автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение эффективности технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе совершенствования процесса равноканального углового прессования

На правах рукописи

ОВЕЧКИН ЛЕОНИД МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

Специальность 05.02.09 -«Технологии и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАР ш

Москва 2012

005013185

005013185

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сосенушкин Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шестаков Николай Александрович ФГБОУ ВПО «МГИУ»

кандидат технических наук, доцент Лисунец Николай Леонидович НИТУ МИСиС

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «УГАТУ» г. Уфа

Защита диссертации состоится « 17 » апреля 2012 года в $ часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.142.01 в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим выслать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан « 16 » марта 2012 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.01

Волосова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях техники существует потребность в конструкционных материалах, обладающих комплексом повышенных прочностных свойств наряду с малой массой. Традиционные технологии, направленные на упрочнение материалов, позволяют в большинстве своем производить проработку структуры с целью повышения прочностных свойств не полностью. В связи с этим возникает необходимость применения технологии, позволяющей осуществлять проработку структуры по всему объему заготовки.

По результатам теоретических исследований, перспективными технологиями, направленными на увеличение прочностных свойств металлов и сплавов на основе алюминия, меди, титана, а также на получение ультрамелкозернистой, а в пределе и наноструктуры, являются технологии, основанные на методах интенсивной пластической деформации.

Равноканальное угловое прессование,, как разновидность методов интенсивной пластической деформации, подразумевает продавливание исходной заготовки через пересекающиеся каналы равного поперечного сечения. В результате осуществления цикла сдвиговой деформации эффективно дробится структура по объему обрабатываемой заготовки. При этом поперечное сечение заготовки во входном и выходном каналах остается постоянным.

Наряду с теоретическими исследованиями структур и свойств металлов после равноканального углового прессования, при рассмотрении данной технологии с практической точки зрения стоит отметить недостаточный объем технологических исследований, направленных на экспериментальную реализацию процесса. При осуществлении процесса равноканального углового прессования особое внимание следует уделять выявлению особенностей напряженно-деформированного состояния и кинематики течения металла в канале матрицы, а также влияния на них геометрических параметров канала.

Работа, направленная на совершенствование технологии равноканального углового прессования как одного из методов интенсивной пластической деформации, является актуальной.

В качестве объекта исследования выбраны заготовки квадратного поперечного сечения со стороной квадрата 16 мм, обрабатываемые по технологии многократного равноканального углового прессования.

Целью работы является повышение эффективности процесса получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе алюминия путем научного обоснования и рационального сочетания геометрических параметров штамповой оснастки, оказывающих существенное влияние на энергосиловые характеристики, кинематику течения и напряженно-деформированное состояние металла заготовки.

Для достижения указанной цели в работе ставились и решены следующие задачи:

- разработать компьютерные модели для анализа процесса равноканального углового прессования с целью выявления взаимосвязей геометрических параметров с особенностями кинематики течения и степени влияния на энергосиловые характеристики;

- создать математическую модель технологического процесса равноканального углового прессования для расчета энергосиловых характеристик;

- разработать устройство для реализации процесса равноканального углового прессования с возможностью быстрой переналадки для изменения геометрических параметров каналов;

- провести экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность теоретических положений работы;

- с помощью микроструктурного анализа исследовать влияние интенсивного пластического деформирования на изменение структуры заготовок;

- сформулировать рекомендации по повышению эффективности

получения конструкционных материалов с ультрамелкозернистой структурой.

Методы исследования. Компьютерное моделирование течения металла в канале матрицы и оценка энергосиловых параметров процесса осуществлялись методом конечных элементов, являющимся основой используемого программного комплекса, а также математическое моделирование с использованием метода линий скольжения для нахождения приращения интенсивности деформации сдвига. Исследование структур проводилось с помощью методов металлографии.

Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов компьютерного и математического моделирования с экспериментом, а также возможностью практического использования результатов работы.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении взаимосвязи энергосиловых параметров равноканального углового прессования, таких как сила прессования и работа деформации, с геометрическими параметрами канала матрицы, а, именно, размерами поперечного сечения каналов и углами их пересечения;

-в компьютерной модели, устанавливающей особенности и характер течения металла в канале матрицы в зависимости от величин радиусов сопряжения каналов, оказывающих влияние на структурообразование, и выявлении ограничений параметров канала, определяющих вид деформации заготовок;

-в выявлении зависимости интенсивности накопленных деформаций как от угла пересечения каналов матрицы, так и от внешнего радиуса сопряжения каналов матрицы;

-в математической модели для расчета сил деформирования при реализации последующих циклов равноканального углового прессования, учитывающей размер поперечного сечения каналов матрицы и условия трения.

Практическая ценность работы заключается:

-в разработке устройства (патент №86507 на полезную модель) для равноканального углового прессования, в конструкции которого использован

модульный принцип, позволяющий производить быструю переналадку за счет изменения угла пересечения каналов, оказывающего влияние на интенсивность дробления зеренной структуры;

-в получении заготовок из технического алюминия с повышенными механическими характеристиками, а, именно, пределом прочности и значениями микротвердости за счет измельченной зеренной структуры, что подтверждает проведенный микроструктурный и дюрометрический анализ;

-в конструкции штамповой оснастки (патент №2440210 на изобретение), позволяющей сократить число переходов за счет поворота сечения заготовки в процессе прессования на 90°.

Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в Московском научно-техническом центре «Аверт» и в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» по профилю «Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и одобрены на международных конференциях:

- «XIX Международной Интернет - ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007)» (ИМАШ РАН 2007 г.), «Юбилейной XX Международной Интернет -ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2008)», посвященной 70- летию ИМАШ РАН (ИМАШ РАН 2008 г.), научно - технической конференции «Студенческая весна 2009» (МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2009 г.), Международной конференции студентов и аспирантов (2010 год);

принимали участие в конкурсах:

- в Открытом конкурсе в 2008 году на лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам;

- во Втором международном конкурсе научных работ молодых ученых в

области нанотехнологий (2009 год);

- в 13-ом Московском международном Салоне промышленной собственности «Архимед - 2010».

Публикации: Основные положения диссертации отражены в 13 публикациях, включая 4 в рецензируемых научно-технических журналах из перечня ВАК, 2 патентах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 143 источников, приложения. Основная часть работа изложена на 142 страницах машинописного теста, включает 62 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложены предпосылки развития технологии равноканального углового прессования и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе выполнен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной исследованию технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой методом равноканального углового прессования. Данная технология впервые была предложена В.М. Сегалом и использована для упрочнения металлов, залечивания внутренних пор, а также проработки литой структуры заготовок. Именно технология равноканального углового прессования, основанная на методе интенсивной пластической деформации, позволяет достигать ультрамелкозернистой структуры в обрабатываемых заготовках без недостатков, присущих другим альтернативным методам. Изучению напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании посвящены работы B.JI. Бережного, Р.З. Валиева, O.A. Ганаго, Г.И. Рааба, E.H. Сосенушкина, Ф.З. Утяшева. В работах A.M. Дмитриева, А.Н. Красновского, Н.М. Русина, JI.A. Рябичевой, H.A. Шестакова отмечается эффективность использования технологий интенсивного пластического деформирования, в том числе равноканального углового прессования, для уплотнения некомпактных структур, например

профилей из стружки цветных металлов и порошковых материалов. Влияние контактного трения при реализации равноканального углового прессования рассмотрено в работах A.M. Золотова и P.A. Паршикова. Большое количество работ направлено на компьютерное моделирование процесса равноканального углового прессования, среди которых стоит отметить таких авторов, как Г.И. Рааб, Ю.И. Рыбин.

По результатам анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты анализа кинематики течения металла в канале матрицы при равноканальном угловом прессовании посредством компьютерного моделирования. Для этого была создана конечно-элементная модель заготовки, помещенная в канал матрицы и деформируемая пуансоном. В соответствии с этим были созданы модели оснастки с каналами равного поперечного сечения D=16xl6 мм и углом пересечения 2ф=90° для достижения наибольшей степени деформации за один цикл прессования. Исходя из исследуемой схемы равноканального углового прессования, основными геометрическими параметрами канала матрицы являются угол пересечения каналов 2(р, а также внутренний и внешний радиусы сопряжения каналов.

Моделирование проводилось при разных сочетаниях внутреннего и внешнего радиусов сопряжения каналов, значения которых находились в диапазоне D/16^-D мм. Материал заготовки при моделировании - технический алюминий АД1 (рис. 1).

|j|lij[.j]1

а) б) в)

Рис.1. Схема равноканального углового прессования: а) г=Я; б) г>Я; в) г<Л.

При использовании равных радиусов сопряжения каналов и увеличении их значений отмечается снижение технологической силы прессования. Однако,

рассматривая зависимость силы прессования от хода пуансона при больших радиусах сопряжения, например, свыше 3D/8 мм, наблюдается изменение механизма деформирования заготовки, а, именно, ее изгиб вместо сдвига. Динамика изменения технологических сил деформирования в зависимости от хода пуансона при различных значениях радиусов сопряжения каналов показана на рис. 2.

-3?"D/16 мм -■V-" D/3 мм -«-3D/16MM -и— W4 мм -fcr-5D/16 мм

......3D/3 мм

H£~?D/16 мм -S--D12 мм -S8-9D/16 мм

-5D/8MM

-11D/16 мм

3D/4 мм "«"-13D/16MM •4.-7D/8 мм

1 0,025

0

О 1 2 3 4 5 Е 7 В 9 10 12 15 20 25 30 ЭЕ 43 ¿5 50 55 60 65 70 75 £0 85 9С Ход пуансона, им б)

Рис. 2. Зависимость силы прессования отхода пуансона при радиусах сопряжения: а)

г=1*;б) г* Я.

40 50 60 Ход пуансона, Wim

а)

ISD/IÖ ММ

•#■ D мм

При этом первоначальное нарастание силы прессования связано с искажением части выходного торца заготовки, который, соприкасаясь с внешним углом канала матрицы, начинает принимать его форму. Далее увеличение силы прессования обуславливается началом процесса формоизменения поверхности заготовки, соприкасающейся с внутренним углом канала. Постепенно происходит выход на стадию прессования где начинается активное формоизменение заготовки по всей длине по внутреннему и внешнему радиусам сопряжения.

