автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Научное обоснование и разработка технологии программной деформационно-термической обработки стальных изделий в условиях горячей объемной штамповки

Р Г Б Ой

4:8 >335

На правах рукописи

РАДКЕВИЧ Михаил Михайлович

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММНОЙ ДЕФОРМАДИОННО-ТЕРМИЧЕСЖОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ.

Специальности: 05.02.01 - материаловедение

05.03.05 - процессы и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург,1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,профессор Чижик А.А. доктор технических наук,профессор Лупаков И.С. доктор технических наук,профессор Дурнев В.Д.

Ведущая организация - ЦНИИ КМ "Прометей".

Защита состоится " 2? "февраля 1996 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.22 в Санкт-Петербургском государс венном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург Политехническая ул.,дом 29,учебно-лабораторный корпус,кафедра маши и технологиии обработки металлов давлением.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербург ского государственного технического университета. ч

. Автореферат разослан " № " " " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.,ет.н.с.

— Ю.И.Егоров

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММНОЙ даЮРМАВДОШЮ-ТЕРМЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.Требования к повышению ресурса и надежности материалов,используемых в различных отраслях промышленности вызывает необходимость разработки новых,улучшения ранее применяемых конструкционных материалов или совершенствования технологии их обработки, повышающей качество,механические и эксплуатационные свойства изделий.

В этой связи,решающее значение приобретает деформационно-термическая обработка,совмещающая в едином технологическом цикле пластическую деформацию и термическую обработку. Она отвечает всем требованиям, предъявляемым к современным интенсивным технологиям (так как является непрерывной,энерго- и метвллосберегавдей) и обеспечивает получение стальных изделий с заданными свойствами при низкой себестоимости и трудоемкости их изготовления.

Имеются не использованные резервы в дальнейшем совершенствовании методов пластической обработки металлов и сплавов,таких как,прокатка, раскатка .волочение .прессование, горячая штамповка и др. для получения стальных изделий,обладающих высоким комплексом механических и других свойств.

Для успешного решения проблемы повышения качества стальных изделий требуется комплексное исследование сути конкретных элементов единого технологического процесса деформационно-термического упрочнения. Яри этом необходимо осуществить переход от накопленных в этой области эмпирических знаний к их систематическому анализу и обобщению.

В настоящее время можно считать,что имеющийся опыт и проведенные з этом направлении исследования для отдельных процессов обработки металлов давлением (ОВД) позволяют,путем изменения некоторых деформаци-энно-термических параметров обработки, целенаправленно влиять на физи-то-механические .технологические и эксплуатационныесвойства материалов. Здесь имеется ввиду,развитие таких технологических схем деформационно-термического упрочнения,как контролируемая прокатка и термомеханичвс-<ая обработка (ТМО).

Анализ имеющих данных по упрочнению сталей с помощью контролируемой прокатки и ТМО показывает,что при реализации этих процессов за-

3

действованы не все механизмы,ответственные за структурообразование ,а следовательно.используются не все возможности в целях повышения харак теристик прочности и пластичности сталей, а также достижения однородно сти (изотропности) свойств металлический изделий. Поэтому автор счита ет.что весьма эффективными и перспективными, являются научные исследования по влиянию условий горячего деформирования на структурные изменения материала в цикле деформационно-термической обработки стальных изделий „которые базируются на программно-временном,механико-термичес-ком воздействии на обрабатываемый материал.При этом появляется возможность комплексной оценки результатов исследуемых техпроцессов по развитию высоких и наукоемких технологий. Исследования, в такой постановке вопроса до настоящего времени не проводилось. Перше результаты работ в этом направлении показали высокую экономическую эффективность технологий программной деформационно-термической обработки, возможность формирования нужной структуры, а также придания необходимых физико-механических и других свойств металлическим изделиям.

Подход к решению проблемы упрочнения и достижения однородного формообразования изделия (равномерности деформации) .основанный на кок плексной оценке технологических параметров двух процессов - деформаци онного и термического воздействия,позволяет сделать научно обоснованный выбор лэраме тров высокоэффективной технологии программной механико-термической обработки (ПМГО). При такойметодике исследования появляется возможность создания новой разновидности упрочняющих и ресурсосберегающих технологий с использованием процессов СВД. Эти технологии должны обеспечивають формирование субмикроструктуры с однородным распределением несовершенств кристаллического строения и с соответствующими ей свойствами.

Актуальность работ, направленных на создание и совершенствование технологий деформационно-термической обработки,обусловлена высокой эс фективностью этих технологий как в деле достижения необходимого уровн механических свойств материалов и повышения на этой основе качественных характеристик техники,так и в части экономии энергоресурсов,труде затрат .материала при производстве машин,оборудования,конструкций и других видов изделий.

Цель работы состоит в создании научных и технологических основ направленного регулирования структуры и улучшения физико-механическш свойств стальных изделий посредством программной деформационно-термической обработки. 4

В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:

I.Обобщить и систематизировать сведения о комбинированных методах деформационно-термического воздействия на обрабатываемый материал и о влиянии различных процессов горячей пластической деформации на субструктурное упрочнение .микроструктуру и свойства сталей и на этой основе создать предпосылки и научные основы новых перспективных разновидностей упрочняющей ДТО.

2.Исследовать процессы структурообразования при горячей пластической деформации различных по назначению и химическому составу сталей, влияние деформационных, температурных, скоростных и временных параметров технологии ЖГО и установить взаимосвязи при регулирующем их воздействии наконечную структуру и свойства изделий.

3.Определить рациональные области применения 13МТ0 и ее разновидностей, оптимизировать режимы и обосновать возможности использования данной технологии для улучшения пластического формообразования в условиях горячей объемной штамповки, а также обеспечить достижения более устойчивой термостабильной структуры и изотропных свойств полуфабрикатов иготовых изделий.

4.разработать научнообоснованную методику проектирования технологических процессов ПМГО,а также определить научно-техническую и экономическую эффективность при реализации их в промышленных условиях производства на конкретных изделиях.

По совокупности проведенных исследований работа представляет собой теоретическое обобщение закономерностей формирования структуры и свойств металлов и решение крупной народнохозяйственной проблемы -разработки и совершенствования теории и промышленной технологии упрочнения сталей и сплавов,повышения работоспособности изделий,экономии материалов и увеличения производительности труда при их изготовлении.

Научная_новизна результатов,изложенных в диссертации,заключается в том,что:

-создана методология целенаправленного изменения свойств изделий, основанная на системном анализе закономерностей формирования структуры и свойств сталей при программном,т.е.временном-деформационно-термичес-ком воздействии,на обрабатываемый материал;

-получены результаты теоретического анализа и экспериментальных данных о влиянии 1ЖГ0 на процессы формирования субмикроструктуры .микроструктуры и механических свойств у сталей перлитного,мартенситного

5

и аустенитного классов позволяющие оценивать и управлять структурнш состоянием металла в изделии;

-установлены зависимости влияния скорости,температуры и степени деформации на кинетику течения металла при ШТО, а также на однородность распределения деформаций и механических свойств в сечении изделия; полученный материал лежит в основе создания теоретических закономерностей процесса формообразования при конкретных вариантах ПМГО стальных изделий в реальных условиях производства;

-разработан технологический процесс изготовления изделий из конструкционных сталей программной деформационно-термической обработал! с многократной термоциклической обработкой (ШТО + МЦФД) .позволящй значительно улучшить служебные свойства стальных изделий;

-выявлены закономерности,которые связывают параметры ШТО с процессом рекристаллизации, и устанавливающие причины образования разно-зернистости структуры в горячедеформированном металле .дающие возможность оценки зеренной структуры поковокдолучаемой в процессе горячей объемной штамповки;

-разработаны методики и алгоритм расчета температур начала дефор мации сталей при ЛМТО и распределения температурных полей в сечении изделия при непрерывном охлаждении в различных средах, позволяющие оценить и прогнозировать формируемую структуру и механические свойства изделий при горячей объемной штамповке с применением ШТО.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные в работе научные результаты служат необходимым и достаточным основанием для разработки высокоэффективных технологий направленного регулирования механических свойств посредством деформационно-термической обработки стальных изделий. Разработаны научно-прикладные вопросы деформационн и термических воздействий в режимах ШТО. Созданы и осуществлены на практике новые ресурсосберегающие технологии,направленные на повышен: уровня механических свойств,снижения степени анизотропии и достижение на этой основе повышения надежности,долговечности и нагруженности деч лей машин. Промышленная реализация разработанных технологий на ряде м шиностроительных заводов - А00 "Кировский завод",АО "Звезда",Львовском заводе автопогрузчиков,Львовском автозаводе,заводе "Красный Октябрь" .Барнаульском заводе "Трансмаш",Каменец-Подольском заводе сель хозоборудования,производственно-коммерческой фирме "Металлист"(Беларусь), заводе сельхозмашин (НРМ) показала технологичность и перспектиь ность их использования в целях достижения поставленных задач,повышени 6

прочности деталей. Спроектировано вспомогательное оборудование .позволяющее внедрять разработанные технологии в условиях существующих производств.

