоростей деформации.

В качестве базовой реологической модели поведения материала при СПФ в работе была выбрана известная модель «БР-среды» с соответствующим уравнением (1):

£ = ^ ехр[«г/(ае - <%)] (У/^/Г- (1)

где - интенсивность скоростей сдвиговой деформации, с"1; £2 -обобщенный структурный параметр, мкм; а - коэффициент пропорциональности влияния структурного параметра; /? - показатель степени влияния структурного параметра; п„ - показатель степени ползучести; <те - интенсивность напряжений течения, МПа; параметры , о^, представляют собой соответственно пороговое напряжение (МПа), эквикогезионное напряжение (МПа) и условный предел текучести (МПа) при оптимальной температуре СПД - Т,р\

2т- температурный множитель выражается параметром Зинера-Холломона: ^ = (2)

где <2« - кажущаяся энергия активации, кДж/Моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль*К); Т5Р - оптимальная температура СПД, К.

На основе данных, полученных в работе Ершова А.Н., с помощью специальной программы были рассчитаны значения реологических параметров и температурных коэффициентов в уравнениях (I) и (2), приведенные в таблице 2.

Таблица 2 - Реологические параметры уравнений (1,2)

Марка сплава Т 1 sp> °С МПа Oeq, МПа öS, МПа beq> с" 0-, м/Н ß nv Qc/R, град К

ВТ6 900 1 52,5 104 3,3.10"2 8,59.10"3 1,07 1,24 18050,54

На основе данных, приведенных в таблице 2, были рассчитаны реологические зависимости напряжений течения ае, показатели скоростной чувствительности напряжения течения т = с1(^сге)/с1(^1;е) от скорости деформации и величины зерна £ по уравнению (1) и построены соответствующие графики (рисунок 2).

МПа

?» с"' ?» <■"-'

Рисунок 2 - Зависимость напряжения течения (а) и показателя скоростной чувствительности напряжения течения (б) от скорости деформации для различных размеров зерна при температуре Т = 900 °С

Результаты показали, что полученные зависимости отражают известные закономерности сверхпластического поведения сплавов с УМЗ структурой. Размер зерна оказывает определяющее влияние на напряжение течения ае и показатель m во всем скоростном интервале СПД, особенно в области низких скоростей деформации. Это влияние уменьшается по мере приближения материала к эквикогезионному состоянию, которое характеризуется равенством энергетических вкладов межзеренной и внутризеренной деформации при СПД. В эквикогезионном состоянии реологическое поведение СПМ становится структурно независимым, т.е. размер зерна не влияет на зависимость напряжения течения от скорости деформации. Рост среднего размера зерна приводит к повышению напряжения течения при одной и той же величине скорости деформации и к снижению показателя m и смещению его в сторону более низких скоростей деформации.

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования процессов формовки типовых оболочек в состоянии СП. Моделирование производили в системе FEM CAD с использованием значений реологических

характеристик, определенных для сплав ВТ6 в главе 3.

Были разработаны типовые компьютерные модели FEM CAD для процессов СПФ полых оболочек с макро- и микрорельефом. Расчеты по этим моделям позволили установить основные закономерности формоизменения оболочек при рациональных и отличных от них режимах СПФ по температуре и скорости деформации.

Было проведено моделирование одного из основных процессов СПФ оболочек - свободная формовка. Исходя из результатов компьютерного моделирования, была построена зависимость относительной высоты, накопленной деформации, интенсивности скорости деформации и напряжения от времени формовки при различном давлении газа. Определена оптимальная величина давления газа (Р = 1,6 МПа) для предложенной модели при свободной формовке. На рисунке 3 показаны зависимость относительной высоты купола H=h/r0 (г0- радиус отверстия матрицы; h- высота вершины купола) от времени (а) и зависимость эффективной скорости деформации в вершине купола от его относительной высоты (б).

Рисунок 3 - Зависимость относительной высоты купола от времени формовки (а) и скорости деформации в вершине купола от его относительной высоты (б) при давлении Р: 1 - 1,2 МПа; 2-1,4 МПа; 3 - 1,6 МПа; 4 - 1,8; 5 - 2 МПа.

Результаты компьютерного моделирования показали, что в начальный период деформирование материала идет по всему сечению заготовки, после формирования полусферы деформация происходит только в участках, не соприкасающихся со штампом. На всех стадиях формовки наибольшее значение степени деформации достигается в области вершины формуемого купола, что приводит к неравномерному утонению деформируемой мембраны и вызывает разнотолщинность стенок полученного купола. Превышение предельного значения накопленной степени деформации сопровождается разрывом материала в вершине купола.

