автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка новых порошковых материалов и развитие теории их пластического деформирования с целью получения изделий со специальными физико-механическими свойствами

РГ6 од На правах рукописи

2 'I СЕН 1298

РУДСКОЙ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ

УДК 621.762

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИХ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

ециальность: 05.16.05 - Обработка металлов давлением

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном тсхиическ университете

Научный консультант проф., д.т.н., Лауреат Государственной премии СССР | А. К. Григорьев

Официальные оппоненты: проф., д.т.н. Виторский Я.М.; проф., д.т.н. Вербловский A.M.; проф., д.т.н. Мертенс К.К.

Ведущая организация - ЦНИИ КМ "Прометей".

Защита состоится "/6" ОИТЯБРЯ 1998 г. в в часов на заседай диссертационного совета Д 063.38.08 при Санкт-Петербургском государствен!! техшгческом университете (195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургскс государственного технического угагоерситета

Автореферат разослан " 2 " СЕНТЯБРЯ 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Г.С. Казакевич

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время научно-технический прогресс в металлургии и машиностроении связан с рациональным использованием ресурсов, созданием и внедрением в производство новых материалов, прогрессивных технологий, позволяющих улучшить условия труда, повысить его производительность, снизить трудоёмкость и себестоимость изделий. В этой связи одним из эффективных направлений является применение процессов пластической деформации в операциях формообразования и при производстве новых материалов для формирования повышенных физико-механических и эксплуатационных свойств. Сравнительно новым направлением в реализации этого подхода является использование при обработке давлением экономичных спечённых заготовок. В этом случае становится возможным сочетание методов порошковой металлургии, позволяющих получать материалы с особыми, зачастую уникальными свойствами, и обработки металлов давлением, способствующей повышению конструкционной прочности, твёрдости и плотности спечённых материалов.

Применение спечённых заготовок при операциях формообразования выдвигает ряд принципиально новых научно-технических проблем как в области теорга!, так и технологии обработки металлов давлением. Поведение пористых металлов в этих процессах отличается прежде всего способностью изменять объём, что в конечном счёте ведёт к необходимости построения специальной теории, а также методов физико-механического анализа и расчёта конкретных технологических процессов.

В России и за рубежом сделан достаточно большой задел в создании различных научных направлений пластического деформирования пористых материалов. В работах учёных России и стран СНГ: Колмогорова B.JL, Скорохода В.В., Григорьева А.К., Гуна Г.Я., Романа О.В., Дорофеева Ю.Г., Анциферова В.Н., Мертенса К.К., Ковальченко М.С., Кипарисова С.С., Павлова H.H., Ермакова С.С., Петросяна Г.Л., Штерна М.Б., Латева A.M., Ложечпикова Е.Б., Сега-ла В.М. и др., а также зарубежных: Грина Р.Дж., Куна Х.А., Ояне М., Шимы С. и др. предложены варианты построения феноменологических теорий пористых металлов, имеющих большое значение для современной теории обработки металлов давлением. Вместе с тем остаются актуальными вопросы: разработки универсальных модельных представлений о поведении пористых материалов,

позволяющих полнее учитывать его особенности при формоизменении, систематических исследований конкретных пористых материалов, совершенствования расчётного аппарата. Важен также анализ различных технологических схем деформирования спечённых заготовок и разработка технологии изготовления из них различных изделий.

Данная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ Академии наук СССР (проблема 2.24.2), комплексной научно-технической программы «Порошковая металлургия» (задание 01.03.09), межвузовской программы «Новые ресурсосберегающие технологии», межвузовской научно-технической программы фундаментальных исследований по разделу «Исследования в области порошковой технологии», а также как часть плановых НИР СПбГТУ.

Цель работы: Разработка теоретических основ на базе физических и механических моделей и методов расчёта неразрушающего холодного пластического деформирования упрочняющихся пористых материалов в технологических процессах их формоизменения и уплотнения; разработка новых порошковых материалов специального назначения на основе меди и никеля; обоснование термомеханической обработки этих материалов с целью получения из них полуфабрикатов и изделий с требуемым комплексом эксплуатационных свойств.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида и упругопластиче-ской обобщённой реологической модели, характеризующей формоизменение пористого тела, разработать теоретическую модель пластической деформации объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов, получить определяющие физические уравнения связи напряжений и приращений деформаций.

2. На базе полученных теоретических зависимостей, используя энергетические методы решить ряд технологических задач пластичности пористых заготовок, показать степень корреляции полученных результатов с экспериментальными.

3. Разработать теоретические и экспериментальные методы определения физи-ко-мехагшческих, упругих и деформационных свойств спечёшшх материалов в зависимости от пористости.

4. Разработать материалы па основе медного и никелевого порошков конструк-

ционного и электротехнического назначения.

5. Исследовать закономерности термомеханической обработки полученных материалов, выявить основные параметры, влияющие на их эксплуатационные свойства.

6. Разработать технологию получения из них полуфабрикатов или изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На защиту выносятся:

1. Основные подходы и принципы построения теории холодного деформирования пористых тел.

2. Полученная на базе уравнения пластичности эллиптического вида и обобщённой реологической модели теория упругопластического течения объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов с распределёнными параметрами.

3. Решённый автором ряд технологических задач пластичности, на базе энергетических методов и полученных основных физических уравнений связи напряжений и деформаций, с учётом упрочнения материала.

4. Разработанный критерий деформируемости пористых материалов и их диаграммы пластичности.