Результаты работы используются в учебном процессе - в курсах лекций, при дипломном проектировании и в лабораторных работах для студентов специальностей энерго- и машинострительнного факультетов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:"Пути повышения эффективности кузнечно-штамповочного производства "(Ленинград, 1982) ¡Всесоюзной конференции "Термоциклическая обработка металлических материалов" (Ленинград, 1982) ¡"Малоотходная технология ковки и горячей штамповки" (Ленинград,1983) ;3-ей Международной научно-технической конференции (Мапуту, 1988) ¡Всероссийской "Наукоемкие технологии в машиностроении" (Рыбинск, 1994); "Новые технологии в машиностроении"(Украина,Харьков, 1994);"Современные технологии в машиностроении"(Беларусь,Полоцк,1995); Всероссийской конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург,1995);Российскойнаучно-техническойконференции "Перспективные технологические процессы обработки металлов" (С-Петер-бург,1995.

В целом работа обсуждена на совместном заседании кафедр "Металловедение" , "Машины и технология обработки металлов давлением" и "Технология конструкционных материалов Санкт-Петербургского государственного технического университета (1995).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 30 статьей в центральных,республиканских журналах и сборниках.

Объем работы. Диссертация состоит из введения,пяти глав,общих выводов, списка литературы,включающего 216 наименований. Изложена на 350 страницах машинописного текста,содержит 114 рисунков, 13 таблиц и 19 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе обосновывается актуальность работы, анализируется состояние вопроса,сформулированы цель и задачи исследований. Анализ существующих и вновь созданных способов деформационно-термической обработки стальных изделий позволил предложить принципы научного системного подхода к разработке физико-технологических основ получения высокопрочных изделий.

На основании данных принципов,разработана классификация технологических схем получения упрочненных поковок горячей объемной штамповкой

7

с применением ПДТО„а также расширена классификационная схема основны: видов деформационно-термической обработки. Предложенная классяфикащ позволила выделить перспективные технологические способы горячей объ емной штамповки,которые могли быть использованы для получения изделк с заданным комплексом механических свойств.

В главе I рассмотрены особенности комбинированных процессов дефо мационно-термической обработки сталей и сплавов,а также дан их сравнительный, критический анализ .применительно к таким методам обработки металлов давлением как,прокатка,волочение,выдавливание,экструзия и др. Отмечается большой вклад в разработку научных и практических оснс деформационно-термической обработки отечественных и зарубежных учены М.Л.Бернштейна,В.Т.Жадана.М.Е.Блантера,В. С.Ивановой, А.П.Гуляева,В. Д Садовского ,К.Ф. Стародубова, Е. Н. Соколкова, Д. А. Прокошина, М. В. Приданце ва,В.М.Большакова,М.Г.Лозинского,Р.И.Гарбера ж др.

Отмечается,что до настоящего времени значительная часть работ по комбинированным методам ДТО,в частности(ТМО).посвящена использований их к прокатке,волочению и экструзии. Вместе с тем,такой широко распрс страненный способ получения заготовок,как горячая объемная штамповка практически исключен из этого ряда. Такое положение объясняется особе ностью самого технологического процесса горячей объемной штамповки.Д; ный процесс не отвечает концепции упрочняющей обработки методом ТМ0.1 как с его помощью невозможно достичь максимального эффекта упрочнешк

Работы выполненные в Санкт-Петербургском государственном техниче ском университете под руководством К.Н.Богоявленского,В.Г.Хорошайлов и при участии А.П.Атрошенко.Ю.Н.Берлета и др. показали перспективной и целесообразность использования способов горячей объемной штамповки едином технологическом цикле деформационно-термической обработки с ц( лью получения изделий, обл а дающих улучшенным комплексом физико-механи ских свойств. Дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных i следований автора по выявлению и установлению закономерностей структз рообразования (изменение структуры тонкого строения,плотности дислок; ций,распределения вторичных фаз),а также формирования механических свойств в условиях горячей объемной штамповки, позволило с успехом применить данный технологический процесс для изготовления упрочненных заготовок из конструкционных сталей.

Эффект упрочнения металлов при методе комбинированного деформационно-термического воздействия обуславливается одновременным или последовательным воздействием всего комплекса факторов,которые вызываю: 8

протекание различных процессов. При этом относительная роль отдельного фактора зависит от технологии и режима обработки. В материале .подвергаемом такому воздействию,протекают сложные структурные преобразования .проходяще как во время самого процесса пластической деформации аустенита.так и во время его превращения при последующем охлаждении.

Исследование основных факторов,влияющих на повышение прочности, показывает,что природа упрочнения металлов и сплавов при комбинированном деформационно-термическом воздействии сложна.

Использование структурно-энергетического подхода к анализу природы упрочнения дало возможность рассмотреть все факторы с единой точки зрения,т.е. по совместному их влиянию на повышение энергоемкости упрочненного металла.

Понимая под общей энергоемкостью то количество энергии,которое необратимо поглощает металл при механическом нагружении до его разрушения и проводя аналогию между процессами поглощения энергии кристаллической решеткой при механическом нагружении до разрушения и нагреве металла до полного его расплавления,позволяет считать,что в обоих случаях нарушение межатомных связей наступит в результате поглощения какой-то предельной для данной кристаллической решетки величины энергии.

При нагреве металла от заданной температуры (Т0) до температуры плавления (Тпл) и в процессе плавления предельная удельная энергия будет равна:

Т

пл

^ = X СрйТ + То

а общая предельная энергия:

Т

пл

(I)

0 = Ч-У = У( ; ут + Ьщ,),

(2)

то

где Ср - удельная теплоемкость; ь^ - скрытая теплота плавления; V -объем расплавленного металла.

Основное отличие при сопоставлении энергии плавления с энергией разрушения заключается в том,что тепловая энергия поглощается кристаллической решеткой практически равномерно по всему объему металла,а при механическом нагружении неоднородно вследствие наличия несовершенств кристаллического строения и анизотропии. Однако,такое сопоставление энергоемкости металла возможно при учете лишь тех объемов металла,которые насыщены удельной энергией предельной величины д.

Учесть неоднородность поглощения энергии при механическом нагру; нш можно лишь при условии выделения и рассмотрения объемов принимая участие в поглощении энергии до момента разрушения тела объемом V:

-предельный объем разрушения (у^) .равный

Ур = дУр, где 1«0 - число единичных объемов,поглотивших предел ную энергию. Суммарная предельная энергия разрушения будет равна:

-критический объем искажения (Ук). Это минимальный объем с преде льно искаженной кристаллической решеткой и образующий в последствии предельный объем разрушения (Ур),т.е. Ур : Уд < I. Суммарная предельная энергия искажения кристаллической решетки равна: Т

Ои = \ ; Срй (4)

То

-суммарный рабочий объем (УБ),принимавший участие в пластическол деформировании и разрушении. В силу неоднородности пластической дефо мации Ув < V. При этом,каждый единичный объем в суммарном рабочем объ еме (V ) накапливает в процессе механического нагружения какую-то ср днюю энергию искажения,равную: Т

пл

Ср йТ.где II < I. Тогда величина поглощенной при этом энергии:

То

Т

пл

= <'* Ор® (5)

То

Общая энергия поглощаемая металлом в процессе деформации и разрушения равна:

Т Т

пл *пл

«мех = Ор+аЛ= ^ + V СрйТ + <уБ~\>пГ С йТ (6)

то то

Величина ОМ0Х характеризует общую энергоемкость металла с учетом

неоднородности поглощения энергии. Величины Ук и Ур являются энергети ческими константами кристаллической решетки и не должны зависеть от предистории металла и условий его нагружения. Эти условия и структурное состояние материала .отображаются в уравнении (6) переменными величинами Ув и п.