Компьютерное моделирование свободной формовки при различном давлении показало, что чем больше давление газа, тем интенсивнее утонение в вершине купола, т. е. растет неравномерность толщины стенок получаемых

оболочек. С увеличением давления газа профиль купола меняется от сферического к параболоидальному (рисунок 4).

Рисунок 4 - Форма куполов при свободной формовке с различными давлениями, а - Р = 1,6 МПа; б - Р = 2 МПа

Проводилось моделирование формовки оболочек с продольными рифтами различного сечения, оболочек с куполов разного диаметра и оболочек с продольными рифтами разной ширины (рисунок 5).

оболочек с куполов разного диаметра (б) и оболочек с продольными рифтами разной ширины (в), полученных при моделировании микроформовки '

Полученные результаты показали, что при СПФ оболочек с продольными рифтами разного сечения, материал заполняет каналы матрицы в виде | треугольника труднее, чем каналы в виде квадрата и круга. Степень деформации в областях, которые соприкасаются с краями рифтов матрицы больше, чем в остальных участках. Высота отформованных рельефов сильно зависит от размера гравюры на поверхности матрицы. Материал не заполняет элементы гравюры матрицы, ширина которых меньше половины толщины исходного листа заготовки. Увеличение времени и давления газа способствует увеличению степени воспроизведения рельефа.

Было установлено, что скорость деформации является одной из важнейших характеристик СПД, обусловливающих способность к формообразованию материала. При СПФ с постоянным давлением скорость деформации меняется, и она может выходить из скоростного интервала, обеспечивающего условия проявления сверхпластичности. Для обеспечения скорости деформации, которая постоянна или изменяется в допустимых пределах, в процессе СПФ требуется регулирование давления газа по определенной закономерности. В работе

использовалась методика расчета режима СПФ эллиптической мембраны для определения закономерности давления газа при реверсивной формовке.

Уравнения для описания зависимости давления газа от времени формовки по модели расчет СПФ эллиптической мембраны приведены в параметрическом виде (3, 4):

/ ч s0 sin a sin р sin а + r|(a / b) • sin р ~ а <Т°|" ' а '"Г" Vi+V-n '

= L-c,AL-a- + jf-dx =± |l+f + (4)

-Уз|и Д Ьу/ Ь у/ Ьч/ bV sin а'

cos2(а/2) (l/g-ctgg) 2a + by cos2(p/2) (l/p-ctgp)' a + 2b\|/ '

a, b - главные полуоси эллиптической мембраны; о^р, - напряжение соответствующее оптимальной скорости деформирования ^opt, определенной на основе реологического поведения исследуемого материала в состоянии сверхпластичности.

По вычисленным результатам были построены графики зависимости давления газа от времени деформации при реверсивной формовке полусфер из титановых листов на основе реологических характеристик сплава ВТ6 и ВТ23 в состоянии СП. Полученные результаты предварительно проверены методом компьютерного моделирования для оценки их достоверности.

В пятой главе описаны результаты экспериментов СПФ оболочек с целью оценки формуемости листов титановых сплавов при свободной формовке и формовки в матрицу с различным типом гравюр, при этом экспериментальные результаты для оценки адекватности моделей сопоставлялись с данными компьютерного моделирования СПФ.

Для СПФ спроектировали и изготовили пресс-форму и матрицы (рисунок 6). Эксперименты проводили следующим образом: вырубленную в размер заготовку укладывали в предварительно нагретую пресс-форму с соответствующей матрицей.

Специальным держателем помещали пресс-форму в штамповый блок, находившийся в нагретой электропечи. Во время восстановления температуры печи до оптимального значения для СПД осуществляли под-прессовку штампового блока гидравлическим прессом с целью образования герметизирующих рифтов. Далее, после достижения заготовкой температуры СПФ, не снимая усилия пресса, подавали сжатый газ в пространство между крышкой штампового блока и заготовкой, фиксировали время начала СПФ и отслеживали заданную продолжительность формовки. После этого газовое давление внутри штампа сбрасывали, с помощью специального выталкивателя

Рисунок 6 - Пресс-форма и матрицы

доставали штамповый блок из печи и извлекали готовую оболочку из штампа. Примеры оболочек, полученных при СПФ, показаны на рисунке 7.

^По ^^результатам^ ^обрабо^ки ^

сечениям оболочек, измерены их ^ " ^^^

геометрические параметры и Рисунок 7 - Оболочки, полученные произведена оценка степени СПФ

заполнения гравюр матриц.