Анализируя процесс прессования с неравными между собой радиусами сопряжения каналов, когда внутренний радиус постоянен и равен D/8 мм, а внешний радиус варьируется, стоит отметить отличие от аналогичного процесса, где радиусы сопряжения каналов равны между собой. Так, при увеличении внешнего радиуса сопряжения каналов до значения 3D/8 мм наблюдается сохранение сдвигового механизма деформирования. В случае, если внешний радиус сопряжения каналов равен D/8 мм, а внутренний варьируется и не превышает значения D/2 мм, осуществляется сдвиговая деформация. При увеличении внутреннего радиуса сопряжения каналов матрицы свыше значений D/2 мм происходит контакт заготовки с нижней поверхностью выходного канала, затем изгиб заготовки по внутреннему радиусу сопряжения канала с отсутствием контакта материала заготовки с внешним радиусом канала. Далее следует изгибное искажение выходной части заготовки, и выход на установившуюся стадию деформации сдвигом с заполнением текущим металлом очага деформации.

В третьей главе представлены результаты теоретического анализа напряженно-деформированного состояния заготовки при равноканальном угловом прессовании. При осуществлении равноканального углового прессования в очаге деформации, а также во входном и выходном каналах возникают соответствующие силы, такие как касательные силы Т вдоль линии сдвига 00', равнодействующая гидростатических давлений N, начальная величина осевой силы в рабочем канале, необходимая для деформирования

заготовки равна р20, нормальная сила сила трения Ц • , а также сила противодавления ра, необходимая для полного заполнения канала, которые показаны на рис. 3.

V

0 Ф

>

*> V (

Рис. 3. Схема сил, действующих на заготовку и инструмент (а) и схема канала матрицы с основными геометрическими параметрами (б).

Были составлены уравнения равновесия сил:

£ Х - 0 - Т- Ро-соэф - (1 •^•совф + ^ Бнкр = 0; £ У-0 - Г-соэф - р0-(1 + ЛГ-втф = 0.

Решение системы приводит к определению нормальной силы /<\. в выходном горизонтальном канале матрицы.

Геометрия поля линий скольжения определяется углом разворота центрированного веера, а именно углом 2в (рис. 3, б). Из анализа геометрического оформления очага деформации, внешний угол канала матрицы находится в зависимости от угла пересечения каналов матрицы 2ф , а также от размера сечения канала В и внешнего радиуса сопряжения каналов Я и может быть представлен в виде:

/

Р

+ Д)2

Согласно методу линий скольжения, при пересечении линии скольжения 00' частицы материала деформируются простым сдвигом, а направление их движения изменяется скачком. Приращение интенсивности деформации сдвига А Г при этом определяется отношением касательной компоненты скорости V, к

20 = х - 2ф - 2 агссоБ

нормальной компоненте скорости V. , которая непрерывна. Поэтому приращение интенсивности деформации сдвига Д Г зависит от половины угла пересечения каналов Ф , а также от половины внешнего угла канала в и представляется в виде:

д г= +

I 9()

Принимая во внимание тот факт, что при каждом последующем цикле равноканального углового прессования заготовка, помещаемая в приемный вертикальный канал, начинает проталкивать продеформированную ранее и находящуюся в матрице заготовку, в определенный момент возникает сила, складывающаяся из силы начала деформирования сдвигом переместившейся в очаг деформирования заготовки, а также силы противодавления, создаваемой находящейся в выходном канале, продеформированной ранее заготовкой: _ + 2,57-к \1 -сг&ф + 2-Лг-сдар - А: ц •

' 1- ц •

Работа пластической деформации находится в прямой зависимости от хода пуансона при значениях радиусов сопряжения каналов, находящихся в диапазоне 0/16-50/16 мм (рис. 4, а). При увеличении радиусов сопряжения каналов свыше значений 50/16 мм, зависимость изменения работы деформации становится отличной от прямолинейной по причине изменения механизма деформирования в сторону изгиба. В соответствии с рис. 4, б, отмечается линейный характер изменения работы деформирования. Однако стоит отметить, что при увеличении значения внешнего радиуса свыше 0/2 мм наблюдается отклонение от линейного характера изменения работы деформирования.

В четвертой главе описаны результаты проведенных экспериментальных исследований процесса равноканального углового прессования. На основе данных, полученных при компьютерном моделировании кинематики течения металла в канале матрицы штампа при равноканальном угловом прессовании, была сформирована конструктивная

схема оснастки.

и

О 10 20 30

Радиусы сопряжении г—К

б)

Рис. 4. Зависимость работы деформации от хода пуансона при радиусах сопряжения каналов: а) - г=Я; б) - г* И. При изменении угла пересечения каналов матрицы деформационные и

энергосиловые параметры процесса существенно изменяются. Спроектирована

модульная оснастка с возможностью быстрой переналадки для изменения угла

пересечения каналов матрицы за счет наличия комплекта быстросъемных

вставок, образующих канал (рис. 5). Проектирование инструмента по

модульному принципу целесообразно еще и по причине неравномерного износа различных частей рабочего канала.

Рис. 5. Оснастка для равноканапьного углового прессования.