Анализ уравнения (6) показывает,что реальная прочность металлов может быть повышена увеличением прочности межатомных связей в кристал 10

лической решетке,тем самым повышая параметры,определящие предельную энергоемкость металла ^),или созданием в металле такого структурного состояния,которое обеспечивало бы наибольшую однородность поглощения энергии,т.е.максимально возможные значения Ув и п.

Для комбинированных методов,к которым относится деформационно-термическая обработка,наиболее важным является путь повышения прочности, заключающийся в изменении структурного состояния материала.

Одной из причин низкой прочности металлов и сплавов является неравномерное распределение несовершенств кристаллического строения. Это обстоятельство приводит к снижению энергоемкости материала в ему неоднородности поглощения энергии различными его объемами ( уменьшение значений У5 и п).

В этой связи важное значение приобретает плотность дислокаций и характер их распределения. При более равномерном их распределении в объеме,будем иметь более однородное поглощение механической энергии, т.е.будет больше рабочий объем (У3). Вместе с тем,увеличение плотности равномерно распределенных дислокаций приводит к росту средней величины поглощаемой энергии в рабочем объеме 70ик увеличению параметра п,что также повышает однородность поглощения энергии в данном объеме металла.

Увеличению параметров У0 и п способствует повышение степени дисперсности фаз,однородности их распределения и уменьшение размеров зерна. Отмеченные факторы способствуют увеличению объема металла, участвующего в поглощении энергии при механическом нагружении (увеличение Ув) и повышению энергоемкости локальных объемов металла (увеличение п).

Таким образом,структурно-энергетический метод оценки упрочнения ния,позволил определить основную задачу достижения оптимального структурного состояния металла,которая заключается в создании при комбинированном деформационно-термиче ском воздействии такой структуры, для которой характерным будет не только большая плотность несовершенств кристаллического строения,но и равномерное их распределение, а также однородное распределение фаз.

В главе дан анализ трех концепций формирования структуры и механических свойств,две из которых относятся к методам комбинированного деформационно-термического воздействия - термомеханическая обработка (работы М.Л.Бернштейна и др.);програшное упрочнение (работы Р.И.Гар-бера.М.А.Гиндина,И.М.Неклюдова)¡исследования А.М.Паршина и др.направ-ленные на достижение однородности структуры вследствие равномерности твердого раствора при различном термическом воздействии.

II

Системный подход и обобщение закономерностей структурообразова-ния и формирования физико-механических свойств, рассмотреных процессоЕ позволил нам выработать научно обоснованную концепцию улучшения структурного состояния и повышения комплекса механических свойств стальных изделийи разработать метод программной деформационно-термической обработки. Метод заключается в последовательном воздействии на обраба' ваемый материал по установленным закономерностям пластической деформацией, а также температуройв соответствующих временных интервалах. Такое регулирующее,комбинированное деформационно-термическое воздейств имеет своей целью,получение оптимального структурного состояния стале{ и сплавов, которое обеспечивает повышение уровня механических свойств, снижение степени анизотропии и достижение на этой основе повышения надежности, долговечности и нагруженности деталей машин.

Проведен сравнительный анализ физических процессов и структурны: превращений,протекающих при программной механико-термической обрабо и других существующих комбинированных методах обработки. Показано,ч: в цикле ПМТО программность предполагает комплексный учет и управлени основными деформационно-температурными и временными параметрами на физические процессы и структурные превращения (растворение карбидных фаз .равномерный их распад .плотность дислокаций и других несовершенств кристаллической решетки,субгеренная структура, размеры зерна,получени мартенситной.перлитной или промежуточной структуры). Это обеспечивает более однородное структурное состояние получаемых стальных изделий.

В физическом обосновании метода 1ЖЕ0 рассматривается влияние основных деформационных,температурных,скоростных и временных параметре на структурообразование и формирование механических свойств на приме трех марок сталей 45Х,20X13 и 08Х18НЕ0Т,представителей основных стру турных классов.

Сделана оценка дислокационного строения в условиях программного деформационно-термического воздействия на конструкционные перлитные, мартенситные и аустенитные стали. При этом установлено,что по сравнению с другими видами комбинированной обработки (ТМО),плотность дислокаций несколько ниже (р=0,6-1010 - 2,2-Ю10),но характер их распределения в объеме изделия более однородный.

Проведенный анализ показал, что ПДТО является одной из малочисленных возможностей повышения структурного совершенства поликристаллов благодаря равномерному перераспределению дислокаций на стадии пластического деформирования,и способствует созданию более однородной,терм: 12

динамически и механически устойчивой структуры сталей.

Предложены основные принципы разработки технологических процессов деформационно-термической обработки изделий из конструкционных сталей.

Выполненные исследования показали большие возможности программной дефорационно-термической обработки в деле улучшения всего комплекса физико-механических свойств изделий. Показано,что во всех случаях,где можно целенаправленно регулировать структуру и тонкое ее строение в результате горячей пластической деформации с применением соответствующей схемы механико-термической обработки, достигается специфическое структурное состояние и существенное улучшение комплекса механических свойств сталей.

Во второй главе проведен анализ процесса пластического деформирования при горячей объемной штамповке и изложены результаты исследования по влиянию основных технологических параметров процесса ПМТО на формирование физико-механических свойств конструкционных сталей.

Главной особенностью горячей деформации является то,что формообразование происходит при больших скоростях деформации (1СГ3-Юс-1) и высоких температурах Т > 0.5 Тяд. Пластическая обработка в этих условиях приводит к двум конкурирующим проце ссам: к деформационному упрочнению,и к деформационному разупрочнению,протекающим в процессе деформирования. Помимо этого,возможны структурные изменения,имеющие место сразу же после окончания деформирования или во время по еле деформационных пауз, которые отличаются по своему характеру от структурных изменений,протекающих в процессе самой деформации. Поскольку последеформаци-онные структурные изменения практически неизбежны,особенно для процессов горячей объемной штамповки, то поэтому их желательно учитывать и надежно прогнозировать.

Важными с точки зрения понимания и описания названных конкурирующих процессов,происходящих при горячей пластической обработке,являются закономерности изменения истинного напряжения течения от истинной деформации (диаграммы деформации) .Различные модели дислокационного взаимодействия, положенные в основу рассмотрения механизма деформационного упрочнения (Тейлор,Бассинский,Моттидр.) .приводят к одинаковому виду

зависимости между напряжением текучести и плотностью дислокаций т = 1 1 /?

гр . С увеличением степени деформации интенсивность упрочнения уменьшается,что соответствует зависимости дт/Зс = к.^1 .

Накапливающаяся в результате горячей пластической деформации эне-

13

ргия и которая связана с избыточной плотностью несовершенств «ристал лической решетки,и является движущей силой процессов разупрочнения. Развитие процессов разупрочнения определяет переход деформированной системы в более стабильное состояние »постепенно приближаясь к равновесному. Поскольку возникающие в ходе горячей пластической обработки структурные изменения непосредственно связаны с непрерывно изменяющимся сопротивлением деформации, то о характере этих изменений можно судить по виду и параметрам диаграмм деформации. На рис. I представлены диаграммы горячей деформации полученные сжатием образцов из стали 45Х (кривые 1-4) ,08Х18ШШ (кривые 5,6) при различных деформационно-тем-

0,1 0,2 0,3 0,5

Рис.1. Кривые зависимости напряжение-деформация.

I- ТД=850°С,2- ТД=Э50°С (¿=20%);3- ТД=850°С,4- ТД=Э50°С (¿=¿0%);

5- ТД=1000°С, 6- ТД=Ю50°С {£=4.0%).

Форма полученных диаграмм ^ отвечает общим закономерностям горячей деформации и отражает влияние процесса упрочнения и разупрочнения в условиях деформирования при повышенных температурах. Отсутствие экстремума на кривых 2 и 3,означает,что "усищах* ^уст^иая* 14

Анализ диаграмм (о- - с ) показал,что оптимальная степень деформации, с точки зрения создаваемой в процессе горячей обработки равноосной стабильной субзеренной структуры,должна соответствовать установившейся стадии пластической деформации и быть больше * . Минимальная

ш&Х

степень деформации О) должна быть при прочих равных условиях тем больше,чем ниже температура и выше скорость деформации. Снижение температуры деформациил." приводит к росту деформирующего напряжения (рис. I) .измельчению субзерен,меньшему их совершенству и,как следствие, меньшей устойчивости против развития статических процессов разупрочнения.