При оптимальной температуре 900 иС, проведена свободная формовка с давлением газа 1,2 МПа; 1,6 МПа; 2 МПа для определения оптимальной величины значения давления газа. Из результатов эксперимента получили зависимость относительной высоты купола Н от времени формовки т при различном давлении газа (рисунок 8). Установлено, что при давлении газа Р = 1,6 МПа скорость деформации соответствует диапазону скоростей, при которых показатель т > 0,3 на всех стадиях формовки.

Для исследования ц

влияния текстуры прокатки 16 исходного листа на процесс ы формовки проводили замер ) 2 толщины стенок и анализ микроструктуры полусфер, полученных при СПФ с 08 давлением Р = 1,6 МПа, в 0.6 продольном (Д) и поперечном о.4 (П) направлении прокатки. Полученные результаты

(рисунок 9) показали, что с увеличением высоты купола толщина стенок в его вершине Рисунок 8 - Зависимость относительной непрерывно уменьшается. высоты купола Н от времени формовки т Относительная степень при давлении газа Р:

деформации достигает г3 = 90% 1-1,6 МПа; 2-2 МПа; 3-1,2 МПа

при давлении газа Р = 1,6 МПа.

Разнотолщинность полусфер, измеренная в продольном и поперечном направлении прокатки, не велика. Максимальное отличие в утонении стенок между двумя сечениями полусферы наблюдается в основании купола, но и оно не

превышает 4%. Характер микроструктуры в продольном и поперечном направлении одинаков.

1

0.8

0.6 0.4 0.2

а)

' \

—Д —п

-20

-10

Рисунок 9 - Распределение толщины стенок по радиусу полусферы (а) и микроструктура в различных участках полусферы после СПФ х200 (б)

Для оценки влияния скорости деформации на способность материала к формообразованию и процесс изменения микроструктуры проводили свободную выдувку заготовок с разным давлением Р = 1,6 МПа (образец - №1) и Р = 2 МПа (образец - №2), но при одной температуре. На основании результатов были построены графики распределения толщины стенок полусфер (рисунок 10) и зависимости размера зерна от степени деформации (рисунок 11).

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2

V ЧХ

..... №1

- №2

а.МКУ 10

9.5

-20

10

—--- м •

50 %

Рисунок 10 - Распределение толщины стенок по радиусу полусферы

Рисунок 11-Зависимости размера зерна от степени деформации

Видно, что при увеличении давления газа скорость деформации возросла, и необходимое время для получения полусферы уменьшилось. Однако при этом разнотолщинность по сечению полусферы резко увеличилась. "Увеличение степени деформации способствует росту зерна, но главной причиной роста зерна и соответственно уменьшения способности материала к СПД являются процесс нагрева заготовки перед СПФ и продолжительность СПФ. Кроме того результаты эксперимента показали, что при температуре, отличающейся от оптимальной, процесс формовки для получения полусферы совершался медленнее, а при пониженной температуре полусфера оформилась не полностью.

В работе проводили эксперименты по СПФ сложных оболочек в виде продольных рифтов различного сечения. Исходя из полученных данных, были построены графики распределения степени деформации по местам измерения образцов (образец №7 - рифты .^».•.¡«р^л

параллельны прокатки исходной образец №8 перпендикулярно к

направлению заготовки и - рифты направлению заготовки)

23456789 10 И Л? точек измерения а соответствии с схимой измерении

Рисунок 12 - Распределение степени деформации по местам замера

прокатки исходной (рисунок 12).

Видно, что хотя давление газа достигает максимально допустимого значения и формообразование длится

достаточно долго, материал не полностью заполняет гравюру штампа. Различие по всему сечению в обоих образцах не велико. Однако, степень деформации в областях, которые соприкасаются с рифтами матрицы больше, чем в остальных участках. Металлографические исследования показали, что форма и размер зерна в различных участках этих образцов примерно одинаковы.

Для оценки способности материала к заполнению гравюры матриц проведены эксперименты по СПФ оболочек в матрицах, имеющих гравюру в виде каналов и отверстий различного размера. По результатам измерений высоты рельефов был простроены графики зависимости высоты рельефов от ширины канавки и диаметра отверстий матрицы (рисунок 13).

Н, мм

1?, ММ

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

а)

/ /

/

0.5

1.5

2.5 мм

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 О

б)

У //

/ / /У

//• V

У

т, мин: 60

■; 50

Рисунок 13 - Зависимости высоты рельефов от ширины канавки матрицы (а) и высоты куполов от диаметра отверстия матрицы (б)

Показано, что высота рельефов сильно зависит от размера гравюры. Для гравюры матрицы в виде каналов, ширина которых меньше половины толщины, и

в виде отверстий, диаметр которых меньше толщины исходного листа, при давлении газа меньше 2,3 МПа рельеф полностью не оформляется. При увеличении времени выдержки при СПФ высота рельефов в виде купола немного возрастает и эта зависимость четко прослеживается для куполов большего размера.