Учитывая внесенные изменения в конструкцию инструмента по результатам компьютерного моделирования, оснастка обладает следующими параметрами: угол пересечения каналов - 90°, сечение канала - 16x16 мм, внутренний радиус сопряжения - D/8 мм, внешний радиус сопряжения - 5D/16 мм. Материал заготовки - прокат технического алюминия АД1 ГОСТ 21488-97.

Исследована кинематика течения металла в канале матрицы путем продавливания через канал составных заготовок, на боковую поверхность одной из частей которых была нанесена сетка. После осуществления равноканального углового прессования картины распределения линий сетки в компьютерной модели и составной заготовке были схожи (рис. 6), что свидетельствует об адекватности компьютерной модели результатам эксперимента.

Согласно ГОСТ 25.503-97 были произведены испытания на сжатие образцов, полученных из заготовок, которые подверглись различному количеству циклов равноканального углового прессования.

а) б)

Рис. 6. Изменение исходной сетки в процессе равноканального углового прессования: а) -компьютерная модель; б) - эксперимент.

По результатам испытаний на сжатие были построены кривые упрочнения (рис. 7). При анализе кривых упрочения установлено, что один цикл равноканального углового прессования не оказывает существенного влияния на изменение напряжений течения, возникающих в обрабатываемой заготовке. Это косвенно подтверждает, что величина упрочнения незначительна.

о

а 0,! 0,2 0,3 0.4 0,5

Исходная заготоека -«г-1 ций! РКУП 2 цикла ЙКУП Относительные деформации

Рис. 7. Зависимости сопротивления деформированию от относительных деформаций £ .

Однако при осуществлении двух циклов равноканального углового прессования, значения уровня напряжений сжатия увеличиваются на 60% по сравнению с исходной заготовкой и на 50% по сравнению с заготовкой после одного цикла равноканального углового прессования. Для выявления изменений структуры металла заготовок после равноканального углового

прессования был проведен микроструктурный анализ.

Из исходной заготовки, а также заготовок, которые подверглись различному количеству циклов равноканального углового прессования, были вырезаны образцы для формирования продольного и поперечного микрошлифов с целью выявления динамики изменения микроструктуры (рис.

Рис. 8. Динамика изменения микроструктуры в зависимости от количества циклов равноканального углового прессования: а) - продольный шлиф исходная заготовка; б) - поперечный шлиф исходная заготовка; в) - продольный шлиф, 1 цикл; г) - поперечный шлиф, 1 цикл; д) - продольный шлиф, 2 цикла; е) -поперечный шлиф, 2 цикла.

Микроструктура образцов в исходном состоянии представляет собой типичную волокнистую структуру, где границы зерен в продольных шлифах из-за значительного вытягивания в направлении пластического течения с трудом выявляются даже при больших увеличениях.

Один цикл равноканального углового прессования заметно изменяет структуру исследуемого алюминия АД1. На продольном шлифе (рис. 8, в) при увеличении х!500 наблюдается образование характерной волнистости волокон, что свидетельствует о значительной дополнительной пластической деформации.

Стоит отметить, что после двух циклов равноканального углового прессования по маршруту Вс сохраняется волокнистая структура в образце в продольном направлении (рис. 8, д), однако при этом возникают участки, занимающие более 50% области, где волокна ориентированы под углом 45°. При этом наблюдается дальнейшая фрагментация структуры - уменьшение расстояния между волокнами и их искривление (волнистость). С целью оценки степени упрочнения и, косвенно, степени деформации после пластической деформации, проводились измерения микротвердости 11У()25 в продольных и поперечных микрошлифах (рис. 9).

Микротвердость НУо^ исходной заготовки составляет порядка 370-400 МПа в продольном шлифе и 400-420 МПа в поперечном шлифе.

После одного цикла равноканального углового прессования значения микротвердости, в особенности в продольных шлифах, увеличиваются на 3050%, т.е. происходит значительное упрочнение. После двух циклов равноканального углового прессования, как свидетельство упомянутого выше роста волокнистости и фрагментации структуры, значения микротвердости возрастают до 640-650 МПа, т.е. увеличиваются на 40-60% по сравнению с исходной заготовкой, как в продольном, так и поперечном сечениях образца. Во всех случаях равноканального углового прессования не обнаружены микротрещины на микрошлифах.

3 1 2 3 ^ 5 6 : 3 9 1С -1 12 13 И 16 16 17 1£ 19 Расстояние отпмерхнас-и заготовки, ни -♦-Идздная заготовка, г^оарш-ый шпиф цикл Р^УП -*-2 циш РКУ1

а)

1035 С 935 835 | 735 л 635 I 535

1 435 Р 335 |235 | 135

ш- I

10

0 2 4 6 8

Расстояние от поверхности образца, мм

—4— Исходная заготовка, поперечный шлиф и 1 цикл РКУП ■ А 2 цикла РКУП б)

Рис. 9. Распределение микротвердости НУо.» по сечению микрошлифов при различном количестве циклов равноканального углового прессования: а) -продольные шлифы; б) - поперечные шлифы.

Основные результаты и выводы по работе

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача,

имеющая важное значение для предприятий машиностроения, заключающаяся в повышении эффективности технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе совершенствования процесса равноканального углового прессования на примере технического алюминия АД1.

