автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса пластической деформации при формировании структуры анизотропно-пористых материалов на основе железа.

ВІННИЦЬКИМ ДЕРЖАВНИМ ТЕХНІЧНИМ УНІВЕРСИТЕТ

:ТЗ СЛ

: УДК 621.536.24

Чубатюк Валентин Миколайович /

•'-У * -

г

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ПРИ ФОРМУВАННІ СТРУКТУРИ АНІЗОТРОПНО-ПОРИСТИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА

Спеціальність 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вінниця - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному сільськогосподарському інституті Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент (лівак Іван Онуфрієвич

Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри опору матеріалів та прикладної механіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

Штерн Михайло Борисович Інститут проблем матеріалознавство НАН України ім. Францевича, завідувач відділом мікромеханіки та реології порошкових композиційних матеріалів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Марченко Віталій Леонідович Національний технічний університет України “КПІ”, докторант кафедри обробки металів тиском

Провідна установа:

Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра обробки металів тиском, м. Краматорськ

Захист відбудеться о і5^~\ ош\йХЬ квітня 2000 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету за вказаною адресою.

Автореферат розісланий 2 У березня 2000 р.

Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Анізотропно-пористі матеріали (АПМ) або багатоканальні вироби набувають все більш широкого застосування в різних галузях промисловості в якості ефективних теплообмінників, носіїв каталізаторів, фільтрів. Типовими споживачами таких виробів є: літакобудування, космічна техніка, хімічна промисловість, автомобілебудування, холодильна і кріогенна техніка, енергетичне машинобудування і т.д.

Методи порошкової металургії займають важливе місце при виробництві АГІМ, так як дають можливість отримувати дані вироби з найрізноманітніших матеріалів в тому числі непластичних, що розширює сфери їх застосування. Важливими технологічними показниками АПМ є однорідність сотової структури, тобто рівномірний розподіл каналів в матриці, їх однакова досить висока проникність, а також розвинута поверхня дотику з потоками рідини або газу. Таким вимогам в багатьох випадках можуть задовольняти АПМ з товщиною стінок між каналами меншою 100 мкм, що відповідає канальній пористості більше 80%. Однак отримати як традиційними методами так і методами порошкової металургії АПМ з надтонкими стінками між каналами і забезпечити при цьому однорідність сотової структури особливо з непластичних матеріалів відомими способами досить важко.

Оскільки конструктивні елементи виготовлені з АПМ в процесі експлуатації підлягають дії різноманітних навантажень, то виникає необхідність в дослідженні їх фізико-механічних характеристик. Не дивлячись на ряд робіт, в яких встановлено суттєвий вплив розмірів і напряму пор на міцність і пружні властивості пористих матеріалів, систематичних досліджень даної проблеми проведено недостатньо.

Роботи по дослідженню напружено-деформованого стану АПМ при різних видах деформацій носять, в основному, загальний характер, розглядаючи АПМ з шарами різними по пористості. Досліджень напружено-деформова-ного стану АПМ з однорідною сотовою структурою в літературі не достатньо.

Для більш повного забезпечення потреб техніки в АПМ з мінімальною ступінню неоднорідності сотової структури та високою проникністю виникає необхідність в дослідженні і вдосконаленні існуючих технологій і розробці нових способів та пристроїв для отримання заготовок такігх матеріалів в процесі пластичної деформації пластифікованих металічних або керамічних порошків, а також дослідженні фізико-механічних характеристик та напружено-деформованого стану АПМ, отриманих методами порошкової металургії при різних видах навантажень.

Дана робота виконувалась у відповідності з державною програмою України “Перспективні матеріали” і темою 071.3/89 “Розробка високоефек-

тивних теплообмінних апаратів для хімічної промисловості, будівництва, транспорту на основі керамічних і металокерамічних анізотропних матеріалів” та по ініціативній тематиці.

Таким чином, практична і наукова важливість проблеми отримання методами порошкової металургії АПМ з однорідною сотовою структурою з надтонкими стінками між каналами в процесі пластичної деформації пластифікованих металічних або керамічних порошків і розробка експериментальних та розрахункових методів оцінки фізико-механічних характеристик та напружено-деформонаного стану при різних видах навантажень ставить їх в ряд актуальних задач.

Метою роботи с дослідження пластичної деформації пластифікованих металевих порошків при формуванні структури анізотропно-пористих матеріалів та розробка на цій основі способів отримання АПМ з мінімальною неоднорідністю сотової структури та стінками товщиною 40... 100 мкм, а також розробка методик розрахунку фізико-механічних характеристик і напружено-деформованого стану при різних видах навантажень.