5. Новые материалы па основе меди и никеля, технология получеши из них изделий с заданными свойствами.

6. Методика определения физико-механических и деформационных свойств порошковых спечённых материалов.

Научная новизна:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида разработана модель, учитывающая деформационное упрочнение матрицы пористого материала.

2. Установлена взаимосвязь между характеристиками напряжённо-деформированного состояния матрицы и материала в целом, определён критерий деформируемости пористого материала.

3. Разработана обобщённая реологическая модель, позволяющая учитывать в качестве статистических характеристик плотность распределения безразмерных пределов текучести спечённого материала и его матрицы. Задан, на базе этой модели, закон упрочнения матрицы.

4. На основе энергетических методов расчёта произведён анализ некоторых схем пластического деформирования пористых материалов с учётом их деформационного упрочнения и контактного трения материала с инструментом.

5. Разработана теоретическая модель расчёта физико-механических и упругих свойств пористых материалов, отработана методика их экспериментального определения, а также методика построения диаграмм пластичности.

6. Впервые на примере конкретного материала (ПЛ80) исследовано влияние законов распределения 1ранулометрического состава исходного порошка на его технологические характеристики, а также физико-механические свойства спечённых заготовок.

7. Разработаны новые порошковые материалы на основе меди и никеля, технология получения из них материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая ценность:

1. Решённые в работе технологические задачи обработки давлением упрочняющихся пористых заготовок, а также разработанная методика определения физико-механических характеристик пористых материалов позволяет с достаточной степенью точности определять энергосиловые параметры процессов, изменение пористости во времени. Знание данных параметров может служить основой для выбора оборудования и конструирования технологической оснастки.

2. Построенные на базе критерия деформируемости по разработанной методике экспериментальные диаграммы пластичности позволяют определить режимы неразрушающей деформации спечённых заготовок в реальных технологических процессах обработки давлением.

3. Построенные кривые прессуемости исследуемых порошковых композиций позволяют рассчитывать технологические режимы прессования исходных заготовок, прогнозировать их пористость, могут быть использованы при проектировании технологической оснастки под прессование порошков.

4. Применение методов порошковой металлургии при разработке новых материалов на основе меди и никеля, на которые получено три авторских свидетельства, а также их последующая термомеханическая обработка позволили получить полуфабрикаты и изделия с повышенными рабочими характеристиками. В частности, стойкость порошковых электродов машин контактной сварки ~ в 2 раза выше по сравнению со стандартными, а формоустойчивость кернов оксидных катодов - в 1,6 раза.

£ Результаты исследований использованы при разработке технологии получе-

ния изделии конструкционного назначения из латунных порошков и их смесей с дробленными стружковыми отходами латуни на ПО «Знамя труда» (г. Санкт-Петербург), на опытно-промышленной базе ВНИИЭСО (г. Санкт-Петербург) внедрена технология производства электродов машин контактаой сварки, на ПО «Светлана» (г. Санкт-Петербург) производство кернов оксидных катодов на основе никеля. Годовой экономический эффект от внедрения разработок с учётом доли творческого участия соискателя составил 630,455 тыс. руб. в ценах 1990 года.

Личный вклад автора:

Идея, постановка и разработка теории деформирования пористых материалов на базе уравнения пластичности эллиптического вида с учётом изменения их физико-механических, упругих и деформационных свойств в процессе уплотняющей деформации.

Идея и разработка обобщённой реологической модели деформируемости объёмно-сжимаемого материала, учитывающей статистические параметры, изменяющиеся в процессе его уплотнения, такие как плотности распределения безразмерных пределов текучести всего материала и его матрицы, обоснован закон упрочнения.

Предложен и решён на базе энергетического подхода ряд наиболее характерных в ОМД технологических задач пластичности пористых спечённых заготовок с учётом деформационного упрочнения материала, контактного трения с инструментом.

Разработанная автором теоретическая модель в сочетании с решением технологических задач показала хорошую степень корреляции с экспериментальными данными.

Лично разработан теоретический метод определения физико-механических и упругих свойств объёмно-сжимаемых материалов в зависимости от пористости.

Идея и разработка критерия деформируемости, а также методики построения диаграмм пластичности для пористых материалов.

Идея изучения влияния законов распределения гранулометрического состава исходных порошков на физико-механические и технологические свойства спечённых изделий.

Автором доказано отсутствие влияния пористости материала на коэффици-

ент Пуассона, а также разработана методика расчёта коэффициента поперечной деформации, получена обобщающая зависимость от пористости.

Идея и методика экспериментального определения характеристик упругости пористых материалов, физико-механических свойств.

Автор принимал самое активное участие в исследованиях, посвященных разработке новых материалов на основе меди и никеля, отработке получения из них полуфабрикатов и изделий с повышенными эксплуатационными свойствами, внедрении их в промышленность.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзных и Российских конференциях по обработке давлением, проблемам теории и практики деформирования порошковых материалов (г. Москва, 1983; г. Барнаул, 1984; г. Ташкент, 1985; г. Красноярск, 1985; г. Киев, 1985; г. Ленинград, 1989; г. Днепропетровск, 1988; г. Минск, 1991; г. Пермь, 1993), на зональных, региональных и вузовских научно-технических конференциях (г. Челябинск, 1986, 1987; г. Пенза, 1989; г. Ленинград, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 работ в трудах совещаний и конференций, а также в журналах и сборниках научных трудов. В том числе опубликована одна монография и книга в соавторстве, получено три авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 198 наименований, приложений; изложена на 261 страницах машинописного текста (компьютерный набор), содержит 126 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель работы, изложены основные результаты исследований, их научное и практическое применение.