2. На основе теоретического анализа установлены связи величин технологических сил и работ пластической деформации с величинами углов пересечения каналов и их зависимость от различного сочетания значений внутреннего и внешнего радиусов сопряжения каналов. Выявлен характер

изменения силы в зависимости от хода пуансона: в начале процесса сила резко возрастает до значений 0,0230 МН, затем стабилизируется при выходе процесса на квазистационарную стадию. Это позволяет прогнозировать характер изменения технологической силы. Работа пластической деформации находится в прямой зависимости от хода пуансона при значениях радиусов сопряжения, находящихся в диапазоне D/16-5D/16 мм.

3. Разработанные и реализованные компьютерные модели позволили определить рациональное сочетание геометрических параметров каналов матрицы, в частности при оформлении каналов с углом пересечения 90° необходимо выполнить сопряжения мест их пересечения внутренним радиусом D/8 мм и внешним радиусом 5D/16 мм. Анализ вариантов показал, что именно эти значения радиусов способствуют снижению сил деформирования и уменьшению искажения геометрии заготовок, что приводит к увеличению коэффициента использования металла.

4. Установлена зависимость интенсивности накопленных деформаций от угла пересечения каналов матрицы и радиусов их сопряжения, заключающаяся в снижении величины интенсивности накопленных деформаций при увеличении, как угла пересечения каналов, так и радиусов их сопряжения. Выявлено, что максимальная величина интенсивности накопленных деформаций достигается при угле пересечения каналов 90° и значении внешнего радиуса сопряжения каналов D/16 мм.

5. Математическая модель для расчета сил деформирования при последующих циклах процесса равноканального углового прессования, построенная с использованием метода линий скольжения, позволяет оценить максимальные нагрузки при реализации технологии, которые при размерах сечения каналов 16x16 мм равны 0,0317 МН.

6. Экспериментами подтверждено, что с увеличением количества циклов равноканального углового прессования происходит интенсивное измельчение зерна, оказывающее влияние на повышение уровня механических характеристик металла заготовок вследствие его упрочнения. После второго

цикла прочностные характеристики и величины микротвердости возрастают на 60% по сравнению с исходной заготовкой.

7. Построенные кривые упрочнения по результатам испытания образцов на сжатие, изготовленных из проката АД1, позволили выявить характер изменения сопротивления деформированию от величин относительной деформации, что представлено графически.

8. Для получения конструкционных материалов с ультрамелкозернистой структурой и возможно высоким коэффициентом использования металла создано устройство для равноканального углового прессования (патент №86507 на полезную модель), в конструкции которого использован модульный принцип и реализованы результаты теоретических и экспериментальных исследований.

9. С целью сокращения числа циклов равноканального углового прессования и повышения производительности разработана штамповал оснастка (патент №2440210 на изобретение), позволяющая в процессе деформирования повернуть сечение заготовки на 90°, сообщив ей дополнительные сдвиговые деформации.

10. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в Московском научно-техническом центре «Аверт» и в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» по профилю «Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочных производств».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи в изданиях, входящих в «Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для опубликования основных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук»:

1. Овечкин Л.М. Исследование процесса равноканального углового прессования. //Кузнечно-штамповочное производство. -2010. -№6. - С.30-31.

2. Овечкин Л.М. Оценка основных энергосиловых и деформационных параметров при равноканальном угловом прессовании. // Известия Тульского Государственного Университета. Технические науки. -2011. - №4. - С.48-52.

3. Овечкин Л.М. Совершенствование процессов интенсивной пластической деформации. /Сосенушкин E.H., Сосенушкин А.Е./, Вестник МГТУ «СТАНКИН». Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «СТАНКИН». -2012. -№1. - том 1.-С. 22-25.

4. Овечкин Л.М. Анализ влияния геометрических параметров канала матрицы на кинематику течения металла при равноканальном угловом прессовании. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «СТАНКИН». - 2012. -№1. - том 2. - С.53-59.

Статьи в других рецензируемых научных изданиях:

5. Овечкин Л.М. Равноканальное угловое прессование конкурентоспособный процесс получения наноструктурных материалов. /Сосенушкин E.H., Климов В.Н., Попов A.B./, Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сборник докладов, - 2007. - Часть 9. - С.227-234.

6. Овечкин Л.М. Исследование и моделирование процесса равноканального углового прессования для получения объемных наноструктурных материалов. /Сосенушкин E.H./, Сборник материалов юбилейной XX Международной Интернет-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведеиия МИКМУС-2008 10-12 ноября 2008г.- 2008. -С.103.

7. Овечкин Л.М. Равноканальное угловое прессование как перспективный метод получения объемных наноструктурных материалов. /Сосенушкин E.H., Сосенушкин А.Е./, Свойства энтропии, моделирование информационных потоков в производстве и медицине. Сборник научных докладов. - М.: Граница, 2008.-С.130-134.

8. Овечкин JI.M. Получение наноструктурных конструкционных материалов на основе алюминия. Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. - М.:РОСНАНО - 2009. - С.444-445.

9. Овечкин JI.M. Исследование и моделирование процесса равноканального углового прессования для получения материалов с наноструктурой. Сборник тезисов Второй Всероссийской научно-технической конференции студентов «Студенческая научная весна 2009: Машиностроительные технологии» 25-27 марта 2009г. - М.-.МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - С.77-78.