Для досягнення поставленої мети були розв’язані наступні задачі:

- розроблено процеси пластичної деформації та пристрої для їх реалізації при формуванні методами порошкової металургії АПМ з можливістю регулювання товщини стінок між каналами в широких межах;

- розроблено спосіб та пристрій для отримання АПМ з надтонкими стінками;

- досліджено технологічні режими процесу пластичної деформації заготовок для отримання АПМ з мінімальною неоднорідністю сотової структури;

- отримано залежності для розрахунку фізико-механічних характеристик АПМ та досліджено залежність модуля пружності та межі міцності від напряму каналів;

- досліджено напружено-деформований стан АПМ при різних видах деформацій.

Наукова новизна роботи.

1. Вперше розроблено вдосконалену методику дослідження пластичної деформації заготовок АПМ в процесах прямого та оберненого видавлювання, в основу якої покладено метод функції току, де аналіз кінематики течії базується на дослідженні трубки току, в якості якої використовуються волокна, що видаляються.

2. Установлено вплив товщин і відносної жорсткості двох оболонок заготовки АПМ на розподіл пластичної деформації в перерізі, що дозволило розробити методику проектування процесу квазігідроекструзії, який забезпечує практично рівномірний розподіл деформації волокон, що видаляються.

з

3. Розроблено способи та пристрої для отримання методами порошкової металургії ЛПМ з можливістю регулювання товщини стінок між каналами в процесі пластичної деформації пластифікованих порошків металів або кераміки.

4. Розроблено спосіб та пристрій для отримання методами порошкової металургії АПМ з надтонкими стінками між каналами.

5. Отримано залежності фізико-механічнда характеристик АПМ (модуля пружності, межі міцності та ін.) від орієнтації каналів та канальної пористості.

6. Досліджено напружено-деформований етап АПМ при різних видах деформацій та оптимальну жорсткість оболонки з побудовою відповідних графіків та експериментальних кривих.

Практична цінність роботи. Розроблено оригінальні технології отримання ЛПМ на основі методів порошкової металургії в процесі обробки тиском пластифікованих порошків металів або кераміки.

Дані технології дозволяють отримувати АПМ для виготовлення спеціальних фільтрів, компактних теплообмінників, поверхонь, що забеспечують ефективне охолодження нагрітих елементів (лопаток турбін, камер згорання, в теплових трубах і т.д.).

Розроблена також технологія виробництва АПМ з мінімальною неоднорідністю сотової структури та стінками товщиною 40... 100 мкм, що забезпечує при розвинутій поверхні дотику потоків рідини або газу, канальну пористість вищу за 80% і дає можливість застосування данігх матеріалів в якості носіїв каталізаторів для зменшення токсичності відпрацьованих газів в автомобілебудуванні та інших галузях промисловості пов’язаних з забрудненням навколишнього середовища.

Створена та прийнята до впровадження методика розрахунку з достатньою точністю фізико-механічних характеристик та напружено-деформованого стану АПМ з однорідною сотовою структурою в залежності від канальної пористості та товщини оболонки, виготовленої з матеріалу матриці, що виключає проведення досить громіздких експериментів.

По матеріалам роботи отримано позитивні рішення про видачу патентів України на заявки № 98126352 та № 98126353 від 01.12.1998 р. МПК 6В22И 3/20, В22Р 7/04, В21С 25/08.

Результати досліджень та рекомендації, що викладені в дисертаційній роботі визнані актуальними для промислового використання і прийняті до впровадження на Казенному заводі порошкової металургії м. Бровари Київської обл.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались на III міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях” (Євпаторія 8-12 листопада 1998 р.) і на засіданні наукового семінару кафедри

опору матеріалів і прикладної механіки ВДТУ (Вінниця 1999 р.) та засіданні наукового семінару факультету механізації сільського господарства ВДСП (Вінниця 1999 p.).

Публікації. По результатах дисертації опубліковано 6 друкованих робіт, із них 4 статті та 2 патента.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 122 джерелами, містить 105 сторінок машинописного тексту, ілюстрована 25 рисунками, загальний об’єм роботи 148 стр.

Автор висловлює глибоку подяку д.т.н. професору Огороднікову В.А. допомога якого сприяла виконанню даної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, розкрито сутність і стан проблеми розробки та дослідження процесу пластичної деформації при формуванні пластифікованих порошкових заготовок з метою отримання АПМ з мінімальною неоднорідністю сотової структури і можливістю регулювання товщини стінок між канапами в широких межах, обгрунтбвана актуальність роботи, наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність роботи, викладені основні положенні, що виносяться на захист, сформульовані мета та задачі дослідження.