Показано,что в процессе ЩТО,регулированием величины последефор-мационнойпаузы,можно добиться более однородной структуры,благодаря протеканию процесса статической полигонизации горяченаклепанных объемов, уменьшению плотности дислокаций,совершенствованию субграниц,но с условием,что пря этом не получат своего развития процессы собирательной рекристаллизации.

Следовательно,опасными с точки зрения протекания процессов рекристаллизации являются не высокие температуры и скорости деформации, а обусловленная ими большая скорость процессов разупрочнения после горячей пластической деформации. Оптимальное структурное состояние при ПМТО може т быть до стигнуто, е они в проце ссе горячей пластиче ской обработки будем иметь субструктуру, соответствующую установившейся стадии деформации и при условии последующего ее сохранения в результате регламентированного охлаждения.

В главе определены основные параметры процесса ПМТО в условиях горячей объемной штамповки с использованием математического метода планирования эксперимента получены математические модели (регрессионные зависимости) отражающие влияние параметров С?д«тп.£ »т0Тд> £) на формирование комплекса механических свойств и структурообразовзние исследуемых сталей (45Х,20X13,08XI8H30T).

Получены следующие уравнения регрессии,адекватно описывающие результаты опытов при 5-ти процентном уровне значимости, в зависимости от скорости деформации (5-150 1/с).В случае штамповки при скорости деформации 150 1/с:

для стали 45Х

-02. = 1214+321д +I8,8rn-75tOTn+32t^n-7,0tfltOTn-I6rntOTn

8'4-°'4Уя-°'8тя*отп

v = 3I7+0,6t^2,3VWI,2tatOTn+Q,5,ntOTII

KCU = I270-60tfl+I40tOTn

для стали 20X13: -в = 1457+юагд-134^тп+102^отп-зидТ^ога

а02 = 1233+117^ -82WI03t^OTlf59t Д £ отп

6 = 14,4+0,7^-1,0^+1,^ +I.3Woin

KCU = 680-I88tOTn

для стали 08XI8HI0T

-в = 578 " 15тхг

-02 = 309 - 14 тп

а = 62,1+2,2t„+2,5т д

у =7Э,5+0,бгдтп

Уравнения,полученные при штамповке с меньшей скоростью деформации имеют аналогичный вид.

Анализ результатов исследования,отражающих взаимозависимости основных параметров процесса штамповки с применением ПМТО показал,что влияние их на получаемый уровень механических свойств исследуемых сталей неоднозначно.Так,для стали 45Х наибольшее влияние на прочнос-стные характеристики <, а^) ежазывают температура деформации и температура отпуска. Кроме того,при штамповке со скоростью деформации 150 1/с,снижение Тд приводит к уменьшению прочности,в то время как, при штамповке со скоростью деформации 5 1/с- приводит к ее возрастанию. Установлено также,что увеличение последеформационной выдержки от 20 до 40 с,равно как,и снижение скорости деформации при штамповке поковок из стали 45Х,обеспечивает достижение высокого комплекса механических свойств.

Для стали 20X13,наибольшее влияние на прочность оказывает температура деформации. Причем,еб повышение с 950 до Ю50°С вызывает рост характеристик прочности при штамповке во всем исследуемом иннтервале счкоростей. Рассматривая дифференцированно влияние температуры дефор-16

мации и отпуска на получаемый комплекс механических свойств поковок можно отметить,что температура деформации сильнее сказывается при штамповке с большими скоростями, а температура отпуска - при штамповке с малыш скоростями деформации. На характеристики пластичности (s,y) и ударную вязкость (KCU) по силе влияния,исследуемые параметры сказываются в следующейпоследовательности-ТОТ11,т11иТд. Повышение ТдиТотп в выбранных пределах, сопровождается увеличением отмеченных характеристик. Время подстуживания (тп),в пределах 20-30с,обеспечивает получение высоких показателей прочности и пластичности, а также исключает процесс собирательной рекристаллизации. Кроме того,установлено,что значение тп в интервале 20-30с является оптимальным.

Для сталей 08XI8HI0T,наибольший эффект упрочнения достигается при условии,если процесс деформирования будет осуществляться при низких Тд (iaoo°C) и малых значениях последеформационных пауз (20с).

На основании проведенных исследований процесса горячей объемной штамповки с применением ЦДТО были установлены рациональные режимы изготовления изделий из на исследуемых сталей,которые обеспечивают высокий комплекс механических свойств. Для скоростей деформации (¿=5-150 1 /с) .характерных применяемому на заводах кузнечно-шташовочному оборудованию, а также для степеней деформации 30-40% режимы ПМТО следующие:

для стали 45Х -тн=П50 - с,-^ ^-аос,/^ к? с,- .

для стали 20X13 - Т =I250±20°C, Tw= ЮОО^Ю^.т^ЗОс.Т^ =450±ltfb;

х1 Д 11 Ulli

для стали 08X18Ш ОТ - Т =I250±20°C, Т =100а±10оС,т=20с.

Ii Д Ii

Обобщенный анализ результатов механических испытаний и сравнение механических свойств поковок, изготовленных из исследуемых сталейпо режимамШТОи заводской технологии (ОТО) показал,что изделия,полученные по новой технологии обладают повышенными характеристиками прочности (^в.^ог^* Так,0в и °02 повышаются для стали 45Х на 47 и 70%,для стали 20X13 - на 57 и 64%,для стали 08XI8HI0T на 4-5% соответственно. При этом отмечено, что характеристики пластичности и ударной вязкости сохраняются на уровне технических требований.

Отмечено также ,что штамповка по установленным режимам при скорости деформации в пределах 5-1501 /с не вызывает существенного различия вупрочнении. Так, например, различие в значениях ов для изделий из стали 45Х составляет-3%,из стали20Х13 -0,5%,аиз стали 08XI8HI0T - 655. •

В главе дан анализ пластического формообразования и распре деления деформаций в объеме поковок при горячей штамповке с применением ПМТО.

17

Исследованы влияние режимов ПМТО на кинетику течения металла,неоднородность распределения деформации в объеме изделия, а также взаимозависимости неоднородности деформации с механиче скими свойствами, а такке с о структурой упрочненных заготовок,которые имеют важное значение для г нимания особенностейи технологических возможностей данного процесса. Формообразование изделий в условиях ПМТО представляет собой,в некоторой мере .процесс горячейпластической обработки труднодеформируемых сталей и сплавов в силу того, что пластическая деформация осуществляется при пониженных ,по сравнению с общепринятой заводской технологией, температурах.

Для численного описания изучаемых процессов применялся метод координатных сеток и результаты механических испытаний. Качественные показатели были получены путем макро- и микроструктурных исследований.

Одним из факторов,определяющим степень упрочнения при ПМТО в условиях горячей штамповки,является неоднородность деформации по объек поковки,т.е.наличие зон затрудненной деформации. С помощью современн го экспериментально-аналитического метода получены локальные значен! параметров деформированного состояния,установлен характер течения ме талла в продольных и поперечных сечениях поковки для оптимальных степеней деформаций (30-40%) при штамповке по технологии ПМТО и ОТО.

Для проведения экспериментов использовались стальные,специально подготовленные исходные заготовки, состоявшие из отдельных частей,на поверхность которых наносилась координатная сетка. В зависимости от исследуемого сечения поковки,координатная сетка наносилась на диамет ральную или меридиальную плоскость заготовки т.е.координатные сетки наносились внутри объема исследуемых тел в плоскости действия главньс напряжений.

Применение таких заготовок позволило изучить распределение деформаций в продольных и поперечных сечениях натурных,стальных поковок при изготовлении их в заводских условиях.

Расчет локальных деформаций производили по изменению размеров ячеек круглой координатной сетки:

й1

-продольная деформация сл = 1п -р (7)

-поперечная деформация 1п (8),

о

где а0 - диаметр начальной окружности сетки; сЦ - большая ось эллипса; й^ - малая ось эллипса. 18

Наиболее полно деформированное состояние материала характеризуется интенсивностью деформации. Величину интенсивности деформации рассчитывали по формуле:

£ • —

? ? + +

О)

Среднее значение логарифмической деформации определяли по форму-

ле:

Г) = 1п

(10),где р-площадь поперечного сечения заготов-

ки; г - площадь поперечного сечения поковки.