10. Овечкин JI.M. Моделирование процесса равноканального углового прессования для получения материалов с наноструктурой. Материалы XII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике. Сборник докладов под ред. O.A. Казакова. - М.:ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009. - С.337-339.

11. Овечкин JI.M. Моделирование и анализ процесса равноканального углового прессования. Нанотехнологии функциональных материалов. Труды международной научно-технической конференции 22-24 сентября 2010. -СПб.:Издательство Политехнического университета, 2010. - С.250-251.

12. Овечкин Л.М. Экспериментальная проверка адекватности компьютерного моделирования процесса равноканального углового прессования. Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств. /Сосенушкин E.H., Сосенушкин А.Е./, Сборник докладов и материалов X конгресса «Кузнец-2010». - Рязань, 2010. - С.319-323.

13. Овечкин Л.М. Анализ процесса равноканального углового прессования. Обработка материалов давлением. Сборник научных трудов. -Краматорск: ДГМА, 2010. - №1(22). - С.66-69.

14. Патент на полезную модель №86507 РФ, МПК В21С 25/00. Устройство для равноканалыюго углового прессования. Сосенушкин E.H., Овечкин JI.M., Артес А.Э., Смирнов A.M., Сосенушкин А.Е. Опубл. 10.09.2009. Бюл. №25.-2 с.

15. Патент на изобретение №2440210 РФ, МПК B21J 13/02, B21J 5/06, C22F 1/00. Штамп для равноканального углового прессования. Сосенушкин E.H., Овечкин Л.М., Сосенушкин А.Е. Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2. - 7 с.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Овечкин Леонид Михайлович

Повышение эффективности технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе совершенствования процесса равноканального углового прессования

Подписано в печать 02.03.2012. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,50. Тираж 120 экз. Заказ 42.

Отпечатано в Издательском центре

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

61 12-5/2334

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

На правах рукописи

Овечкин Леонид Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК С УЛЬТРАМЕЖОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО

ПРЕССОВАНИЯ

Специальность 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сосенушкин Е.Н.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.............................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ МЕТОДОМ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ (РКУП).....................................................................................................6

1.1. Обоснование необходимости развития научных исследований по

нанотехнологиям...............................................................................................................6

1.2. Классификация материалов с ультрамелкозернистой структурой и их характеристики...................................................................................................................8

1.3. Методы получения наноматериалов....................................................................10

1.3.1. Получение материалов с УМЗ - структурой методом РКУП........................15

1.3.2. Напряженно- деформированное состояние при РКУП...................................21

1.3.3. Методы моделирования процесса РКУП...........................................................27

1.3.4. Разновидности процесса РКУП.........................................................................30

1.4. Влияние технологических параметров процесса РКУП на

структурообразование и свойства металлов.............................................................35

1.5. Область практического использования материалов с ультрамелкозернистой

структурой.........................................................................................................................40

Выводы...............................................................................................................................44

2. АНАЛИЗ КИНЕМАТИКИ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В КАНАЛЕ МАТРИЦЫ......44

ПРИ РКУП.............................................................................................................................44

2.1. Определяющие геометрические параметры канала матрицы при РКУП.......45

2.1.1. Особенности кинематики течения при РКУП.................................................46

2.1.2. Выбор конструктивной модели оформления канала матрицы......................55

Выводы..............................................................................................................................67

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РКУП.................................................................................................68

3.1. Обсуждение результатов теоретического анализа............................................77

Выводы...............................................................................................................................84

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РКУП...................85

2

4.1. Оснастка для РКУП...................................................................................................85

4.2. Особенности технологии РКУП.............................................................................87

4.3. Кинематика течения металла при РКУП..............................................................88

4.4. Изменение механических характеристик заготовок после РКУП.................93

4.5. Микроструктурный анализ.....................................................................................98

4.5.1. Микроструктурный анализ заготовок после РКУП........................................98

4.5.2. Микроструктурный анализ образцов, подвергнутых сжатию....................103

4.6. Рекомендации по повышению эффективности получения конструкционных

материалов с ультрамелкозернистой структурой...................................................105

выводы.............................................................................................................................107

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ...........................................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................127

Принятые сокращения

ИПД Интенсивная пластическая деформация

РКУП Равноканальное угловое прессование

КИМ Коэффициент использования металла

омд Обработка металлов давлением

смк Субмикрокристаллический

УМЗ Ультрамелкозернистый

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в различных отраслях техники существует потребность в конструкционных материалах, обладающих комплексом высоких прочностных свойств наряду с малой массой. Традиционные технологии, направленные на упрочнение материалов, позволяют в большинстве своем производить проработку структуры с целью повышения прочностных свойств не полностью. В связи с этим возникает необходимость применения технологии, позволяющей осуществлять проработку структуры по всему объему заготовки.

По результатам теоретических исследований, перспективными технологиями, направленными на увеличение прочностных свойств металлов и сплавов на основе алюминия, меди, титана, а также на достижение ультрамелкозернистой, а в пределе и наноструктуры, являются технологии, основанные на методах интенсивной пластической деформации.