В першому розділі наведено стан та методи досліджень процесів пластичної деформації різних матеріалів, які забезпечують мінімальну неоднорідність розподілу деформацій по об’єму заготовки при обробці тиском. Проведено аналіз способів виготовлення АПМ, як традиційними, так і методами порошкової металургії. Розглянуто також основні публікації присвячені проблемі визначення та розрахунку фізнко-механічних характеристик пористих матеріалів при різних видах деформації.

Важливий внесок в дослідженнях процесів пластичної деформації, фізико-механічних характеристик пористих матеріалів, та практики їх отримання зробили: Я.Є. Бейгельзимер, В.М. Горохов, Г.А. Ванін, А.К. Гри-гор’єв, Г.Я. Гун, Г.Д. Дель, А.М. Дмитрієв, Є.А. Дорошкевич, Б.А. Друянов, Є.В. Звонарьов, Р.Д. Іскович-Лотоцький, Ю.Г. Калпін, Д.М. Карпінос, B.C. Ковальченко, В.Л. Колмогоров, В.А. Кузьменко, О.М. Лаптев, Ю.Н. Логінов, Ю.Ф. Луговський, І.Ф. Мартинова, В.З. Мідуков, В.М. Михалевич, А.А. Нотич, Л.И. Гучинський, А.Г. Овчинніков, В.А. Огородніков, BJI. Петросян, В.Г. Піскунов, В.Д. Рудь, В.М. Сегал, Н.Б. Семенюк, Г.П. Сердюк, І.О. Сівак, В.В. Скороход, П.М. Соколов, ІО.М. Федоренко, Ю.К. Філіпов, М.О. Шестаков, М.Б. Штерн, Р. Дис. Гніп, М. Ояне та інші.

До числа основних проблем при застосуванні в якості носіїв, каталізаторів, теплообмінників, фільтрів АПМ с забезпечення рівномірного розподілу канальної пористості при достатньо високій поверхні дотику робочої рідини або газу з стінками багатоканального виробу.

З метою забезпечення мінімальної неоднорідності розподілу деформації при формуванні АПМ показані способи та методи досліджень, які застосовують для досягнення такого розподілу деформації в процесах пластичного деформування металів.

Розглянуті основні принципи побудови компактних поверхонь теплообміну, носіїв каталізаторів, описані шляхи підвищення їх ефективності. Висвітлені можливості отримання таких матеріалів методами порошкової металургії із застосуванням процесів пластичної деформації пластифікованих порошків металу або кераміки.

Дослідження фізико-механічних характеристик АПМ при різних видах навантажень носять в основному загальний характер, що не завжди приводить до раціонального вибору застосування АПМ у відповідних силових умовах і часто вимагає значних матеріальних затрат для проведення необхідних механічних випробовувань.

З врахуванням загальних тенденцій і проблем при застосуванні АПМ, а також мети даної роботи, визначені задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці методик дослідження процесу пластичної деформаії при прямому і оберненому видавлюванні заготовок АПМ, які являють собою пакети пластифікованого бікомпонентного дроту, що складається із оболонки і волокна що видаляється (рис. 2). Величину накопиченої деформації визначали за формулою:

швидкостей деформацій;

І - час деформування.

Компоненти тензора швидкостей деформацій визначали методом ліній току рис. 1. Для дослідження закономірностей течії матеріалу продеформовані заготовки розрізали на дві половини. В якості трубки току приймали волокно що видаляється.

Швидкість течії в довільній точці лінії току О визначали по формулі:

о

де єи

- інтенсивність

Рис. 1. До визначення швидкостей О, Ог, Ог

1

2

З

Рис. 2. Схема поперечного розриу пакета ПБК дроту розміщеного в пластичній оболонці:

1 — оболонка пакета ПБК дроту; 2 — оболонка ПБК дроту; 3 - волокно, що видаляється

де D0 — швидкість частинок в трубці току на вході в матрицю;

d0, d - діаметр трубки току на вході в матрицю і в довільній точці по лінії

току.

Компоненти вектора швидкості частинок матеріалу визначали по формулах:

ur=ucosa; uz=usina

Компоненти тензора швидкостей деформації визначали за формулами:

(9и

дг

2 3d cos а да

— cos a-----------------r------

d dr d2 dr

a

s.. =

^0^0

rd2

cos a;

dz

2 . 3d cosa 5a

-sina— + —г---------

d dz d2 dz

. 5ur 5uz ,2 Yrz=~ + ~ = u0d0 oz dr

ґ '\ da 2 3d )

cos a + —

4d2 dr d 3zy

-sina

2 3d 1 da d dr + d2 dz

2 =

Описані також методи, в яких отримали подальший розвиток дослідження армованих композитів з недосконалим контактом фаз. Розглядаючи АПМ, як композити армовані волокнами “пустоти” на основі рівнянь стану одержані співвідношення між напругами та деформаціями, які дають можливість отримати залежності фізико-механічних характеристик від канальної пористості, а також на основі методу плоских перерізів дослідити напружено-деформований стан АПМ при різних видах деформації:

crz = 2(1 + v)G*

V

Ві +В;

(Sr“0

Є

2і

ог = —

Є* 6*

де 6* = СЛ = , В, =(1-у2)(3-2ті) + у2,

' 2(1 + V) 1 4 " 17

В2 = (1 + v)[(1 - V) - Л(1 - 2у)]- V2, В3 = 4(1 - V) - Л(3 - 4у) .