В первой главе представлены материалы, доказывающие, что наряду с традиционными технологиями порошковой металлургии всё большее развитие получили методы пластической деформации спечённых заготовок. Причём применение последующей пластической обработки не ставит единственной целью добиться необходимой формы заготовки, но и вносит свой вклад в формирование физико-механических и специальных эксплуатационных свойств спечённых материалов. Применение пластического деформирования вызвало необходимость совершенствования расчётного аппарата, необходимого для решения различных технологических задач с учётом особенностей, присущих пористым материалам. Развитие этого вопроса проходило по двум основным направлениям. Первое посвящено описанию поведения материала при формоизменении с учётом взаимодействия между элементами структуры. Второе базируется на континуальном подходе к объекту. При континуальном описании статистические характеристики материала вводятся непосредственно, причём считается справедливой эргодическая гипотеза, согласно которой усреднение по объёму совпадает с усреднением по реализациям отдельных микропроцессов. Эффективность такого подхода определяется возможностью использования уже разработанных методов решения ряда технологических задач пластической деформации пористых материалов. Поэтому континуальный подход в настоящее время получил широкое распространение в теории обработки металлов давлением. Далее в главе рассмотрены различные подходы к построению моделей деформирования пористых материалов, показана необходимость дальнейшего совершенствования этих моделей с учётом упрочнения материала. Причём они должны быть достаточно просты в практических расчётах и подкреплены методикой экспериментального определения основных параметров деформируемого пористого материала.

Наличие остаточной пористости и способности необратимо менять объём в процессе деформации обусловливает определённые особенности моделирования процессов деформации пористых материалов. В соответствии с гипотезой

сплошности, принятой в механике сплошной среды, в любой точке области, заполненной средой, находится частица этой среды, являющаяся носителем ее свойств. В нашем случае под частицей среды следует понимать объём пространства, размеры которого существенно меньше всей области в целом и в то же время значительно превышают размеры отдельных частиц порошка, пор или расстояния между ними, тогда возможно использование операций осреднения по вышеупомянутым микрообъёмам.

Далее в главе проведён анализ по выбору физических уравнений, которые совместно с законами сохранения и уравнениями равновесия должны составлять замкнутую систему уравнений, используемую при решении краевых задач ОМД. Выбор основных физических уравнений осуществлялся на основе представлений о конкретных процессах пластической деформации, а также физико-механических свойств материалов.

Для более точного анализа поведения пористых материалов при холодной пластической деформации необходим учёт деформационного упрочнения матрицы. Поэтому в качестве основополагающего был предложен модифицированный вариант уравнения пластичности вида:

(1)

где .¡\ - второй инвариант девиатора напряжений; Jl - первый инвариант тензора напряжений; а и 5 - функции пористости; тт - предел текучести материала

матрицы на сдвиг; % - параметр упрочнения материала матрицы, его вид зависит от зависит от принятой гипотезы упрочнения матрицы. Чаще всего в качестве меры упрочнения используют накапливаемую частицей мате-

Рис. 1. Вид поверхности пластичности оо=/(<у). Риала пластическую деформацию (параметр Удквиста). В дальнейшем эта гипотеза использовалась для учёта деформационного упрочнения материала матрицы.

Понятно, что это уравнение в осях и ^ У, является уравнением эллипса, который представляет собой след пересечения поверхности пластичности с

плоскостью, проходящей через гидростатическую ось перпендикулярно девиа-торной плоскости (рис.1).

Далее получены уравнения связи между макрохарактеристиками напряжённо-деформированного состояния пористого материала и аналогичными характеристиками матрицы. Это уравнение связи интенсивности касательных напряжений (г,) с эквивалентными напряжениями в пористом материале (аэкв):

Г(1 + ^<7,2+ 3(1-2ЛК2

2(1 + А)рг ' (2)

где ри ¡л - соответственно плотность и коэффициент поперечной деформации пористого тела.

Задан закон деформационного упрочнения материача матрицы:

г. = г„(г,'). (3)

где у,р - интенсивность сдвиговых деформаций матрицы, которая в свою очередь связана с характеристиками деформированного состояния пористого материала следующими зависимостями:

где ¡/Г, = ^¡2- интенсивность сдвиговых деформаций пористого материала.

Таким образом, знание макроскопических характеристик напряжённо-деформированного состояния пористого материала {сгже и еэке) позволяет установить зависимость упрочняющих факторов - относительной плотности и интенсивности сдвиговых деформаций от эквивалентной деформации. Применение уравнений (2) и (4) позволяет проанализировать напряжённо-деформированное состояние матрицы пористого материала в зависимости от макронапряжений и макродеформаций, установить степень упрочнения матрицы. В

... _ ._ .. .!_____ _____

*-> > 1

^_1 1 1 < и

I

1

Рис.2. Обобщённая реологическая модель упру-гопластического упрочняющегося материала.

наиболее простом линеаризованном виде это можно осуществить, применяя механические аналоги (реологические модели) при описании процессов пластической деформации пористых материалов, которые в полной мере удовлетворяют континуальному подходу к рассматриваемому объекту. В работе были использованы обобщённые реологические модели, которые в полной мере описывают поведение при деформации не только матрицы, но и пористого тела в целом.