Изменение формы и размеров ячеек сетки достаточно отчетливо показывает зоны с резко различной степенью деформации. По результатам экспериментов для более полного представления о распределении локальных деформаций был сделан аналитический расчет координатных сеток и построены объемные диаграммы интенсивности деформаций по которым можно судить о макро- и микроструктуре, а также механических свойствах изделия в различных направлениях и,которые могут быть использованы при разработке технологии. На рис. 2 приведены объемные диаграммы распределения интенсивности деформаций в поперечных сечениях поковки. На диаграммах локальные объемы и соответствующие им деформации обозначены номерами ячеек .которым они соответствуют. " - £>

Рис.2. Объемные диаграммы распределения интенсивности деформаций в сечениях с разной степенью деформации. а)-^=30%;б)-е=40%.

Используя метод координатной сетки и макроскопический анализ шлифов поковок были определены очаги интенсивной пластической деформации. Как было установлено .штамповка в условиях ПМТО способствует увеличению очага деформации, так как интенсивнее заполнение гравюры штампа происходит при более низких Тд. Это объясняется тем,что сталь при понижен-

19

ных температурах обладав т вязкими свойствами в меньшей степени, чем при повышенныхи,в этом смысле, ближе соответствует модели жестко-пластического тела, для которого из двух возможных направлений пластическая деформация развивается по тому,которое требуетменьшего усилия. Увеличение очага пластической деформации приводит к уменьшению зон затрудненной деформации и повышению равномерности деформаций по сечению.

Изучение характера течения металла в поперечных сечениях позволили нам определить величину распространения очага пластической деформг ции. На рис.3 показаны макрошлифы поковок изготовленных по заводской новой технологии.

а) - б)

Рис.3. Форма и размеры очага пластической деформации при штамповке по заводской технологии (а) и технологии ГШТО (б).

Принимая сфериче скую форму очага пластической деформации,наш бы-уточнена зависимость отношения высоты очага деформации (Н0) к высоте облойной канавки (Нд) от диаметра поковки (Бд) при доштамповке. Получена зависимость: ,

Н0/Нз= 1+0,74 Сд/Нд (II),

которая в отличие от работ Е.И.Семенова, М.В.Сторожева и др.,дает нес колько отличную картину изменения объема пластической деформации на стадии доштамповки при отношении сп/Н3=15. Это позволили ввести коррективы в расчетные формулы необходимых технологических усилий горячей объемной штамповки поковок с применением ПМТО.

Снижение неоднородности деформации приводит к более однородному распределению механических свойств в объеме поковки. Установлено,что штамповка поковок по новой технологии на кривошипных горячештамповоч-ных прессах (КГШП), в отличие от штамповки на молотах сопровождается более однородным распределением деформации и механических свойств в изделии. Показано также, что неравномерность деформации (п = ствах~ ет1п) в сечении поковки,отштампованной с с=30£ниже ,по сравнению с таким же сечением,но обжатом с е-40%. Так,для поковок изготовленных штамповкой с применением ПМТО в сечениях со степенью деформации 30% 20

изменяется от значения 0,1 до 1,44, а для сечений с £=30% ¿^изменяется от 0,14 до 0,94. В продольных сечениях для соответствующих степеней обжатия п составляет 0,73 и 0,23.

Показано,что к более равномерному распределению деформации в поковке приводит предварительное фасонирование исходной заготовки. К такому же эффекту приводит штамповка с применением нескольких ручьев (дробность деформации).

В результате математической обработки экспериментальных данных распределения деформаций и твердости в сечениях поковки получены зависимости £±от степени обжатия и относительной глубины деформированного слоя поковки (1г/й) .которые дают возможность оценивать в различных сечениях изделий,изготовленных штамповкой с применением ПМТО.

Получены также регрессионные зависимости твердости (НУ ) и от с±,которые дают возможность предварительнойоценки распределения прочности в изделиях при изготовлении их штамповкой поковок на универсальном кузнечно-штамповочном оборудовании. Установлено также, что для достижения высокого комплекса механиче ских свойств изделий из конструкционных сталей при ПМТО деформацию необходимо производить со степенями 20-40%. Увеличение степени деформации до 60% и более приводит к снижению однородности деформации и прочностных свойств.

Изучение распределения твердости в поперечных сечениях имеющих степень деформации 30-40% и изготовленных по режимам ШТО, показ ало незначительное снижение твердости в центре по отношению "периферии. Так, для сталей 45Х,20X13,08Х18Н10Т разница между твердостью в центре и периферией соответственно составляет 5-7%,3-53& и 10-13%.

В третьей главе представлены результаты исследований по влиянию ШТО на структурообразование различных по составу конструкционных сталей. Так как структура металлического материала предопределяет его свойства,то первоначально оценку влияния ШТО на обрабатываемые материалы осуществляли по структурным изменениям от различных режимов.

Изучение структурных превращений в исследуемых сталях производилось путем сопоставления и анализа микроструктур,образующихся при различных режимах обработки.

Микроструктурные исследования сталей 45Х,20X13 и 08Х18Ш0Т позволили выявить влияние деформационно-термических параметров на структуру и механические свойства. При этом обнаружено,что при штамповке с применением ПМТО по сравнению с обработкойпо заводской технологии элементы тонкой структуры имеют меньше размеры, а зеренная структура

21

получается более дисперсной. Тан,при изготовлении поковок из стали 45Хразмер блоков (D) при ПМТО составляет 24* ICf 6см, а при ОТО - 28 •10"6см. Зеренная структура аустенита по сравнению с обработкой по ОТО измельчается в 4 раза. Для изделий из стали 20X13 величина блоков при ПМТО равна 18,1 "Ю~6см, а при ОТО - 23" Ю~6см. При этом зеренная структура в 3 раза мельче ,чем при ОТО. Кроме того, обработка сталей по режимам ПМТО приводит к более равномерному измельченю зерен с образованием равноосных зерен вследствие протекания процесса рекристаллизации. Установлено также ,что штамповка поковок по режимам ПМТО со скоростью деформации 5 с-1 способствует получению структуры более однородной и более дисперсной по сравнению со штамповкой со скоростью деформации 150 с-1. На рис. 4 показана микроструктура стали 45Х полученная при различных обработках.

а) б) в)

Рис. 4. Микроструктура стали 45Х. Эле тронные микрофотографии.х8000. Штамповка по ОТО (а) и технологии ПМТО на молоте (б),КЛИП-(в).

Отмечено,что получаемое в результате ПМТО горячедеформированное структурное состояние является боле устойчивым. Даже при повторных ] гревах, связанных с высокотемпературным отпуском,сохраняется достатс высокая прочность сталей.

Проведенные исследования позволили установить,что обработка по технологии ПМТО приводит к измельчению субструктуры мартенсита,увел чению плотности несовершенств кристаллического строения и более рав

рас.

мерномуУвределению упрочняющей фазы.

Изучдно влияние параметров ПМТО на процесс рекристаллизации сталей. При рекристаллизации плотность дислокаций и создаваемые ими искажения решетки максимальны в исходном состоянии (в горячедеформирован-ном аустените) и убывают по мере протекания процесса. Формирование центров рекристаллизации связано с перераспределением дислокаций. Перераспределение дислокаций и формирование зародышей рекристаллизации зависит от развития термически активируемых процессов. При рекристаллизации, проходящей непосредственно после горячей деформации,наиболее вероятным является механизм формирования центров кристаллизации путем козлесценций субзерен,образовавшихся в процессе деформации. При этом, начальная стадия формирования центров рекристаллизации не вызывает существенного ухудшения свойств созданных при ДТО. Показано, что выбранные режимы нагрева и горячей деформации при ре ализации ПМТО неограничивают прохождение начальной стадии роста центров рекристаллизации. В результате исследований получена диаграмма «отражающая зависимость среднего размера зерна от основных параметров процесса,представленная на рис.5. Следует отметить,что получаемое мелкое зерено в результате данной обработки имеет равноосную (округлую) форму, т. е. коэффициент формы зерна (К~) близок к единице.

1100 75. ^

Рис.5.Зависимость среднего размера зерна от температуры деформации и времени после-деформационной паузы.

/¡7 ¿а >о <<о с*, с

Сделана оценка образования разнозернистости и огрубления структуры изделий получаемых в результате ЩТО. Используя критерий оценки разнозернистости структуры: 2 п ег

вср = —Я™ ' <12)

где - число зерен данного размера вк; и - общее число замеренных зерен всех размеров, Расчет критерия количественной оценки разнозернистости структуры (12) получаемой в результате ОТО и 1МГ0 показал,что для изделий получаемых штамповкой с применением ПМТО характерной является

23

равновеликая структура. Результаты экспериментов я расчетов позволили построить диаграмму формирования зеренных структур в зависимости от параметров проце сса штамповки с применением 1МР0. На рис. 6 представлена данная диаграмма.