На основе полученных результатов была разработана методика комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов и технологии СПФ оболочек, общая схема которой показана на рисунок 14.

Рисунок 14 - Методика комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов

Практическое применение предложенной методики комплексной оценки формуемости листов из двухфазных | р, /

титановых сплавов проверялось на среднелегированном двухфазном

титановом сплаве ВТ23 при изготовлении полусфер с помощью методики сверхпластической реверсивной формовки, схема которой приведена на рисунок 15. Процесс формовки проходит в две стадии. Первоначально под действием давления

газа (Р]) образуется промежуточный \///////////Л-Ш-—й

профиль (I). Реверсируя давление газа (Рг), ^ р-

происходит «выворачивание» Рисунок 15 - Схема процесса

полуфабриката. Полученная в результате реверсивной формовки

формовки в два перехода деталь (II) характеризуется выравниванием общей

деформации по всей полусфере и относительно небольшой разнотолщинностью стенок.

На рис. 16 показаны результаты реверсивной формовки на первой стадии получения полусферы (а) и готовое изделие (б). Результаты СПФ оболочек сплава ВТ23 соответствуют расчетам и данным полученным при СПФ для сплава ВТ6. Это подтверждает, что предложенная методика исследования СПФ оболочек, разработанная на примере сплава ВТ6, позволяет оценить способность материала к формоизменению и разработать технологию СПФ оболочек для всех двухфазных титановых сплавов в промышленном производстве.

Рисунок 16 — Первая стадия формовки (а) и готовое изделие (б)

Были подготовлены рекомендации по температурно-скоростным, силовым и временным режимам СПФ двухфазных титановых сплавов. В частности: ^ для двухфазных титановых сплавов оптимальная температура при СПФ I находится в (а+Р)-области и на 50-И 00 °С ниже температуры полного полиморфного превращения, в частности, для сплава ВТ6 температурный ' интервал СПФ составляет 890. ..910 °С, а для сплава ВТ23 - 830+860 °С;

> в оптимальном интервале температур скорость деформации при СПФ ! изменяется от 1Х10"4 до 2x10^ с"1, соответствующем показателю скоростной чувствительности т > 0,3;

> для заготовки из листов двухфазных титановых сплавов толщиной 0,5... 1,5 мм | с ультрамелким зерном до 10 мкм в зависимости от схемы СПФ и формы ; оболочек можно использовать давление газа от 1,2 до 2,3 МПа;

> для промышленных листов двухфазных титановых сплавов время выдержки СПФ не должно превышать 65 мин для обеспечения микроструктурных условий СП.

Подготовлены рекомендации для разработки технологии СПФ оболочек из 1 двухфазных титановых сплавов, которая включает следующие основные этапы:

'> анализ и выбор номенклатуры изделий, разработка эскизов деталей с учетом требований технических условий для изготовления деталей СПФ;

> на основании эскизов деталей с помощью компьютерных программ строят твердотельные, объемные модели будущего изделия, изготовление которого проводится СПФ;

> проектирование геометрических ЗО-моделей матриц с гравюрой штампа исходя из особенностей деталей, получаемых СПФ;

> проектирование технологического штампового блока для СПФ. Спроектированная ЗО-модель матрицы устанавливается в модели корпуса технологического блока и дооснащается необходимыми конструктивными элементами;

> компьютерное моделирование процесса СПФ оболочек из двухфазных титановых листов;

> анализ результатов моделирования и выбор рациональных технологических параметров формовки;

> выбор способа изготовления элементов технологической оснастки;

> изготовление матриц и штампового блока в металле по разработанным моделям и чертежам;

> проведение СПФ опытных образцов оболочек из двухфазных титановых листов;

> анализ точности размеров и геометрических параметров оболочек, структуры и свойств металла после СПФ для сравнения с техническими условиями;

> выбор финишной обработки, отделочных операций и технологии сборки изделия;

> составление технологической карты производства и промышленное освоение.

Кроме того были разработаны рекомендации по проектированию штамповых блоков и инструмента для СПФ.

Основные результаты работы и выводы

1. На основе анализа научно-технической и патентной литературы о процессах СПФ двухфазных титановых сплавов в качестве модельного выбран сплав ВТ6.

2. Исследования микроструктуры листовых заготовок из сплава ВТ6, используемых при СПФ показали, что размер зерна после нагрева до температуры СПД удовлетворяет условиям структурной СП.