Материалу матрицы была поставлена в соответствие обобщённая реологическая модель Ишлинского с упрочнением (рис.2), которая описывается следующей системой уравнений, характеризующей напряжённо-деформированное состояние:

¿;=о. ^Ь-О+^ИЬ-^Ь;]2 ■ (5)

где 5,у - девиатор напряжений в матрице; е,у - тензор девиатора пластических деформаций; /г,- - интенсивность скоростей сдвиговых деформаций; Ои - интегральный модуль сдвига материала матрицы; р(тц) - плотность распределения безразмерных пределов текучести; дм - параметр упрочнения матрицы.

Реологические параметры, входящие в уравнения (5), являются характеристиками конкретного материала. К этим параметрам относятся константы Сщ\ дм, и функциональная зависимость р(тм). Все они определяются экспериментальным путём. Интенсивность касательных напряжений для деформационной упругопластической матрицы примет в нашем случае вид:

(6)

где тш = 2СИМТ - среднестатистический предел текучести матрицы, м, =\тмр{тм)с1тк, - математическое ожидание случайной величины тм,

о

К

Выражение (6) является записью условия пластичности Мизеса для упру-гопластического материала.

На втором этапе была смоделирована пористая среда - как агломерат, состоящий из материала матрицы и пор. Распределение плотности по объёму среды обусловливает и распределение макроскопических параметров пористого материала, зависящих от относительной плотности и пористости. Представим пористый материал как систему с распределёнными параметрами, распределённым является макроскопический предел текучести. Описывать поведение такого материала при чистом сдвиге будет обобщенная реологическая модель (рис.2) и в условиях гидростатического нагружения - обобщенная реологическая модель (рис.3), в которой каждое звено соответствует отдельному микрообъёму пористой среды.

В результате математической обработки данных моделей были получены уравнения, описывающие состояние чистого сдвига пористого материала, аналогичные (5), только основные величины будут характеризовать пористое тело (с индексом «П»), а в условиях сложного напряжённо-деформированного состояния эквивалентные напряжения можно будет рассчитывать по следующей зависимости:

сг.,„ = ^(1 + мк2 +3(1-2/^ = ^[1 + (ЛГГ, + ЛоСо)], (б)

где <тЛ1 - среднестатистический предел текучести пористого материала; Л„ = ; Оо - интегральный параметр уплотнения; сгш - среднестатистическии

ашУо

предел текучести пористого материала в условиях гидростатического нагружения; К и - модуль объёмной упругости материала.

Таким образом, пористые материалы будут характеризоваться следующими реологическими параметрами: модулями упругости С^; Сп, Кд; параметрами упрочнения Оо', статистическими характеристиками р(щ)', р(тц); р(суг). Все эти параметры определяются экспериментально. Полученное условие пластичности (6) является уравнением соответствующей поверхности нагружения, на базе его были определены закон пластического течения, основные физические уравнения связи напряжений и деформаций:

-я-»— ——

^ДАД^ Цм/^

Рис.3. Обобщённая реологическая модель упругопластического объёмно-сжимаемого материала

где 5,у - девиатор напряжений; сто - напряжения начала пластического течения в условиях всестороннего сжатия.

В упругой области уравнения связи напряжений и деформаций будут иметь

вид:

еп I ' 1 + // где Еп - модуль Юнга; ¡1 - коэффициент Пуассона.

К этим уравнениям необходимо добавить ещё уравнение связи напряжений и деформаций в материале матрицы:

Зависимость характеристик напряжённо-деформированного состояния матрицы от макроскопических параметров пористого материала описываются выражениями (2) и (4). С помощью полученных физических уравнений возможно решение инженерных технологических задач обработки давлением пористых материалов с учётом объёмных деформаций и деформаций металла матрицы.

Далее в качестве методики для решения такого рода задач был предложен энергетический метод, который в ряде случаев упрощает расчётную схему процесса. Поэтому в работе были определены основные энергетические зависимости, характеризующие поведение материала и инструме1гга в процессе деформации, которые в общем виде можно записать так:

+Nt+Ncp, (10)

где ^^т/ЯО + - удельная мощность изменения формы;

V

Л'" = а„£,у V - удельная мощность изменения объёма; И, = -

V

мощность сил трения; Рк - площадь контакта металла с инструментом, ЛК -скорость относительного скольжения металла по поверхности рабочей части инструмента, щ - сила трения; Л^ = _[[ гсрУсрЛЗ - мощность среза; 5 - площадь

среза, Уср - скорость среза, тср - напряжете среза.

Необходимо отметить, что при решении технологических задач величина удельной мощности формоизменения материала определялась из выражения

Одной из важнейших характеристик деформируемого материала является его ресурс пластичности, т.е. величины неразрушающей пластической деформации. Поэтому в данной главе был разработан критерий деформируемости пористого материала на основе кинетической теории разрушения. В обобщенном варианте он представляется в виде неравенства:

Г, <ГР,

где ур - величина интенсивности сдвиговых деформаций в материале матрицы, соответствующая моменту разрушения. Величину можно определить из (4), а ур - проведением испытаний в различных напряжённых состояниях и на образцах с различной начальной относительной плотностью. Такие испытания позволят определить вид зависимости

Гр = Гр[Ро.-уг] (И)

и построить для каждого конкретного материала диаграмму пластичности.

Ранее было показано, что физико-механические характеристики пористых материалов являются важнейшими расчётными параметрами в аналитическом аппарате физической теории деформации. Поэтому в этой главе была предпринята попытка теоретического определения этих параметров на базе совместного решения задач чистого сдвига и

всестороннего сжатия пористого тела, в результате были получены выражения для предела текучести:

(12)

где П - пористость материала; и коэффициента поперечной деформации:

21п2 ¿-(1-П)2

И =-П--. (13)

41п2 + (1 -П)2

Экспериментальные исследования показали удовлетворительную корреляцию с теоретическими расчётами.