Равноканальное угловое прессование, как разновидность методов интенсивной пластической деформации, подразумевает продавливание исходной заготовки через пересекающиеся каналы равного поперечного сечения. В результате осуществления цикла сдвиговой деформации эффективно дробится структура по объему обрабатываемой заготовки. При этом поперечное сечение заготовки остается постоянным.

Наряду с теоретическими исследованиями структур и свойств металлов после равноканального углового прессования, при рассмотрении данной технологии с практической точки зрения стоит отметить недостаточный объем технологических исследований, направленных на экспериментальную реализацию процесса.

При осуществлении процесса равноканального углового прессования особое внимание следует уделить выявлению особенностей напряженно-

деформированного состояния и течения металла в канале матрицы, а также влияния на них геометрических параметров оформления канала.

Работа, направленная на совершенствование процесса равноканального углового прессования за счет рационального сочетания геометрических характеристик штамповой оснастки, оказывающих существенное влияние на энергосиловые параметры процесса, является актуальной.

1. Анализ отечественной и зарубежной литературы по технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой методом равноканального углового прессования

1.1. Обоснование необходимости развития научных исследований по

нанотехнологиям

На современном этапе большинство развитых государств связывают будущие успехи своих экономик с широким использованием нанотехнологий. В этих странах сформированы программы развития нанотехнологий на ближайшее время и выделены значительные государственные ресурсы на исследования и разработки в этой области.

Российская Федерация сделала первый шаг на пути к производству товаров на основе нанотехнологий. Высшие руководители государств заявили о нанотехнологиях как о важнейшем приоритетном направлении развитии науки и техники. Были озвучены четыре основных направления развития страны: энергетика, судостроение, машиностроение и нанотехнологии. Таким образом, нанотехнологии попадают в одно из перспективных направлений развития страны в ближайшем будущем.

Согласно утвержденному Положению о национальной нанотехнологической сети, названная сеть представляет собой совокупность организаций различных форм собственности, обеспечивающих и осуществляющих скоординированную деятельность по разработке и коммерциализации нанотехнологий, разработке и выпуску продукции наноиндустрии, ее метрологическому обеспечению, стандартизации, оценке и подтверждению соответствия, обеспечению безопасности создания и применения, подготовке, переподготовке и повышению квалификации кадров для наноиндустрии, а также по финансированию проектов развития наноиндустрии: Основными задачами национально нанотехнологической сети, в частности, являются: увеличение объемов и повышение результативности государственных и частных инвестиций в исследования, разработки и производственную деятельность, которые связаны с развитием нанотехнологий; формирование отраслевых и территориальных научно- производственных кластеров, обеспечивающих продвижение на рынок высоких технологий конкурентоспособной продукции наноиндустрии; разработка и внедрение эффективных механизмов коммерциализации результатов исследований и разработок в сфере нанотехнологий.

Участниками национальной нанотехнологической сети являются организации, решение о включении которых в ее состав принимается Минобрнауки РФ, являющимся органом управления и координации национальной нанотехнологической сети. Кроме того, органами координации сети являются: научный координатор - ФГУ «Российский научный центр «Курчатовский институт»; координатор в области метрологии, стандартизации и оценки соответствия Ростехрегулирование; координатор инновационной деятельности -государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий»; отраслевые координаторы - головные организации отраслей по

тематическим направлениям деятельности национальной нанотехнологической сети [1].

Нанотехнологии, призваны соединить существующую межотраслевую науку и технологии в единую картину естествознания, но уже на новом атомном уровне [2].

1.2. Классификация материалов с ультрамелкозернистой структурой и

их характеристики

Современный уровень развития машиностроения предъявляет повышенные требования к применяемым в конструкциях материалам, в особенности, к легким и прочным сплавам, а также конструкционным сталям. Характерна потребность в металлах и сплавах с высоким комплексом физико-механических свойств, которые позволят оптимизировать и усовершенствовать конструкции машин, механизмов и устройств, повысить производительность агрегатов, сроки службы устройств, а также уменьшить массы изделий и узлов, сократить затраты энергии на их привод, и, соответственно, снизить загрязнение окружающей среды.

Таким требованиям, благодаря наличию сильно - измельченной структуры, что в свою очередь подразумевает прогнозируемые механические свойства, всецело отвечают субмикрокристаллические (СМК), а также нанокристаллические (НК) материалы или наноматериалы. Под этими материалами принято понимать материалы, размер кристаллических зерен которых не превышают 100 нм, по крайней мере в одном направлении [3]. Более полная классификация материалов по размеру частиц приведена в табл. 1.1. Выделяют крупнозернистые материалы, СМК - материалы, НК - материалы, а также материалы, размер зерен структуры которых меньше 1 нм.

Классиф,

(зерен)

100 нм

I

I -

II -

100 им

Атомы и (2-структуры

(табл. 1.2). В фаз

-2 10^ 10*

~106- 10? ~ I

а

I

20-70 |

3-4 £ I

500 - 1500

труктурой,

а

с [4] от

а'

Таблица 1.2.