3. Проведены расчеты параметров и основных реологических зависимостей двухфазных титановых сплавов в состоянии СП (на примере ВТ6) по модели «ЭР-среды» с учетом температуры и размера зерна. Выбраны рациональные термомеханические н кинематические режимы для моделирования процессов СПФ оболочек.

4. Разработаны компьютерные модели процессов при СПФ полых оболочек из двухфазных титановых сплавов, позволяющие установить основные закономерности и характеристики формоизменения оболочек при различных режимах СПФ,

5. СПФ листов сплава ВТ6 показала, что при оптимальной температуре и скорости СПД, данные компьютерного моделирования соответствуют экспериментальным значениям с точностью до 15% по времени, а по распределению толщин стенок и по профилю оболочек с точностью до 8-10%. Направление прокатки исходного листа заготовки не оказывает существенного

влияния на параметры готовых изделий. Формирование микрорельефов затруднено и требует длительной выдержки и высокого давления газа.

6. Разработана методика комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов с УМЗ структурой, сочетающая компьютерное моделирование и экспериментальную проверку формовки типовых оболочек и элементов рельефа, проверенная на примере СПФ сплавов ВТ6 и ВТ23. Показано, что получаемые схемы, температурно-скоростные и силовые режимы СПФ полых оболочек применимы для практического использования.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1.A. Н. Варгин, Г. С. Бурханов, Н. С. Зунг, В. И. Полькин. Компьютерное моделирование сверхпластической формовки оболочек из титановых сплавов ВТ6 и ВТ23. Международный научный журнал, Москва, 2013, №6, с 65 - 71 (Рекомендован ВАК).

2. Н. С. Зунг, В. И. Полькин. Расчет давления газа при реверсивной сверхпластической формовке титановых сплавов. Международный технико-экономический журнал, Москва, 2014, №1, с 103 - 107 (Рекомендован ВАК).

3. Н. С. Зунг, В. И. Полькин. Оптимизация режимов сверхпластической формовки оболочек из титанового сплава ВТ6. Технология легких сплавов, Москва, 2014, №1, с 91 - 96 (Рекомендован ВАК).

4. А. Н. Варгин, Н. С. Зунг, О. М. Смирнов. Исследование процесса реверсивной сверхпластической формовки полусферической оболочки из листа сплава ВТ6. Сборник докладов и научных статей XI конгресса «Кузнец-2012. Перспективы инновационного и конкурентоспособного развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств», Рязань, ОАО «Тяжпрессмаш», с 258 - 268.

5. Н. С. Зунг, В. И. Полькин. Разработка технологии сверхпластической формовки полусфер из двухфазных титановых сплавов. Сборник докладов международного научно-технического конгресса «ОМД-2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии», Москва, НИТУ МИСиС Том 2, с 333-336.

Подписано в печать: 19.07.14

Объем: 1,5 п.л. Тираж: 120 экз. Заказ № 543 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 (495) 978-66-63, www.reglet.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»"

На правах рукописи

04201460719

Нгуен Суан Зунг

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ ОБОЛОЧЕК ИЗ ДВУХФАЗНЫХ

ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

д. т. н. проф. Смирнов О. М.

к. т. н. доц. Полькин В. И.

Москва - 2014г.

Содержание

Введение 4

Глава 1 Аналитический обзор литературы 8

1.1 Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности 8

1.2 Сверхпластичность металлических материалов 12

1.3 Технология сверхпластической формовки оболочек 24

1.4 Способы регулирования утонения стенок при СПФ 39

1.5 Двухфазные титановые сплавы и их сверхпластичность 44

1.5.1 Общая характеристика двухфазных титановых сплавов 44

1.5.2 Сверхпластичность двухфазных титановых сплавов 52

1.5.3 Методы подготовки ультрамелкозернистой микроструктуры 58

1.6 Заключение по главе 1 61

1.7 Цель и задачи исследования 62 Глава 2 Методы проведения исследования и исследуемый материал 65

2.1 Исследуемый материал и образцы 65

2.2 Методы и оборудование для исследования микроструктуры материалов в процессе СПД. 67

2.3 Оборудование и технологические оснастки для экспериментального исследования СПФ. 71

2.4 Применение компьютерных программ для моделирования процессов СПФ 79

Глава 3 Исследование структуры и реологических свойств титанового сплава ВТ6 в состоянии сверхпластичности. 88

3.1 Влияние температуры на структуру и реологические свойства сплава ВТ6

88

3.2 Влияние размера зерна исходной заготовки на реологические свойства сплава ВТ6 96