Во второй главе на базе полученных физических уравнений связи напря-жёний и деформаций, используя энергетические методы, был решён ряд техно-

логических задач пластичности пористых материалов. Для анализа изменения сопротивления деформации при различных схемах напряжённого состояния, сначала были рассмотрены простейшие схемы: одноосное растяжение и сжатие при отсутствии контактного трения, которые показали существенное влияние эквивалентной деформации на плотность материала и эквивалентные напряжения. Построены графические зависимости: р"/(сэк<^, а также <тзке - /(£яг:,). Полученные данные будут полезны при одноосных испытаниях пористых заготовок.

Одним из основных свойств пористого материала, проявляемых при его деформировании, является необратимое изменение объёма. Поэтому в этом разделе диссертации рассмотрена задача деформирования пористой заготовки в «глухой» матрице (рис.4,а). Этот процесс используется в промышленности для калибровки (доуплотнения) материала, что позволяет повысить его механические свойства, качество поверхности и размерную точность изделия. В результате решения этой задачи получена зависимость для расчёта усилия калибровки пористых заготовок:

К (21

1 - ц 1 ((А

(14)

1(1+ ,00-2л) 2^2(1 +

где у/- показатель трения, изменяющийся от 0 до 1.

Уравнение (14) позволяет оценить влияние среднего давления прессования на уплотнение заготовки и её высотную деформацию при различных показателях трения и исходных геометрических размерах. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных по влиянию показателя трения на энергосиловые параметры и уплотнение заготовки будет представлен в главе 4 данной работы.

Далее была решена задача об осадке пористой цилиндрической заготовки с учётом контактного трения металла с инструментом (рис.4,б). Понятно, что данный процесс также используется на практике в операциях осадки заготовок или в качестве одного из видов механических испытаний. Трение является причиной возникновения сложной трёхосной схемы напряжённого состояния, на преодоление сил трения затрачивается определённая часть общей работы деформирования. Поэтому истинное усилие деформа ции при наличии сил трения значительно возрастает по сравнению с тем, которое обусловлено истинным сопротивлением деформации материала.

Полученные в результате решения задачи выражения для расчёта усилия

осадки:

^ (■

а,, ч

1 + Я

- 1п -

1. Лгй

- + Я„ —1п-

" з

3/1

3(1--Ю1 2(1 + //) "1-2м

И '

1-3 а

(15)

2

■ х^ 1 Ч

.1 ■ л 1 ■ -Т. : £

11 1 , 1 /V /

\\ ^ \\ 1 #11: 1 1

\ Г

А)

\Г/

Гк1 I

'¿г.

/ ■/ ✓ / / у

£

Б)

_____В)_О____

Рис. 4. А) Сжатие в глухой матрице. Б) Осадка с контактным трением. В) Схема экструзии цилиндрической заготовки. Г) Схема очага деформации при прокатке.

где А=■

3 1 +

1 - 2/j 2t¡2 ц/R

- показа-

тель объёмной деформации, а также для текущих значений относительной плотности:

Р = Ро

RX

R2h

(16)

Рис.5. Зависимость относительного уплотнения пористой заготовки от усилия осадки, К«'Но=0,5, По"0,2: 1 - (И),6; 2 - ^0,4; 3 -у=0,2; 4 - ^0,05.

позволяют определить влияние текущей относительной плотности и текущих размеров уплотняющейся заготовки на усилие осадки при различных показателях трения. Как видно из рис.5 условия трения оказывают существенное влияние как на величину энергосиловых параметров процесса осадки, так и на уплотнение заготовки.

Процесс прямого экструдирования (выдавливания) спечённых материалов в холодном состоянии (рис.4,в) широко применяется в качестве уплотняющей операции, формирующей высокие физико-механические и эксплуатационные свойства. И это вполне оправдано, если учесть, что схема напряжённого состояния такого процесса вполне благоприятна для высокодефектных материалов -какими являются пористые материалы с точки зрения неразрушающей деформации. Поэтому решение задачи о прямом выдавливании упрочняющейся пористой заготовки с учётом влияния трения металла с инструментом, наличия интенсивных сдвиговых деформаций на входе и выходе конической зоны является несомненно полезным с теоретической и практической точек зрения.

В результате решения было получено выражение для расчёта энергосиловых параметров процесса:

1 + 0 - ^ + + Лз(1 - А) + П0А)

(1 -0).

1-р

V{\ + р) к,

+ м)

4чФ . r0 pxga, — — - ln —к -

0 I РЩеХк I ЗА

1 + М

(г,

In —Ь 1-2/j г0

(17)

+ sin 2ак r\ + ju){3А - 1) U >

Здесь коэффициент Р может принимать значения 0 и 1. Если /3=0, то идёт

пластическое сжатие заготовки в цилиндрической зоне, если /?=1, то происходит истечение материала через конический участок. Полученное выражение позволяет теоретически описать процесс экструзии цилиндрической заготовки и определить энергосиловые показатели в зависимости от различных технологических параметров. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных влияния входного угла конуса на усилие экструзии будет представлен в главе 4.

Далее в главе рассматривается решение задачи о продольной прокатке пористой заготовки (рис.4,г). Этот процесс также нашёл широкое применение в обработке давлением спечённых заготовок, он также позволяет добиться значительного уплотнения материала, повысить его физико-механические и служебные свойства.