Третій розділ присвячений розробці технології отримання АПМ з мінімальною неоднорідністю сотової структури з порошку карбонільного заліза (ГОСТ-13610-79). Розроблено технологічний процес який включає слідуючі етапи: змішування порошку матеріалу матриці з пластифікатором, отримання пластифікованого бікомпонентного (ПБК) дроту шляхом одночасної екструзії матеріалу матриці та волокна, що видаляється, розрізання ПБК заготовки на мірні куски і збирання їх в пакет, підпресовка його в контейнері при температурі оптимального розм’якшування пластифікатора, екструзія пакету до отримання перерізу необхідних розмірів і форми, розрізання отриманої пластифікованої заготовки на куски потрібних розмірів, видалення пластифікатора і наповнювача, спікання, шліфування або хіміко-термічна обробка.

Згідно з розробленою методикою дослідження процесу прямого та оберненого видавлювання для заготовок АПМ було знайдено закономірність впливу на розподіл накопиченої деформації по радіусу заготовки геометрії матриці при прямому видавлюванні через матриці різної геометрії. В результаті досліджень встановлено, що найбільш рівномірний розподіл накопиченої деформації ец по перерізу має місце при видавлюванні через матрицю, в якої кривизна робочої поверхні має форму брахістохрони. Однак і в даній матриці має місце неоднорідність розподілу ец, яка досягає найбільших значень на границі розділу. Для усунення цієї нерівномірності при видавлюванні заготовки АПМ використовували оболонки з парафіну, товщина яких вибиралась близькою до товщини шара нерівномірності в граничній зоні. Такий підхід дозволяє значно зменшити нерівномірність деформації!.

Особливу увагу приділено вивченню процесу пластичної деформації пакету ПБК дроту в оболонках: з матеріалу матриці, з пластифікатора, а також комбінованої оболонки, що виготовляється з пластифікованого матеріалу матриці і пластифікатора. Було застосовано схеми екструзії, як з прямим так і з оберненим витіканням, а також застосовувались матриці з різною геометрією робочої поверхні. Як відзначається в роботі найбільш сприятливою схемою екструзії пакету ПБК дроту є схема з оберненим витіканням, так як в даному випадку відсутнє переміщення пакету відносно контейнера, що зменшує тертя периферійної частини пакета і приводить до більш однорідного розподілу деформації кусків ПБК дроту при екструзії.

Як відомо з теорії та практики процесу пластичного формозмінення суцільних металів найбільш однорідним розподілом деформації відзначається гідроекструзія. В зв’язку з цим було застосовано процес пластичної деформації пакету ПБК дроту в оболонці із парафіну, сила в’язкого тертя якого при екструзії значно нижча ніж матеріалу матриці, тому процес відбувається подібно до гідроекструзії з однорідним розподілом деформації по перерізу заготовки. Однак пакет ПБК дроту не являється суцільним і відзначається дискретного структурою, що приводить до неоднорідності розподілу деформації (особливо на початку і в кінці процесу екструзії). Щоб усунути цей недолік було застосовано проміжну оболонку з матеріалу матриці в’язкість якої дещо вища за рахунок зменшення об'ємного вмісту пластифікатора.

Розподіл деформації такого пакету з подвійного оболонкою

відзначається рівномірністю як в радіальному так і осьовому напрямках. Застосування філь’єри з оптимальною формою осьового перерізу в процесі “квазігідроекструзії” з подвійною оболонкою приводить до мінімальної неоднорідності розподілу деформації кусків ПБК дроту в пакеті. Розподіл інтегральної деформації при різних схемах екструзії показаний на рис. 3. Ступінь неоднорідності розподілу деформації в радіальному і осьовому напрямках характеризувалась велігчинами:

е<К) -е<К) е<1) -є'1-’

= "”(К) -100% еи = - (В ■ "■ • 100% >

Црзк ^тах

де Є, - ступінь неоднорідності інтегральної деформації волокон в радіальному і осьовому напрямках.