3.3 Реологические модели для описания свойств сплава ВТ6 при СПД 99

3.4 Заключение по главе 3 108 Глава 4 Моделирование процессов сверхпластической формовки 110

4.1 Задачи математического моделирования СПФ 110

4.2 Моделирование процесса свободной выдувке при СПФ 113

4.3 Моделирование процессов СПФ в матрицу 123

4.4 Расчет оптимального давления газа при СПФ 127

4.5 Заключение по главе 4 133 Глава 5 Исследование способности к формообразованию листовых заготовок из двухфазных титановых сплавов при СПФ 134

5.1 Задачи экспериментального исследования СПФ 134

5.2 Разработка установки для экспериментов по СПФ 135

5.3 Проведение экспериментов по сверхпластической формовке оболочек 138

5.4 Исследование СПФ листов из сплава ВТ6 при различных технологических параметрах. 141

5.4.1 Свободная формовка куполов 141

5.4.2 СПФ оболочек с продольними рифтами 156

5.4.3 Микроформовка в состоянии сверхпластичности 160

5.5 Разработка рекомендаций для использования результатов работы при СПФ полых оболочек, разработке технологии и инструмента. 164

5.6 Практическое применение методики комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов для изготовления полусфер из сплава ВТ23. 169

5.7 Заключение по главе 5 175 Основные результаты и выводы работы 179 Список литературы 182 Приложение 1 190 Приложение 2 191

Введение

Прогресс в машиностроении в значительной степени определяется разработкой новых и совершенствованием существующих технологий изготовления изделий. Одним из перспективных направлений совершенствования технологии листовой штамповки при производстве тонкостенных деталей в виде оболочек из титановых сплавов в условиях мелко- и среднесерийного производства является использование сверхпластической формовки (СПФ) листовых заготовок. Промышленное освоение сверхпластической формовки позволяет получать тонкостенные объемные изделия сложной конфигурации, производство которых с использованием традиционных процессов листовой обработки не рентабельно или практически невозможно. Кроме того, СПФ по сравнению с традиционными методами получения аналогичных деталей обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся: высокий коэффициент использования материала (КИМ), возможность получения сложнопрофильных изделий на маломощном прессовом оборудовании и простой технологической оснастке за одну формообразующую операцию. Технология СПФ имеет меньшую трудоемкость, низкие энергетические икапитальные затраты, позволяет сократить ручной труд и снизитьсебестоимость изделий. Однако развитие и внедрение технологии СПФ сдерживается из-за недостатка экспериментальных и аналитических данных о влиянии реологического поведения промышленных сверхпластичных материалов (СПМ) с различным размером структурных составляющих натехнологические параметры процесса формовки, отсутствия серийного оборудования и штамповой оснастки для СПФ, а также ограниченности сведений об экономической эффективности этой технологии. Решение этих вопросов представляет собой актуальную научную и практическую задачу.

В настоящее время, двухфазные титановые сплавы довольно широко применяются в различных отраслях промышленности для изготовления конструкций летательных аппаратов, баллонов, работающих под давлением, и

целого ряда других конструктивных элементов, военной и гражданской техники. Эти сплавы применяются в судостроении, химической промышленности, в установках и сооружениях, работающих в морской среде. Одним из типичных двухфазных титановых сплавов является сплав ВТ6 Он обладает общими присущими этой группе сплавов характеристиками и относится к числу наиболее распространенных в мировой титановой промышленности. Двухфазные титановые сплавы, в частности сплав ВТ6, имеют хорошую технологичность, особенно, при их обработке давлением в горячем состоянии. Однако производство листовых деталей сложной формы с глубокими рифтами и малыми радиусами кривизны рельефа из этих сплавов обычной горячей деформацией очень трудоемко или вообще неосуществимо на практике. Причем при обычной горячей деформации вследствие ее неравномерности и неоднородности по сечению заготовки, а также низкой теплопроводности титановых сплавов образуются зоны интенсивного течения, приводящие к резко выраженной макро-и микроструктурной неоднородности, что оказывает негативное влияние на качество полученных изделий. Для устранения отмеченных выше трудностей обработка двухфазных титановых сплавов в состоянии сверхпластичности приобретает большое значение. Она позволяет резко уменьшить сопротивление деформации и увеличить пластичность титановых сплавов. При этом важно установить влияние СПД на микроструктуру и комплекс механических свойств сплавов. Поэтому систематическое исследование, которое включает современные вычислительные средства, характеристик СПД двухфазных титановых сплавов и технологии СПФ для получения оболочек из них является актуальным для оптимизации технологических режимов и повышения качества полученных продукций, а также создания новых принципов формовки при изготовлении деталей сложного профиля.