В результате решения данной задачи была получена зависимость усилия прокатки от параметров процесса и свойств материала:

,2 , А„ 1 А„У ^ ~т=1п— + А,- п— г л/3 А, 3 А, У

0\-п

1п

к Л

к

(18)

где

И' = — 1 + 3/Ш

1п — 1-3 А + 9А1 А, \

Я ) 2 А,

цг А„ И.,И. —-гЧп-2^-

А = А0 —) - высота нейтрального сечения, где ъ = -\К) 2

1 - за +• 9 а ■

1-Д

-1

2(1-2 /1)

Исследовав функцию Ы' на экстремум, была определена величина показателя А, минимизирующая величину Лг*. Полученные таким образом значения А позволили определить энергосиловые параметры процесса холодной прокатки с учётом изменения пористости материала при различных значениях показателя трения (у/).

Третья глава посвящена исследованию и разработке спечённых материалов на медной основе конструкционного и электротехнического назначения. Показана эффективность использования порошков латуни для изготовления изделий конструкционного назначения благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств.

Проведён анализ получения жаропрочных порошковых материалов на ос-

нове меди, обладающих высокой электропроводностью с целью получения из них электродов контактной сварки повышенной стойкости. Представлена характеристика исходных порошков, их технологические свойства, методика проведения исследований, описание использованного оборудования. Далее в главе представлены результаты исследований по разработке материалов конструкционного назначения на основе латунного порошка ПЛ80.

Основными принципами легирования порошковых материалов с целью повышения прочностных и других свойств являлись:

• сплавление основного металла с компонентами, дающими с ним твёрдые растворы;

• получение высокодисперсной смеси фаз;

• введение в смесь компонентов, образующих при спекании новую, более твёрдую фазу, расположенную по границам первичной фазы или по междендритным пространствам.

В качестве легирующих добавок были выбраны порошки А1 и Бе, которые повышают прочность и коррозионную стойкость материала. На основе реализации многофакгорного эксперимента и проведения металлографических исследований был выбран рациональный состав смеси. Для конструкционного материала на основе ПЛ80 с повышенными механическими свойствами это смесь ПЛ80 и 7% железного порошка ПЖ4М2 (Л80+7%Ре).

Разработана технология получения пористых заготовок под последующую холодную пластическую деформацию. Построены кривые уплотнения материала, которые описываются в общем виде степенной функцией вида:

р = (19)

где Рпр - давление прессования; а и Ь - эмпирические коэффициенты. В нашем случае ¿7=8,47; ¿>=0,138; а для ПЛ80 -¿7=9,1; ¿=0,18.

Спекание материла производилось в изолированно контейнере с засыпкой А^Оз при температуре 950°С в течение 2 часов.

Мало изучен вопрос о влиянии закона распределения гранулометрического состава исходного порошка на физико-механические свойства. Исследование этого вопроса представляет большой интерес как для науки, так и для практики. Было изготовлено на базе ПЛ80 методом рассева пять смесей. Гранулометрический состав каждой смеси распределялся по нормальному закону со среднеквадратичными отклонениями соответственно: ^=90 мкм; т]2=70 мкм; г/з=50

мкм; /7^=30 мкм; г]5=25 мкм. Было изучено влияние изменения закона распределения грансостава на уплотняемость спечённых заготовок, на предел текучеста, предел прочности и твёрдость. Анализ показал, что чем шире диапазон используемых фракций порошка, тем выше уровень физико-механических свойств спечётюго материала. Однако, влияние грансостава следует учитывать лишь в малопористой области (П<20%), т.к. при П>20% механические свойства определяются в основном значениями пористости.

Далее в главе был разработан материал на основе медного порошка ПМС-2 для электродов машин контактной сварки. Выбор легирующих добавок определялся следующими принципами:

• материал упрочняющейся фазы должен обладать более высокими прочностными характеристиками по сравнению с медной матрицей;

• способствовать повышению твёрдости в холодном состоянии при сохранении электропроводности на уровне -80% от электропроводности меди;

• способствовать повышению жаропрочности.

В результате значительного количества исследований было получено два состава порошковых смесей, отвечающих вышеуказанным принципам, это Си1-10/оСг( 0,5%2г и Си+1 %ПГСР-3+0,5%гг. Для этих смесей были определены кривые прессуемости вида (19), где для первой смеси а=8,25; А=0,142; для второй -<з=8,40; Ь=0,151.

Была обоснована на базе рентгеноструктурного и металлографического анализа и температура спекания смесей: 1000°С...1060°С. В этом случае в приграничных участках на стыке двух разнородных частиц образуются области твёрдых растворов, которые при последующей термомеханической обработке должны обеспечить повышенные механические свойства.

Дальнейшее улучшение свойств композиционных порошковых материалов связано с их термомеханической обработкой, что вызывает необходимость изучения их физико-механических свойств в состоянии, предшествующем обработке. Эти вопросы были рассмотрены в четвёртой главе.

На основе принятых в работе модельных представлений о пористом материале и его матрице разработана методика экспериментального исследования спечённого материала, позволяющая в полной мере определить его реологические параметры (о^,; Лг; Яо\ д.\/, тт\ //) и коэффициент поперечной деформации /Г. Далее в главе были проведены экспериментальные исследования порошко-

вых материалов (Л80; Л80+7%Бе; Си) 1%Сг+0,5%2г; Си+1%ПГСР-3+0,5%2г) по разработанной методике, которые позволили определить реологические параметры и другие характеристики, установить их зависимость от пористости. Показано, что характер изменения этих параметров в интервале пористостей 5%-30% может быть удовлетворительно описан линейной зависимостью. Величины этих параметров могут изменяться значительно (в два раза и более) при изменении пористости в указанном интервале. Это обстоятельство должно учитываться в соответствующих технологических процессах.