Классификация консолидированных наноматериалов по составу, распределению и форме

структурных составляющих

Форма Однофазный состав Многофазный состав

Статическое распределение Матричное распределение

Идентичные границы Неидентичные границы

Пластинчатая

/У./.// * У * ^ / /

* ♦ И \ * - 1 у г' /' У -А. •-.■■■ 1. !.. *. *.■■*.■■-'' ■ ---- - -\ * > V *

Столбчатая У- '¿йх^ ШшШ рт*] :гл> ШМ

Равноосная И шшш Щ01 « 1. * < « ; \ < ;

1.3. Методы получения наноматериалов

На настоящий момент существует и развивается несколько методов получения наноматериалов. Большинство из них включает компактирование порошков, которые, получают разными способами, такими как газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [5,6], измельчением порошков в шаровой мельнице с последующим их спеканием [7,8], сверхбыстрой закалкой расплава [9]. Данные методы стали основой многочисленных исследований структур и свойств наноматериалов. Однако, существуют проблемы в развитии данных

методов которые связаны с высокой стоимостью порошковых материалов, возможным загрязнением образцов при подготовке порошков и их консолидации, сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, увеличением геометрических размеров получаемых образцов, а также практическим использованием данных методов.

Методами, позволяющими избежать указанных недостатков, являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [10,11]. При осуществлении деформации происходят необратимые изменения кристаллического строения: повышается как плотность дислокаций, так и концентрация точечных дефектов и дефектов упаковки [12]. При ИПД в металлических образцах формируются путем измельчения их структуры наноструктуры. Известно, что путем значительных деформаций при низкой температуре, например методами холодной прокатки, всесторонней ковки [13,14,15] можно очень сильно измельчить структуру металла (табл. 1.3). Однако, полученные структуры являются обычно ячеистыми или субструктурами, имеющими границы с малоугловыми разориентировками. Вместе с тем, рассматриваемые наноструктуры содержат преимущественно болыпеугловые границы зерен [11,16]. Создание наноструктур с вышеуказанными особенностями может быть осуществлено методами ИПД, позволяющими достичь очень больших деформаций при относительно низких температурах в условиях высоких приложенных давлений. Во многих литературных источниках наряду с термином наноструктуры используется и термин ультрамелкозернистые структуры (УМЗ).

При исследовании вопроса пластичности, согласно [17,18], отмечается, что высокие гидростатические давления способствуют повышению пластичности металлов до возможного проявления некоторыми из них эффекта сверхпластичности.

Основным механизмом пластической деформации является сдвиговая деформация. Если направление, а также интенсивность

сдвиговой деформации совпадают по всему деформированному объему, то возможно достичь однородности напряженного и деформированного состояний.

В случае, когда деформация плоская, напряженное состояние можно изобразить в виде поля линий скольжения, которое образовано траекториями главных касательных напряжений в плоскости течения [22, 23]. При этом однородному напряженному состоянию соответствует поле линий скольжения, образованное двумя ортогональными семействами а-(3-параллельных прямых, которое обеспечивается воздействием равномерного гидростатического давления р и уравновешенной системы максимальных касательных напряжений %шх = к {к- постоянная пластичности металла) на границах прямоугольных областей конечных размеров (рис. 1.1, а). Соответствующее кинематическое состояние может привести к схемам чистого (рис.1, б) или простого (рис. 1.1, в) сдвига.

р

о

'.1 ш

{ * *

Л г™ р

ь

Г

* ,,|К

уи 4

/„/'Г с

Г г ^ <

ГV

I

а

1 Г „ I I Б

I {

¡1(1

-Ш, «им» ^ чЛ Ш» . Л

( / I

' * I

I

ч

а)

б)

в)

Рис. 1.1. Схема однородного напряженного состояния (а), чистый сдвиг (б),

простой сдвиг (в)

В случае осуществления чистого сдвига деформация сопровождается непрерывным поворотом фиксированных материальных направлений а, [3 (например кристаллографических)

относительно макроскопических а-(3-линий скольжения.

Таблица 1.3.

Методы интенсивной пластической деформации

Метод Название Источник

Равноканальное угловое прессование (РКУП)

[10,12]

Кручение под высоким давлением

[19]

Всесторонняя ковка

[20]

Винтовая экструзия

[21]

При простом сдвиге одно из кристаллографических направлений ос остается параллельным направлению макроскопических а-линий скольжения. Из анализа механики простого сдвига вытекает ряд его характерных особенностей, среди которых возможность многократного циклического деформирования, что позволяет достигать сколь угодно высоких значений интенсивности накопленных деформаций, неизменность поперечного сечения заготовки в процессе деформирования, а также направленность пространственного развития деформации, определяемая одной системой линий скольжения. Следствие этого - возможность управлять процессами текстурообразования и получения материалов с требуемой анизотропией свойств.

Принято считать, что при РКУП реализуется однородный простой сдвиг, приводящий к равномерному распределению деформаций и напряжений. Однако некоторые экспериментальные данные и результаты моделирования с использованием метода конечных элементов отчасти не подтверждают данное заключение [24, 25]. Анализируя методы ИПД для получения заготовок с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой наиболее распространены всесторонняя ковка, а также осадка с кручением под высоким давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП). Однако при рассмотрении данных методов предпочтительным является РКУП в связи с тем, что при его осуществлении возможно деформировать заготовку с большими степенями деформации нежели при всесторонней ковке, а также получать заготовки-полуфабрикаты которые имеют �