Настоящая работа посвяще на разработке процессов сверхпластической формовки оболочек из сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой, как представителя двухфазных титановых сплавов, для установки общих закономерностей их формообразования при СПФ оболочек на основе

исследования и описания влияния количественных характеристик микроструктуры сплава и температуры на его реологическое поведение, технологические параметры процесса листовой сверхпластической формовки с использованием компьютерного и физического моделирования.

В работе определена количественная связь между размером структурных составляющих и реологическими характеристиками двухфазных титановых сплавов при сверхпластической деформации, атакже относительно термическая стабильность их структуры при нагреве до оптимальной температуры СПД и последующей выдержке в течении СПФ. На основе вычисленных реологических параметров и характеристик сверхпластичности исследуемых материалов выбраны рациональные технологические режимы сверхпластической формовки. Разработаны компьютерные конечно-элементные (FEM CAD) модели процессов СПФ полых оболочек с рельефом различных типов для исследования закономерности формоизменения, а также распределения напряженно-деформированного состояния в полуфабрикате при различных термомеханических режимах. Проведены эксперименты по СПФ типовых оболочек из сплава ВТ6 для проверки и отработки расчетных результатов компьютерного моделирования, и исследования влияния микроструктуры исходной листовой заготовки (направления прокатки) на параметры готовых изделий, а также эволюции микроструктуры в процессе СПФ. Проверка на практическое применение предложенной методики комплексной оценки формуемости листов из двухфазных титановых сплавов проводилась на среднелегированном двухфазном титановом сплаве ВТ23 при изготовлении полусфер с целью оценки адекватности исследованных моделей.

Автором выносится на защиту:

> выбор модельного сплава для исследования технологии СПФ оболочек из двухфазных титановых сплавов;

> методика определения реологических параметров и их зависимостей от показателей структуры и температуры по выбранной модели, численные параметры реологической модели и характеристики полученные при

исследовании сплавов ВТ6 и ВТ23 в состоянии сверхпластичности;

> предложенные компьютерные модели и методики определения технологических режимов и характеристик формоизменения оболочекиз двухфазных титановых сплавов при СПФ;

> результаты компьютерного моделирования процессов СПФ оболочек из двухфазных титановых сплавов при свободной выдувке и формовки в матрицы с гравюрами различных типов;

> результаты экспериментальных исследований СПФ оболочек из сплава ВТ6 и проверки предложенных методик комплектной оценки форму емости листов из двухфазных титановых сплавов на среднелегированном двухфазном титановом сплаве ВТ23 при изготовлении полусфер;

> рекомендации по технологическим схемам, температурно-скоростным и силовым режимам, а также проектированию и изготовлению инструмента для СПФ оболочек из двухфазных титановых сплавов.

Работа выполнена на кафедре Технологии и оборудования трубного производства (ТОТП) Института экотехнологии и инжиниринга Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ МИСиС).

Автор выражает глубокую признательность д. т. н. проф. Смирнову О. М.

к.т.н. доц. Полькину В. И.и другим сотрудникам и преподавателям кафедр ТОТП и ПДСС за помощь, оказанную при выполнении работы и представлении её результатов.

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности

Развитие современного машиностроения требует создания технологических процессов, обеспечивающих высокое качество изделий при минимальной себестоимости продукции. Обработка металлов давлением является одним из технологических способов, которые широко используются в промышленном производстве для изготовления деталей, имеющих различные геометрические размеры, форму и требуемые эксплуатационные характеристики.

Обработка металлов давлением (ОМД) - это технологический процесс, при котором изменяется форма заготовки без нарушения её сплошности за счет использования пластических свойств металлов. Одним из важнейших свойств металлических материалов является пластичность - это способность под действием внешних механических напряжений необратимо изменять форму без разрушения. Пластическое деформирование металлов вызывает определенные изменения в строении и приводит к движению и росту числа дислокации, что ведет к упрочнению металла, называемому наклепом, что ограничивает его способность к пластической деформации [1]. Общеизвестно, что металлы, подвергаемые статическому растяжению, разрушаются с образованием шейки при относительном удлинении, не превышающей 50% исходной длины. Поэтому неудивительно, что большой интерес исследователей вызвали опыты, показавшие, что удлинения некоторых металлов и их сплавов, деформируемых в определенных условиях, значительно превышают 1000%; их поведение во время растяжения было подобно стеклу или жевательной резинке. Такое поведение металлов было названо сверхпластичным, а само явление — сверхпластичностью [2].