На базе предложенного в главе 1 критерия деформируемости пористых материалов разработана методика экспериментального определения диаграмм пластичности, которая позволяет с помощью нескольких простых экспериментов (одноосное растяжение, сжатие, срез) оценивать пластичность материалов для некоторого диапазона напряжённо-деформированных состояний.

Приведённые в главе результаты серии экспериментов позволили получить (для исследуемых материалов) диаграммы пластичности, использование кото-

Рис.6. Теоретические зависимости относительного уплотнения пористой заготовки Л80 от усилия прессования в «глухой» матрице фо1Я(г8): 1 - ^=1; 2 - у=0; о, х - результаты

эксперимента

рых даёт возможность произвести расчёты неразрушающих режимов холодной пластической деформации. Далее изучено влияние исходной пористости спечённых заготовок (Л80 и Л80+7%Ре) на энергосиловые параметры процесса хо-

лодной объёмной штамповки (высадки). Показано, что данный процесс состоит из двух стадий: предварительное уплотнение заготовки без формоизменения и интенсивное формоизменение, сопровождающееся изменением объёма. Наилучшие конечные характеристики деформированной заготовки достигаются при минимально возможной пористости. Получены регрессионные уравнения, которые позволяют прогнозировать усилие деформирования в зависимости от исходной пористости и применять полученную информацию при проектировании технологической оснастки. Проведённый в главе сравнительный анализ процесса калибровки в «глухой» матрице по результатам эксперимента и на базе предлагаемой теоретической модели показал их удовлетворительное совпадение (рис.6). Это позволяет расчётным путём прогнозировать плотность получаемой заготовки в зависимости от начальных геометрических размеров и пористости, определять энергосиловые параметры.

Далее в главе представлены результаты экспериментальных исследований по термомеханической обработке материалов для электродов машин контактной сварки (Си+1%Сг+0,5%2г; Си+1%ПГСР-3+0,5%гг), которые позволили отказаться от процесса старения материала, горячей пластической обработки. На основе полученных данных определены режимы термомеханической обработки, включающие закалку и холодную пластическую деформацию (экструзию).

Далее методом регрессионного анализа изучено влияние степени деформации, угла входного конуса пресс-формы и исходной пористости на энергосиловые параметры процесса экструзии и прочностные характеристики получаемых

после экструзии заготовок. Проведённый в главе сравнительный анализ экспериментальных данных с использованием регрессионных зависимостей и теоретических, на базе решения задачи о холодной экструзии пористых заготовок, с использованием реологических параметров исследуемых материалов, показал достаточно высокую степень их корреляции (рис.7). Это позволяет ис-

■п

р^ «40

4 3 у.

2 3 ^ -1

во 100 120 2%

Рис.7. Зависимость давления на пуансоне от изменения угла входного конуса пресс-формы (По=0,1; £=60%): 1 - 05; 2 - ^0,5;3 - экспериментальная кривая. Материал Си+1%Сг+0,5%гг

пользовать теоретические зависимости при известных реологических характеристиках для расчёта энергосиловых, а также других технологических параметров процесса экструзии пористых заготовок. И чем точнее будет определён показатель трения, тем более достоверные данные можно получить расчётным путём.

Результаты проведённых стойкостных испытаний полученных из порошковых композиций электродов машин контактной сварки, представленные в данной главе, показали, что при длительной эксплуатации (до потери прочности сварочной точки ниже величины, требуемой ГОСТом) до первой перезаточки на них получают в пять раз больше сварных точек, чем при использовании стандартных медных электродов и примерно в два раза больше, чем при использовании стандартных электродов из хромистой бронзы. В завершение главы сформулированы рекомендации по разработке технологического процесса изготовления электродов машин контактной сварки из порошковых композиционных материалов с использованием холодного выдавливания.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований, позволившие получить рациональные составы порошковых композиций на никелевой основе, наиболее подходящие для изготовления кернов оксидных катодов (№МоЗО; ЫМо2бРе4). Были построены кривые прессуемости вида (19), где а=9,14; />=0,16, с учётом которых возможно изготовление заготовок с заданной пористостью, обеспечивающей высокое качество прессовок после спекания. Далее были экспериментально определены реологические параметры модули упругости исследуемых материалов в зависимости от пористости, которые позволяют на базе разработанной теории более точно решать технологические задачи пластичности данных материалов, полученные диаграммы пластичности согласно методике, разработанной в главе 4, позволяют производить расчёты неразрушающих режимов холодной пластической деформации, в нашем случае - продольной прокатки.

Получены критериальные уравнения холодной продольной прокатки изучаемых спечённых заготовок, что позволило выбрать рациональные неразру-шающие режимы процесса. При этом использование безразмерных параметров в регрессионных зависимостях позволяет их использовать при расчётах энергосиловых параметров прокатки практически на любых двухвалковых станах.

Далее в работе представлены режимы термомеханической обработки ни-

кель-молибденовых заготовок, которые позволили создать структуру материалов, обеспечивающую высокую жаропрочность и электросопротивление, а также представить технологические рекомендации по их получению в промышленных условиях. Результаты натурных испытаний кернов катодов изготовленных из порошковых смесей №МоЗО и №Мо2бРе4 по предлагаемой технологии, показали увеличите ресурса работа до потери формоустойчивости по сравнению со стандартными (материал - литые сплавы 8011МВ, Н65М30Ф-ВИ) в 1,6 раза.