<>, еі^п. еи^ , еи^„~ максимальна і мінімальна інтегральна

_ Г

деформація для даних значень відносного радіуса г?г = ~ і відносної

К

довжини І-г — — . Аналіз розподілу деформації в заготовці АПМ при екструзії

пакета ПБК дроту з прямим витіканням показав високу неоднорідність деформації, як в осьовому, так і в радіальному напрямках (рис. З а). Ступінь неоднорідності деформації по осі заготовки змінюється від 65% до 80%, а в радіальному від 54% до 65%. При екструзії з оберненим витіканням (рис. З б) ступінь деформації по осі заготовки складала від 28% до 33%, а в радіальному напрямку заготовки - від 8% до 25%. При використанні оболонки з парафіну, яка має при температурах екструзії (40°...42°) більш низьку в порівнянні з матеріалом матричної складової пакета частинну в’язкість 1,05 104 Пас і

7...8104 Пас відповідно (рис. З в) ступінь неоднорідності деформації в радіальному напрямку Єг при Ь=0,1 складає 48%, а при Ц=0,2 лише 7%. В осьовому напрямку ступінь неоднорідності деформації £( змінювалась від 19% при 11=0 до 55% при Я =0,9.

Використання проміжної більш жорсткої оболонки з матеріалу матриці, розміщеної між пучком ПБК дроту і оболонкою із парафіну (рис. З г), дозволило стабілізувати процес “квазігідроекструзії” і ступінь неоднорідності в радіальному напрямку змінювалась від 11% до 19%, а в осьовому від 8% до 18%.

В усіх цих випадках використовувалась конічна філь’єра з витяжкою рівною 11,4 при застосуванні філь’єри такої ж витяжки з оптимальною за формою поперечним перерізом, максимальна ступінь неоднорідності деформації як в осьовому так і в радіальному напрямках не перевищувала 8%, при екструзії з оберненим витіканням в подвійній оболонці (рис. З д).

Використовуючи проведені дослідження процесу пластичної деформації при формуванні структури АПМ розроблени способи отримання таких матеріалів, які відзначаються однорідністю сотової структури і можливістю отримання товщини стінок між каналами до 100 мкм та пристрій для його реалізації на які отримано позитивне рішення про видачу патенту України.

Згідно з розглянутим способом подають одночасно з двох контейнерів матеріал волокна - парафін та пластифікований, наприклад, залізний порошок матеріалу матриці при цьому отримують ПБК дріт з необхідною об’ємною концентрацією волокон, що видаляються, розрізають його на куски необхідної довжини, формуючи пакет ПБК дроту, який продавлюють через матрицю оптимальної форми при температурі оптимального розм’якшування пластифікатора (40..42°С). Після цього видаляють пластифікатор і спікають виріб. Однак при отриманні АПМ з товщиною стінок меншою за 100 мкм спостерігалось руйнування стінок після видалення пластифікатора так як сили тертя спокою між частинками порошку були недостатніми, щоб утримувати форму сформованого виробу. Щоб уникнути цього було розроблено спосіб

Рис. 3. Розподіл деформації волокон, що видаляються в заготовці АПМ після екструзії пакета: а) з прямим витіканням в пластичній оболонці, б) з оберненим витіканням в пластичній оболонці, в) з оберненим витіканням розміщеного в оболонці із парафіну, г), д) з оберненим витіканням розміщеного в подвійній оболонці та через матрицю оптимальної форми

отримання одно- та багатоканальних виробів або композитів армованих комбінованими волокнами, та пристрій для його реалізації і отримано також позитивне рішення про видачу патенту України. Згідно з розглянутим способом одночасно з трьох контейнерів подають: матеріал волокна - парафін, його оболонки, яким є пластифікований порошок матеріалу температура спікання якого значно вища ніж порошка матеріалу матриці, що подавали з останнього контейнера у вхідний отвір філь’єри. Отриманий пластифікований трьохкомпонентний дріт розрізають на куски необхідної довжини і складають у прямокутну пресформу потрібних розмірів і підпресовують при температурі

40..42°С. Після видалення пластифікатора надтонкі стінки матриці в нашому випадку з порошку карбонільного заліза підтримуються пустотілими волокнами із порошку технічного глинозему, який також використовуємо, як засипку при видаленні пластифікатора і спікання. Після спікання заготовки при температурі 1400°С видаляють неспечений порошок технічного глинозему стисненим повітрям або іншим способом. Таким чином було отримано АПМ з однорідною сотовою структурою і стінками між каналами товщиною 40... 100 мкм, які можуть застосовуватись в якості носіїв каталізатора для автомобілів та в інших галузях.