Впервые аномально высокую пластичность сплавов обнаружил К. Пирсон (Великобритания). Тогда в 20-30-е годы прошлого века он наблюдал необычайно большие равномерные удлинения (до 2000%) образцов эвтектических сплавов РЬ-

8п и В1-8п (рисунок 1.1) при незначительных по величине напряжениях течения, при этом зеренная структура оставалась равноосными. Пирсон сделал вывод, что механизм, обеспечивающий высокие удлинения является зернограничным скольжением [3,4].

Рисунок 1.1 - Образец эвтектического сплава В! - 8п после растяжения в состоянии сверхпластичности. Полученное удлинение равно 1950% [3].

В СССР изучение этого явления началось в 40-е годы под руководством А. А. Бочвара и 3. А. Свидерской, и понятие «сверхпластичность» впервые было приведено ими в науку и производство в 1945 для описания необычного поведения двухфазного сплава цинка с алюминием. Это понятие в последствии стало общепринятым термином в мировой литературе. В настоящее время в контексте с терминологией «пластическая деформация» (ПД) широко используется термин «сверхпластическая деформация» (СПД) [2,3].

В 70-80-е годы XX века вопросами координации работ по практическому использованию сверхпластичности занимались ГКНТ СССР, НТО «МАШПРОМ», АН СССР, Минвуз СССР, ведущие оборонные отраслевые министерства и ведомства. На базе исследовательской группы Уфимского авиационного института под руководством О.А.Кайбышева был создан единственный в мире академический Институт проблем сверхпластичности материалов (ИПСМ), а в НИТУ МИСиС — научно-исследовательская лаборатория деформации сверхпластичных материалов (НИЛ ДСПМ). В рамках общесоюзной и отраслевых

научно-технических программ по сверхпластичности, сформированных по инициативе и при участии ИПСМ и НИТУМИСиС, были задействованы ведущие академические, отраслевые и вузовские институты: ИМЕТ им. Байкова, ИФТТ АН СССР, ВИАМ, ВИЛС, НИАТ, НИИТМ, НПО "Машиностроения", НПО "Композит", ЦНИИ Прометей, Московский институт теплотехники, МГУ, МВТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, МАТИ, Воронежский, Горьковский и Кировский политехнические институты и многие другие [5].

В мире явление сверхпластичности интенсивно изучается многочисленными исследователями во многих странах, среди которых необходимо в первую очередь назвать США, Великобританию, Францию, Японию, ФРГ, Канаду, Китай и ряд других. Регулярно с 1982 года один раз в три года проводятся международные конференции по сверхпластичности под названием «SuperplasticityinAdvancedMaterials (ICSAM)» (в 1982, 1988, 2000, 2009 гг. - в США, в 1985 г. - во Франции, в 1991 г. - в Японии, в 1994 г. - в России [6], в 1997 г. - в Индии, в 2003 г. - в Великобритании, в 2006 г. - в Китае [7]). Кроме того, в ряде стран проводятся национальные конференции по сверхпластичности: в 70-х...80-х годах прошлого века такие конференции регулярно проводились в СССР, позднее ряд национальных и региональных конференций были проведены в Великобритании, Японии и др. странах [8].

Успехи, достигнутые в этой области, связаны с именами российских ученых: Я.М. Охрименко, О.М. Смирнова, М.Х. Шоршорова, A.C. Тихонова, O.A. Кайбышева, Р.З. Валиева, И.И. Новикова, В.К. Портного, A.A. Преснякова, А.П. Гуляева, а также зарубежных ученых: В. Бэкофена, О. Шерби, М. Грабского, Ф. Джовани, Р. Джонсона, Г. Корнфилда, X. Шелоски, Д. Холта, X. Хейдена, Р. Гибсона, Ф. Вайсса и др. [5].

Исследование эффекта сверхпластичности материалов позволяет расширять способность внедрения метода ОМД в промышленном производстве за счет их существенных преимуществ при СПД, к которым относятся [9,10]:

- чрезвычайно большая деформационная способность материалов в состоянии сверхпластичности (на 1...2 порядка больше, чем при обычном горячем деформировании);

- малое сопротивление деформации (в 5... 10 раз меньше, чем у тех же материалов в пластическом состоянии);

слабое влияние сверхпластической деформации на исходную микроструктуру заготовки позволяет получать детали со структурой, близкой к однородной и изотропными механическими свойствами по всему объему;

высокая релаксационная способность материалов в состоянии сверхпластичности и, как следствие, отсутствие внутренних остаточных напряжений после деформации.

Вместе с тем имеются недостатки, ограничивающие использование состояния СП в технологии ОМД:

- пониженные скорости деформации (на 2...4 порядка меньше, чем скорости при обычных процессах ОМД);

- необходимость обеспечения регламентированного температурного режима деформации, требующ