Рис.6.Диаграмма структур,получаемых при различных обработках.

Четвертая глава посвящена анализу физико-механических свойств з готовок и деталей получаемых горячей объемной штамповкой с применен! ем ШТО. Рассматривая причины "деградации" свойств металлических из; лий,показана положительная роль ШТО в устойчивости свойств изделий, повышении их работоспособности,надежности и долговечности.

Приведены результаты исследований по влиянию ШТО на анизотрошн свойств изделий изготовленных из конструкционных сталей. В таблице I приведены результаты механических испытаний образцов,вырезанных из I ковок,изготовленных по оптимальным режимам технологии ШТО.

Исследовано влияние ПМТО на деформационную способность,склоннос к хрупкому разрушению,а также на устойчивость структурного состояние стальных изделий. Установлено,что одной из примечательных особенное:: новой технологии является совместность улучшения прочностных и пласти-

Таблица I.

Механические свойства поковок после ПИТО.

J6 п/п св,МПа о-02,мпа кси,кДж/м2 Место вырезки образцов

Сталь 45Х

I 750 450 21,0 61,0 896 поперек

770 461 22,0 65,0 960 вдоль

2 680 330 21,8 50,0 880 поперек

750 350 27,2 Сталь 57,0 40Х 1000 вдоль

3 1029 860 16,7 48,4 560 поперек

1050 925 16,5 52,0 560 вдоль

4 925 720 20,5 61,9 990 поперек

941 740 21,0 62,5 1360 вдоль

Примечание: Режимы 2,4 соответствуют ОТО.

ческих свойств .т.е. данная обработка приводит к заметному улучшению всего комплекса механических свойств изделий. Выявлены зависимости параметров ПМТО на уровень локальных напряжений. Отмечено, что получаемый при этом меньший уровень и более легкая релаксация пиковых напряжений обуславливают высокую сопротивляемость распространению трещины в сталях. Кроме того,производилась оценка влияния скорости деформации при штамповке с применением ЩТО на порог хладноломкости (Т50) .работу зарождения (а3) и распространение трещины (Эр). Установлено, что при общем снижении порога хладноомкости изделий,подвергнутых ПМТО,штамповка с малыми скоростями деформации несколько снижает порог хладноломкости с Т50=-60°С до Т50=-70°С. Показано также, что с увеличением скорости деформации снижав тся работа заровдения трещины. Так ,при штамповке поковок из стали 45Х на молоте работа зарождения (а3) равна 170 кДж/м2 при штамповке на КГШП - 400 кДж/м2. а работа распространения трещины (Эр) соответственно ар=П90 кДж/м2 и Зр=400 кДж/м2.

Большим преимуществом ПМТО,является то,что после данной обработки имеет место эффект наследования субструктуры (которая образовалась в результате данной обработки,так и соответствующего высокого комплекса механических свойств) после повторной фазовой перекристаллизации. Проведенные исследования позволили установить,что для обработанных

25

сталей по режимам ПМТО, после повторной закалки и высокого отпуска сохраняется достигнутый комплекс механических свойств. В таблице 2 приведены результаты механических испытаний образцов вырезанных из ггоков<

Таблица 2.

Механические свойства исследуемых сталей

А Марка п/п стали Режим обработки 102. "в МПа 6 % кси кДж/М^

I 45Х ПМТО 1278 1403 7,7 32,2 1090

ПМТ0+3.0. ЮЭ2 1252 11,5 33,1 972

2 20X13 ПМТО 1383 1568 14,3 50,0 673

ПМТО+В.О. 1071 1202 15,4 52,2 563

ПМТО 355 530 46,0 69,0 2980

3 08Х18Н10Т ШТСН-3. 432 560 47,0 76,0 2900

Итак,положительное влияние ПМТО на устойчивость структуры и свойств исследуемых сталей,определяется структурной и фазовой однородностью обрабатываемого материала »которая способствует снижению внутренне! энергии системы и повышает устойчивость металла по отношению к возврату и в большей степени к рекристаллизации.

Для реализации ПМТО важное значение приобретает взаимообусловленное соответствие технологических параметров процесса. В частности,от правильного выбора и определения температуры начала деформации в значительной степени зависит эффект упрочнения,производительность и качество изделий. В условиях промышленного производства, а также при частой смене штампуемых паковок, более проще и точнее можно определить температуру начала деформации расчетным путем с использованием номограмм. В работе получены номограммы в безразмерных координатах: относительная температура - время. Такая номограмма позволяет определять температуру начала штамповки по времени.

В главе приведена методика и алгоритм расчета температурных полей при охлаждении поковок .основанный на решении ди$фзренвдонального уравнения теплопроводности численным методом. Расчет температурим шлей осуществляли на ЭВМ по специально разработанной программе. Полученные расчетные кривые охлазвдения сердцевины и поверхности для изделий различного поперечного сечения из исследуемых сталей при закалке в различных средах и показывают влияние размеров тела на темп охлаждения. Полученные кривые охлаждения,нанесенные на термокинетические 26

диаграммы распада аустенита для определенных сталей, дают практическую возможность использование подобных диаграмм для оценки влияния скорости охлаждения (прогноза) на формирование структуры и свойств стальных изделий в зависимости от размеров поперечного сечения.

Пятая_глава посвящена практике реализации технологии штамповки тоновок,отработке режимов ЦЦТО,а также особенностям разработки техно-погических процессов изготовления изделий на ряде машиностроительных заводов.

К объективным трудностям,которые сдерживают внедрение предлагаемо: технологий упрочняющей обработки, относятся в первую очередь отсутствие спе-циальных охлаждающих устройств,которые обеспечивали бы достижение необходимых условий охлаждения и в связи с этим стабильных свойств заготовок в условиях промышленного производства. Кроме того, зозникает проблема с механической обработкой упрочненных заготовок, зок,связанная с повышенной их твердостью и прочностью,что сказывается на стойкости режущего инструмента.

Вместе с тем,изготовление поковок горячей объемной штамповкой связано также с большим разнообразием и сложностью конфигурации, с на-шчием участков,имеющих разную степень деформации, с различной продолжительностью процесса пластического формообразования и т.п.

В данной главе приводится комплекс исследований и разработок нап-савленных на решение перечисленных вопросов. Разработана конструкция )Хлавдающего устройства,которая обеспечивает реализацию процесса госячей объемной штамповки с применением ШТО в условиях существующих сузнечно-штамповочных цехов. Охлавдащее устройство является автоном-шм,позволяет охлаждать поковки массой до в кг при производительности до 600 кг/час. Применение разработанного устройства обеспечивает ¡олев благоприятный режим охлаждения,который принципиально отличает-!Я от режима охлаждения в закалочном баке (емкости). Вследствии раз-селения общего цикла охлаждения поковок на отдельные стадии, достигае-■ся стабильность получаемых свойств изделий.

Проведены исследования обрабатываемости упрочненных поковок из ;тали 40ХС и 40Х,идущих на изготовление деталей трактора "Кировец". гстановлено,что стойкость режущего инструмента с геометрией соответ-■.твующей общепринятой на заводе для обработки данных заготовок не снимется. Так,при обработке поковок изготовленных по заводской технологи стойкость инструмента составляет 30-35 мин,а при обработке упроченных - 38-40 мин. Отмечено также,что использование режущего инстру-

27

мента с геометрией отличной от заводской увеличивает его стойкость.

Опытно-промышленное опробование технологии штамповки с примэне] ем ПМТО проведено на различных поковках из разных сталей по установленным оптимальным режимам. Результаты механических испытаний обраг цов вырезанных из поковок прошедших ШТО приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Механические свойства поковок,изготовленных по режимам ПМТО.

* Наименование Марка п/п поковки стали

Жа_

Механические свойства

6 ц>

кси

I

2

4

5

6

8

1 Винт стяжной 45 ■

2 Винт стяжной 45Х

3 Серьга 45Х

4 Рычаг 45

5 Рычаг тормоза " ' 45Х

6 Рычаг тормоза 45

7 Вилка скользящая 40ХС

8 Сошка 40Х

Э Рычаг поворот. 40Х кулака

10 Вал карданный 40ХС

11 Вилка

12 Палец

13 Вилка 28

I2X2H4A I8X2H4B 40ХН2МА

838 950 868 960 1000 ИЗО 750 1000 870 1002 848 965

925 1052 890 . Г060 790 986 929 . 991 900 920 895 932 1000 ИЗО

550 861 681 840 903 1020 480 902

670 830

575 856

720 ■934 781 990 771 925 716 800 680 750 700 764 850 974

23,3

19.0 22,2

20,3 9,6 10,7

17.2

13.1 22,3

18.3 24,0

19.4 20,5

52,2 50,8 61,2 60,0

45.2 37,1 61,0

44.3 61,1

60,8

53,2 53,0 61,2.