В четвертому розділі на основі рівнянь стану армованих

композиційних матеріалів з недосконалим контактом компонентів отримані залежності для визначення фізико-механічних характеристик АПМ з сотовою структурою, використовуючи які проведені дослідження впливу коефіцієнта

пористості П на повздовжній та поперечний модулі Юнга Еи, Е± та межі міцності стп, а± • Для каналів круглого перерізу отримані залежності для приве-Е — Е (т су

дених значень £? ——!!■ £ =—і- § =—мають вигляд:

II і—> ^ _|_ т—• ^11 •* ЛЕт Е™ °т

Е„ = І-П; Е± =-----------1-11 2 ,

". 31 1 + 2П(І - о2)

5Н =1 —П; сгх = І - 1,14л/п

де Е , Ст, - відповідно модуль Юнга, межа міцності та коефіцієнт Пуассона матеріалу матриці АПМ.

Експериментально отримані залежності модулів Юнга Еп, Е± та межі

міцності а„, а± рис. 4 показують достатньо близьке співпадання з теоретігч-ними залежностями. Встановлено, що пружні і міцностні характеристики

спечених АПМ вздовж каналів вищі, ніж вказані характеристики в матеріалах з поперечним розташуванням каналів.

АПМ з однорідною сотовою структурою та оболонкою можна розглядати як двохфазні, для яких можна застосовувати залежності для визначення напруженого стану стержнів з шарами різними за пористістю.

Отримано залежності, які дозволяють провести оцінку впливу коефіцієнта пористості П на напругу, що виникає ігри різних видах деформації. Для стержнів з АПМ і однорідною сотовою структурою круглого перерізу при деформації розтягу (стиску), наприклад:

1

ЧГ2У

П

де

- радіус однорідної сотової структури та г2 - оболонки з матеріалу матриці;

П - коефіцієнт канальної пористості.

Приведені розрахунки показують, що жорстка оболонка суттєво зменшує напругу в двохфазному анізотропно-пористому стержні. Тому були проведені розрахунки, як при заданих геометричних розмірах збільшити модуль пружності оболонки

^11 > 1, при виконанні умови —3- < 1, тобто щоб максимальні напруги

Еі

в двохфазному стержні не відрізнялись від напруг в однорідному суцільному стержні з модулем пружності Е .

Наприклад, для деформації розтягу (стиску) отримана умова має вигляд для стержнів круглого перерізу:

Е,

>

ЧГ2 У

На рис. 5 дана залежність показує, як відношення модулів пружності оболонки АПМ Е2 та суцільного стержня Е, залежить від г /г та коефіцієнту канальної пористості П і можуть бути використані при проектуванні конкретних елементів конструкцій круглого поперечного перерізу. Аналогічно

2

Рис. 4. Вплив коефіцієнта пористості II на межу міцності при деформації розтягу (стиску)

Рис. 5. Визначення оптимальної жорсткості оболонки АПМ при деформації розтягу (стиску)

також отримані залежності для поперечного перерізу іншої форми та інших видів деформації.

В заключенні підведені підсумки виконаних досліджень, сформульована практична цінність одержаних результатів і зроблено загальні висновки по дисертації.

В додатках приведені результати експериментальних досліджень, отримані патенти та впровадження.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз методів дослідження неоднорідності розподілу деформації при видавлюванні через матрицю та сучасних технологій отримання АПМ або багатоканальних виробів, як традиційними методами так і методами порошкової металургії. Показана їх недостатня ефективність при виготовленні АПМ з необхідними експлуатаційними характеристиками, які забеснечують їх використанні в якості компактних теплообмінників носіїв каталізаторів, спеціальних фільтрів.

2. Розроблену вдосконалену методику дослідження розподілу накопиченої інтенсивності деформації е„ при прямому та оберненому видавлюванні заготовок АПМ. Проведено аналіз впливу геометрії робочої поверхні матриці на закономірність розподілу деформацій по об'єму заготовки. Встановлено, що найбільш рівномірний розподіл с„ має місце при видавлюванні через матрицю, в якої кривизна робочої поверхні описується

рівнянням брахістохрани.

3. Виявлено, що при видавлюванні неоднорідність розподілу е„ досягає найбільших значень на границі контакту матеріалу з матрицею. Для усунення цієї неоднорідності, обгрунтована необхідність розміщення в граничній зоні оболонки, жорсткість якої зменшується по радіусу. На основі цього розроблено методику проектування процесу квазігідроекструзії де гідростатичний тиск створюється розм'ягченою оболонкою з парафіну і передається на деформуючу масу через більш жорстку оболонку із пластифікованого порошку заліза, що дозволило зменшити нерівномірність розподілу деформації по об'єму заготовки АПМ до 6-8%.

4. Розроблено і досліджено технологічні операції виготовлення АПМ методами порошкової металургії. Зокрема, спосіб формування заготовки АПМ в процесі видавлювання пластифікованих бікомпонентних заготовок і їх пакета іі комбінованій оболонці та пристрій для його реалізації, які захищені патентом України. Конструкція пристрою дає можливість регулювання об'ємного вмісту волокон в процесі екструзії. На основі досліджень особливостей процесу видалення пластифікатора встановлено, що даним способом неможливо отримати АПМ з товщиною стінки меншою 100 мкм.