16,5 52,5

12.4 58,7

17.5 52,7 11,5 58,0

13,5 49,0

20.5 61,9 18,3 61,9

12,9 77,0 11,0 70,0 13,0 68,2 11,9 70,0 12,0 55,0

10.6 51,0

730 1160

1380 1530 570 880 840 1340

1390 1480 820 1120 990 600 1340 1060 1220 1100

990 1239 800 IQQQ 795 998 I0IG 1625

Продолжение таблицы 3.

I 2 3 4 5 6 7 8

14 Тройник 20 624 473 17,9 50,3 660

714 520 16,8 40,0 579

15 Тройник 08Х18Ш0Т 578 288 30,2 62,8 2650

791 602 32,1 43,0 2600

Примечание: в числителе даны значения свойств после изготовления заводской технологии,а в знаменателе -после ПМТО.

Далее в работе для изделий из аустенитных сталей был опробован разработанный процесс штамповки с применением комбинированной обработки (ПМТО+ЩФП). Изготовление поковки ("тройник") из стали 08Х18НЮТ, массой 0,3 кг по данной технологии,обеспечивает следующие механические свойства по режимам ПМТО: 6110 МПа, с02= 2960 МПа, <5 = 62,ЗЖ, V = 82%; МЦФП: о = 6100 МПа, <?ог= 3060 МПа, <5 = 80,555, V - 82%, ПМТ0+ МЦФП: 6800 МПа, <?02= 3800 МПа, <5 = 78,5%, у = 81%; ОТО: <?в=5780

МПа, »02= 2900 МПа, <5 = 62%, у = 80%. Данный технологический процесс получения поковок из аустенитных сталей повышает & на 12%,а на 31% по сравнению ОТО,чего нельзя достичь раздельным применением ПМТО или МЦФП.

В заключительном разделе главы приведена методика и основные рекомендации по разработке технологических процессов изготовления стальных изделий горячей объемной штамповкой с применением ПМТО.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

I. Исследована природа и кинетика высокотемпературных фазовых и структурных превращений,оценено дислокационное строение в условиях программного временного деформационно-термического воздействия на конструкционные перлитные,мартенситные и аустенитные стали и сплавы. При этом установлены основные закономерности механизмов деформирования и упрочнения металлов в режиме деформационно-термической обработки. В результате реализации этих механизмов в сталях и сплавах формируется особая микроструктура,характерным для которой является относительная локальная однородность рекристаллизации и пластического деформзрова-

29

ния приводящие к получению равноосной мелкозернистой структура,равн мерному распределению дислокаций »карбидных и интерметаллидных фаз. Зтс обеспечивает не телько значительное увеличение прочностных и пластических свойств,но и повышение работоспособности изделий.

2. Разработаны научные основы процессов структурообразоваяия (суб- и,микроструктуры) происходящих при горячейпластической деформации в цикле ПМТО) конструкционных сталей. Это позволяет целенаправленно регулировать (программировать) повышение всего комплекса механических свойств стальных изделий,которые характеризуются однородностью^ изотропностью свойств.

Формирование мелкозернистой структуры динамической рекристаллизацией с повышением плотности и равномерным распределением дислокаций при ПМТО является основным механизмом повышения прочностных и пластических свойств исследуемых сталей.

3. Проведены исследования физико-механических свойств и структу; ных изменений кристаллических тел в процессе ипосле ПМТО,которые выявили следующие основные механизмы,ответственные за улучшение структурного состояния и повышение комплекса свойств материалов. Уствновленс что при ПМТО происходит снижение общей плотности подвижных дислокаций благодаря их переходу на границы раздела и взаимодействию с точечными дефектами,их комплексами,и друг с другом,а также перераспределе дислокаций в местах их скоплений и релаксация напряжений в области структурной и фазовой неоднородностей вследствие протекания микросдвиговых и диффузионных процессов.

Рентгеноструктурным анализом подтверждается,что процессы перера пределения дефектов кристаллического строения в энергетически выгода положения уменьшает внутреннюю энергию системы и способствует образе ванию более "тонкой" блочной структуры и более равномерному распреде лению дислокаций. Поэтому в результате ПМТО материалы обладают более однородной структурой,харатеризуются снижением анизотропии,повышение! сопротивления деформированию, сочетанием высокой прочности и пластичности,а также устойчивостью полученной суб-,микроструктуры и механических свойств при повторных нагревах и теплосменах.

4. Теоретические и экспериментальные данные исследований влияния температуры нагрева и деформирования, скорости деформации, времени пос-ледеформационной паузы, а также режимов отпуска на формирование искажений кристаллической структуры,суб- и микроструктуры,на изменение дис персности структуры при ПМТО позволяют утверждать,что основную роль 30

упрочнении играют диффузионные и рекристаллизационные процессы (дисло-кашонно-субструктурное и диффузионно-дислокационное упрочнение). Благоприятными условиями для проявления дислокашонно-субструктурного механизма упрочнения являются относительно низкие температуры и высокие скорости деформирования, в то время как диффузионно-дислокационный механизм упрочнения в большей степени проявляется при малых скоростях деформирования и наличия в объеме тела неравновесной концентрации точечных дефектов.

5. На основании теоретических и экспериментальных исследований разово-структурных превращений зависящих от деформационно-термиче ских тараметров процесса пластической деформации, сформулированы научные предпосылки создания двух новых видов деформационно-термической обработки металлов я сплавов (ПМТО и ПМТО + МЦФП). Разработана классифи-*ация методов деформационно-термической обработки и технологических схем горячей объемной штамповки с применением ПМТО. Эта классификация учитывает особенности,различия и ограничения в условиях изготовления /прочненных поковок и дае т возможность выбора суще ствуюцих и создания ювых технологий, а также правильно учитывать имеющиеся ограничения по деформационно-температурнымпараметрампроцесса,которые обусловлены техническими возможностями их практической реализации.

6. Изучена взаимозависимость единства структурных уровней (макро-5 микроструктуры,субмикроструктуры.дислокационной структуры) с комп-изксомфизико-механических свойств изделий из ряда конструкционных •■талей обработанных горячей пластической деформацией. Решена задача лггимизации технологических операций при деформационно-термической об->аботке на основе программного деформационно-термического воздейстия

га обрабатываемый материал. Это позволило получить математические мо-годели процесса и разработать рациональные режимы,позволяющие целена-гравленно изменять структуру и свойства изготовляемых стальных изде-ий. Показано также,что реализация данной технологии позволяет полу-ить высокий комплекс механических свойствиболее однородное их рас-ре деление в объеме изделия.

7. Изучены факторы влияющие на кинетику рекристаллизации в усло-иях ПМТО,что позволило выявить и дать объяснение отрицательным явлении связанным с разнозернистостью, часто встречающимся в рекристалли-ованных горяче деформированных металлических материалах.Подтверждено, то одной из основных причин образования разнозернистости структуры, вляется неравномерность деформации,т.е. ее локализация,вызывающая

31

разные скорости зарождения и роста зерен в различных объемах изделия. В случае горячей деформации, процесс формообразования необходимо заканчивать при температурах,которые бы обеспечивали образование зародашей рекристаллизации еще до момента интенсивного охлаждения (закалки) металла . При этом условии обеспечивается равномерный распад твердого раствора и, как следствие, получение однородной мелкозернистой структуры

8.Изучена взаимозависимость параметров и свойств деталей после ПМ'ГОс деформационной способностью. Полученные данные показывают,что в условиях деформирования металлов в режимах ПМТО наблюдается повышенная пластичность .обусловленная меньшей интенсивностью межзеренного проска льзывания из-за возросшей способности микроскопической деформации.

9. Изучена кинетика течения металла ,в частности,определено влияние температуры,скоростии степени деформациина однородность распределения деформаций и механических свойств в сечениях изделия получен ных горячей штамповкой с применением ШТО. Установлено, что уровень получаемых механических свойств существенно зависит от условий протека-протекания пластической деформации. Показано также, что более однородного деформированного состояния при штамповке можно достичь при лони-нижэнных скоростях и температурах деформации. Этому же способствует дробность деформации, а также фасонирование исходных заготовок.