5. Розроблено і досліджено спосіб формування АПМ, суть якого полягає в тому, що формують трьохкомпонентну заготовку з матеріалу волокна (парафін), його оболонки та матеріалу матриці, причому, температура спікання матеріалу оболонки волокна значно вища температури спікання матеріалу матриці. Внаслідок чого, після видалення пластифікатора структура заготовки АПМ зберігає необхідну форму, що дало можливість отримувати після спікання АПМ з товщиною стінки між каналами 40... 100 мкм. Розроблено також пристрій для реалізації даного способу, який захищено патентом України.

6. Отримано співвідношення між напругами та деформаціями для АПМ, на основі рівнянь стану для армованих композитів з недосконалим контактом компонентів, які дали можливість визначити залежність фізико-механічних характеристик, зокрема, повздовжних і поперечних модулів Юнга та границі міцності від канальної пористості. Проведена експериментальна перевірка показала достовірність отриманих співвідношень.

7. Розроблено конструкції пристроїв для промислового виготовлення АПМ з товщиною стінки 40... 100 мкм. Дана технологія дає значний економічний ефект і прийнята до впровадження на КЗПМ м. Бровари. Розроблено також технічне завдання на проектування автоматизованої технологічної лінії по промисловому виготовленню даних виробів згідно результатів досліджень виконаних в дисертаційній роботі.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ НАДРУКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

1. Сивак И.О., Чубаткж В.Н. Определение физико-механических характеристик анизотропно-пористых материалов // Вибрации в технике и технологиях. -1998. - № 2 (6). -С. 66-69.

2. Сівак І.О., Чубатюк В.М. Розподіл деформації волокон, що видаляються, при формуванні анізотропно-пористих матеріалів // Вісник ВП1. -1999. -№ 6. -С. 75-81.

3. Сивак І.О., Чубатюк В.М. Вплив пористості на механічні характеристики анізотропно-пористих матеріалів // Вибрации в технике и технологиях. - 1999. -№3 (12). - С.39-46.

4. Чубатюк В.Н. Способы формирования анизотропно-пористых композиционных материалов // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. -Приложение. Труды 111 международной научно-технической конференции. -Евпатория. - С. 268-272.

5. Чубатюк В.М. Спосіб та пристрій для отримання одно- та багатоканальних виробів або армованих композитів // Рішення про видачу патенту України по заявці № 98126352 від 12.11.99. МПК 6В22Г 3/02.

6. Чубатюк В.М. Спосіб та пристрій для отримання одно- та багатоканальних виробів або композитів армованих комбінованими волокнами // Рішення про видачу патенту України по заявці № 98126353 від 12.11.99. МГІК 6В22Г 3/02.

Особистий внесок. В роботах, що опубліковані в співавторстві авторові належить ідея отримання рівнянь стану АПМ з сотовою структурою на основі залежностей для армованих композитів з недосконалим контактом компонентів та проведення частини математичних перетворень [1]; експериментальне дослідження розподілу деформації волокон, що видаляються при формуванні пластифікованої заготовки АПМ [2], а також експериментальне дослідження впливу канальної пористості на модуль пружності та межу міцності АПМ [3].

АНОТАЦІЯ

Чубатюк В.М. Розробка та дослідження процесу пластичної деформації при формуванні структури анізотропно-пористих матеріалів на основі заліза. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. - Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 1999.

Захищаються розроблені процеси пластичної деформації при формуванні анізотропно-пористих матеріалів та їх дослідження з метою отримання мінімальної неоднорідності сотової структури.

Розроблені способи та пристрої для отримання АПМ на основі методів порошкової металургії з можливістю регулювання канальної пористості в процесі пластичної деформації пластифікованої порошкової маси та досліджено умови однорідного розподілу деформацій волокон, що видаляються. Отримано та експериментально перевірено залежності повздовжніх та поперечних модулів пружності та межі міцності від канальної пористості. Досліджено напружено-деформований стан та оптимальну жорсткість оболонки анізотропно-пористих матеріалів при деформації розтягу (стиску). Здійснено промислове впровадження розробок.

Ключові слова: анізотропна пористість, металеві порошки, пластична деформація, сотова структура, модулі пружності, напружений стан, екструзія.

THE SUMMARY

Chubatiyk V.N. Development and research of process of plastic deformation at shaping frame of anisotropic - porous materials on the basis Ferri lactas. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.05 - processes and machines of handling by pressure. -Vinnitsa state engineering university, Vinnitsa, 1999.