10. Разработан и исследован новый процесс многократной деформацк онно-термической обработки. При такой обработке микроструктура измельчается до 8-9 баллов,существенно повышается однородность распределения карбидных фаз. Данная технология позволяет повысить прочностные свойства,например,изделий из аустенитных сталей <=<в на 14-17%,на 24-32%.

11. Разработана методика расчетного определения температур начала деформации при ПМТО. Получена номограмма,позволяющая по времени определять температуру деформации при штамповке исходных заготовок из конструкционных сталей диаметром от 32 до 75 мм и длиной 55-280 мм. Использование номограмм,представляющих графические зависимости температуры от времени выдержки,позволяет более просто и надежно определя-ять момент начала штамповки. Приведена методика расчета температурных полей в сечении обрабатываемых изделий из различных сталей. Совмещение расчетных кривых охлаждения .полученных для заготовок с различными поперечными сечениями из разных сталей, с термокинетическими диаграммами распада аустенита позволяет прогнозировать формирование получаемой структуры механических свойств изделий.

32

12. В работе предложена методика я рекомендации по разработке промышленных технологий изготовления упрочняемых заготовок горячей объемной штамповкой по режимам ПМТО. Приведены результаты промышленного опробования и внедрения на ряде предприятий: А00 "Кировский завод", АО "Звезда",Львовский завод автопогрузчиков,АО "КрасныйОктябрь", Трансмаш.ПКФ "Металлист" .Львовский автозавод,Каменецк-Подольский завод сельхозмашин и др. Практика подтвердила высокую технико-экономическую эффективность новых технологий.

13. На основании выполненных исследований развит инженерный подход к решению задач нового перспективного научно-практического направления упрочняющей деформационно-термической обработки металлов и сплавов,позволяющей существенно улучшить физико-механические и другие свойства стальных изделий. На этой базе знаний и полученных результатов могут успешно решаться многие конкретные научно-технические проблемы, например, повышение надежности,долговечности машин,нагруженности конструкций и других изделий.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах,опубликованных соискателем:

I .Атрошенко А.П. .Радкевич М.М. и др./В сб.-Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных,жаропрочных и инструментальных сталей сплавов. ЛДНСП.Л.: 1977.с.79-81.

2.Атрошенко А.П.,Радаевич М.М. .Седельников Е.П.,Спирин В.д. совершенствование технологии горячей штамповки и повышение качества и механических свойств поковок. В кн. :Качество и эффективность при листовой и объемной штамповке.М.1977.с. 163-168.

3. Атрошенко А.П. .Радкевич М.М.,Спирин В.Д.,Берлет Ю.Н. Влияние параметров ВТМО на механиче ские свойства конструкционных сталей .В кн.: Повышение качества .надежности и долговечности изделий из конструкционных,жаропрочных и инструментальных сталей. Л Л977. с. 79-81.

4. Атрошенко А.П. .РадкевичМ.М. .СпиринВ.Д.Повышение прочностии надежности деталей карданной группы трактора "Кировец" .//В кн.: Повышение качества .надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных и инструментальных сталей и сплавов.Л.: 1978.с.56-60.

5. Атрошенко А.П. .Радкевич М.М. Исследование штамповки поковок с вытянутой осью на молотах с применением ТМО.//Кузнечно-штамповочяое производство. 1978. 13. с.4-6.

6. Атрошенко А.П..Радкевич М.М.,Леви A.M. Высокотемпературная термомеханическая обработка поковок из легированных сталей. В кн.:До-

33

вшение качества .надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных и инструментальных сталей.Л.1979.с.32-34.

7. Атрошенко А.П.,Богоявленский К.Н..Радкевич М.М. Применение ВТМО при изготовлении поковок штамповкой в открытых штампах.//Труды ЛШ. 1980. J8380. с. 48-52..

8.Радкевич М.М.Метод комбинированной упрочнящей обработки.В кн. Термоциклическая обработка металлических материалов.Л. :Наука. 1980. с.£

Э.Атрошенко А.П. .РадкевичМ.М. .СпиринВ.Д. Повышение прочности деталей машин высокотемпературной термомеханической обработкой. //Вестник машиностроения.1980.МО.с.63-35.

10.Радкевич М.М. Упрочнение легированных сталей с применением высокотемпературной термомеханической обрботки. //Труды ЛПИ. 1981. J6 379.с.70-73.

II .Атрошенко А.П. .РадкевичМ.М. Высокотемпературная термомеханическая обработка-резерв повышения механических свойств и экономии металла.В кн. :Пути повышения эффективности кузнечно-штамповочного производства .Л Л982.с.46-50.

12. Радкевич М.М. Исследование влияния комбинированной обработки на структура и свойства сталей. В кн.:Термоциклическая обработка металлических изделий.Л.1982.с.28-31.

13. Атрошенко А.П.,Радкевич М.М.,Бараяков 0. И.Экспериментально-расчетшй метод определения температуры начала деформации при горячей штамповке. //НШ.Л8 Л 982. с .35-39.

14. Радкевич М.М. Упрочнение углеродистых и легированных сталей при штамповке в открытых штампах с применением ВТМО.//Вестник машиностроения. 1985.#5. с.18-21.

15. РадкеЕич М.М.,Радкевич Е.В. Механическая обработка термоуп-рочненных поковок.//Машиностроитель..1986.с. 19-21.

IS.Radlievitch М.М. Tratamento tertnico das pe<jas eetampadas. Ill as Jomadas de Sngenharia e Cierujias de Mozambique. Commtieagoes. Tomo 1 .Maputo.1988. p 15-18.

17.Радкевич М.М. Некоторые особенности механизма упрочнения сталей при ВТМО. // В кн. :Повышение производительности и качества обработки изделий электрофизическими и комбинированными методами. Санкт-Петербург. 1992. с.41-47.

18.Радкевич М.М. Влияние параметров высокотемпературной термомеханической обработки на упрочнение легированных сталей.//Вестник машиностроения .I993.№ 10.с.37-40.

19.Радкевич М.М. ПДТО стальных изделий. Вкн. :Новые технологиив машиностроении. Харьков. 1994.с.225-226.

2-0. Радкевич М.М. Программное термомеханическое упрочнение сталей при горячей штамповке. Вкн.: Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении. Рыбинск.1994. С.47-48.

21. Радкевич М.М. Программное механико-термическое упрочнение изделий из конструкционных сталей. В кн.:Вычислительная техника,автоматика,радиоэлектроника. (Обеспечение производственных процессов). С.Петербург .I994.с.85-91.

22. Радкевич М.М. Технология дефорлационно-термической обработки сталей. В кн. :Современные материалы,оборудование и технология упрочнения и восстановления деталей машин. Новополоцк.1995.с.93-Э5.

23. Радкевич М.М. Классификация схем технологических процессов изготовления поковок с применением ВТМО. Вестник машиностроения.Хв. 1995.с.30-33.

24. Радкевич М.М. Особенности пластического формообразования при штамповке в условиях ДТО. В ген. :Вычислительная техника, автоматика, ра-диоэлетроника. С.-Петербург.1995.с.62-67.

25. Радкевич М.М. Влияние скорости деформирования на процессы формообразования структуры и механических свойств сталей при ДТО. В кн.:Вычислительная техника,автоматика,радиоэлектроника. (Обеспечение производственных процессов).С.-Петербург.1995 с.67-71.

26. Радкевич М.М. Улучшение комплекса механических свойств изделий путем программной механико-термической обработки. В кн. :Перспек-тивные технологические процессы обработки материалов (электрофизические и комбинированные методы). С.П.1995. с.34-37.

27. Радкевич М.М. Улучшение физико-механических свойств стальных изделий. В кн. :Наукоемкие инновационные технологии для России.Часть I. 1995.С.42-44.

28.Радкевич М.М.Проблемы улучшения комплекса механических свойств металлических изделий при ДТО. Труда СПбГТУ.//Управление технологическими системами".$455.1995. с.21-24.

29.РадкевдоМ.М.Физико-технологические основыупрочнящей ПМТО. В кн. перспективные технологические процессы обработки материалов.С.П. 1995. с.54-58.

30.Радкевич М.М. Регулирование структуры и механических свойств изделий путем ПМТО. В кн. перспективные технологические процессы обработки материалов.С.П.1995.с.107-110.