The designed processes of plastic deformation arc defended at shaping frame of anisotropic - porous materials (APM) that their research with the purpose of obtaining a minimum non-uniformity of honeycombed structure.

The designed ways and devices for obtaining APM on the basis of methods of a powder metallurgy are a capability of regulating of a channel porosity during plastic deformation of a plasticizing powdered mass and the condition of uniform allocation of a strain of filaments is investigated, that are deleted. Received and is checked relations of longitudinal and cross-sectional moduluses of elasticity and structural limit from a channel porosity experimentally. The напряженно-strained state and optimal hardness of a shell APM is investigated at tensile deformation (contraction). The industrial intrusion of developments is carried out.

Keywords: an anisotropic porosity, metallic dusts, plastic deformation, honeycombed structure, moduluses of elasticity, state of stress, extrusion.

АННОТАЦИЯ

Чубатюк В.Н. Разработка и исследование процесса пластической деформации при формировании структуры анизотропно-пористых материалов на основе железа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.05.09- процессы и машины обработки давлением -Винницкий государственный технический университет, г. Винница, 2000.

Работа посвящена разработке и исследованию процессов пластической деформации пластифицированных порошков металлов при формировании структуры анизотропно - пористых материалов (АПМ) с целью обеспечения минимальной неоднородности сотовой структуры данных материалов и возможности регулирования толщины стенок между каналами в широких пределах при получении их методом порошковой металлургии. В работе приведен критический анализ методов исследования неоднородности распределения деформации при выдавливании через матрицу и современных технологий получения АПМ или многоканальных изделий, как традиционными методами так и методами порошковой металлургии. Показана их недостаточная эффективность при изготовлении АПМ с необходимыми эксплутационными характеристиками, которые обеспечивают их использование в качестве компактных теплообменников, носителей катализаторов, специальных фильтров. Отсутствие методик исследования процессов выдавливания через матрицу пластифицированных порошков без использования делительной сетки с целью получения минимальной неоднородности распределения деформаций при деформировании заготовки АПМ, а также методов позволяющих получить стенки между каналами

40... 100 мкм из порошков металлов или керамики сдерживают активное внедрение данных материалов полученных методами порошковой металлургии. Решение этих вопросов а также исследование физикомеханических характеристик данных материалов является актуальной задачей.

Разработана усовершенствованна^ методика исследования распределения накопленной деформации при прямом и обратном выдавливании пластифицированной заготовки АПМ. С помощью этой методики исследованы процессы пластического деформирования при выдавливании через матрицы с различной геометрией. Анализ результатов проведенных исследований позволил разработать методику проектирования оригинального процесса квазигидроэкструзии, в котором гидростатическое давление образуется размягченным парафином и передается на деформирующую массу через более жесткую оболочку за счет уменьшения в ней объемного содержания пластификатора. Разработана также методика исследования физико-механических характеристик АПМ на основе известных

методов исследования армированных композитов с несовершенным контактом компонентов. Рассматривая АПМ, как композиты армированные волокнами пустоты, были получены соотношения между напряжениями и деформациями для АПМ на основаниЬ уравнения состояния для армированых композитов, которые дают возможность получить зависимости физико-механических характеристик от канальной пористости, а также на основании метода плоских сечений исследовать напряженно-деформированное состояние и оптимальную жесткость оболочки АПМ при различных видах деформации.

В диссертации значительное место занимают исследования процессов пластической деформации пластифицированных заготовок АПМ при выдавливании через матрицы с различной геометрией. Было установлено, что наиболее равномерное распределение накопленной деформации по сечению заготовки имеет место при выдавливании через матрицу, в которой кривизна рабочей поверхности описывается уравнением брахистохроны. Поскольку при выдавливании и через данную матрицу имеют место неоднородности распределения на границе раздела была разработана методика проектирования процесса квазигидроекттрузии, в котором использовали оболочку из парафина, толщина которой выбиралась близкой к толщине слоя неоднородности в пограничной зоне. Проведены экспериментальные исследования распределения деформации волокон, что позволило получить наиболее однородное распределения деформации в заготовке АПМ получают при обратном выдавливании через матрицу с оптимальной геометрией и в двойной оболочке парафиновой и более жесткой из порошка железа с уменьшенным содержанием парафина. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новые способы получения АПМ с минимальной неоднородностью сотовой структурой и устройства для их реализации, которые защищены патентами Украины и приняты к внедрению.

На основе уравнений состояния АПМ были получены зависимости физико-механических характеристик напряженно-деформированного состояния от канальной пористости. Полученные зависимости и графики могут быть использованы при проектировании конкретных элементов конструкции.

Ключевые слова: анизотропная пористость, металлические порошки, пластическая деформация, сотовая структура, модули упругости, напряженное состояние, экструзия.