1С

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе проведённых теоретических исследований и использовании реологического моделирования установлено, что физико-механический анализ поведения пористых материалов при пластической обработке в полной мере становится однозначным при использовании в уравнении пластичности эллиптического вида в качестве базовых характеристик материала среднестатистические значения пределов текучести пористого материала и его матрицы; параметры уплотнения и упрочнения пористого материала и его матрицы; коэффициент поперечной деформации, модуль упругости.

2. На основе представлений о пористом материале как о системе с распределёнными параметрами получены определяющие физические уравнения связи напряжений и деформаций, учитывающие упрочнение матрицы и включающие в себя статистические характеристики пористого материала, определены законы его течения, уплотнения и упрочнения.

3. Совместное использование полученных в работе определяющих физических уравнений (тензорных и скалярных) в сочетании с эллиптическим условием пластичности, учитывающим упрочнение материала, а также выражений для энергии формоизменения, уплотнения и затрат на преодоление сил трения позволило предложить сравнительно нетрудоёмкие схемы решений задач по определению уплотнения, энергосиловых параметров и параметров формоизменения пористых материалов в процессе обработки давлением.

4. Совместное решение задач о чистом сдвиге и гидростатическом сжатии пористого материала при использовании основных физических уравнений упру-гопластического течения позволило теоретически получить выражения для предела текучести и коэффициента поперечной деформации, которые удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными и могут быть использованы для приближённой оценки при решении технологических задач, связанных с обработкой давлением пористых материалов.

5. На основе разработанной теории пластического течения упрочняющегося пористого тела аналитически решены различные технологические задачи (одноосное растяжение, осадка, трёхстороннее сжатие в «глухой» матрице, экструзия и прокатка), показано существенное влияние деформационного упрочнения матрицы и показателя трения на контактных поверхностях материала с

инструментом на энергосиловые параметры процессов деформации. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных с использованием реологических параметров исследуемых материалов на примере сжатия в «глухой» матрице и экструзии показал достаточно высокую степень корреляции. Чем точнее будет задан закон трения исследуемого процесса, тем более достоверные данные можно получить расчётным путём.

6. Исследование влияния легирующих добавок различных порошковых материалов показало возможность получения порошковых композиционных материалов на медной и никелевой основах с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Определены рациональные составы порошковых композиций, позволяющие получить спечённые материалы конструкционного и специального назначения. Построены кривые прессуемости порошковых композиций, удовлетворительно описывающиеся уравнением степенного вида (19). Полученные данные позволяют рассчитывать технологические режимы прессования исходных заготовок, прогнозировать их пористость, полезны при проектировании технологической оснастки.

7. На основе принятых модельных представлений о пористом материале и его матрице разработана методика определения его базовых характеристик (реологических параметров, модулей упругости, коэффициента поперечной деформации) в зависимости от пористости. Их знание позволяет производить расчёты основных параметров технологических процессов обработки давлением. Проведены эксперименты по определению этих характеристик для исследуемых материалов. Анализ экспериментальных результатов показал, что пористость оказывает существенное влияние на базовые характеристики материалов, что необходимо учитывать в соответствующих расчётах.

8. На основе проведённого теоретического анализа поведения пористого материала при упругопластическом деформировании предложен критерий деформируемости. Построенные с учётом этого критерия по разработанной методике экспериментальные диаграммы пластичности для всех исследуемых материалов позволяют определил, режимы иеразрушающей деформации спечённых заготовок в реальных технологических процессах обработки давлением.

9. На примере конкретного материала (ПЛ80) исследовано влияние законов распределения гранулометрического состава исходного порошка на его технологические характеристики, а также физико-механические свойства спечённых

заготовок. Показано, что определяющее влияние этот параметр оказывает на прессуемость порошка, предел прочности, твердость и пластические свойства спечённого материала в малопористой области (10-20%).

10. Совместное применение методов порошковой металлург™ (получение спеченных заготовок) и термомеханической обработки (холодная объёмная штамповка, экструзия, прокатка и процессы термообработки) позволило получить материалы и изделия с повышенными рабочими характеристиками. В частности, стойкость порошковых электродов машин контактной сварки ~ в 2 раза выше по сравнению со стандартными, а формоустойчивость кернов оксидных катодов в 1,6 раза.

11. На основе проведённых исследований сформулированы рекомендации по разработке технологических процессов изготовления электродов машин контактной сварки и кернов оксидных катодов из порошковых композиций на основе меди и никеля с использованием, соответственно, холодного выдавливания и продольной прокатки спечённых заготовок с промежуточными и окончательной термообработками.

12. На основе полученных в диссертационной работе данных разработана и внедрена на опытно-промышленной базе ВНИИЭСО (г. Санкт-Петербург) технология изготовления электродов машин контактной сварки. По предварительным расчётам экономический эффект от внедрения в промышленности четырёх типоразмеров новых электродов при годовой программе выпуска 1 млн. штук составит 272,255 тыс. руб. в год по ценам 1990 г. Годовой экономический эффект от внедрения на производственной базе ПО «Светлана» производства кернов оксидных катодов повышенной формоустойчивости с программой выпуска 43 тыс. шт./год состав™ по ценам 1990 г. 358,2 тыс. руб.

Основные положения диссертации освещены в 58 публикациях автора, в том числе:

1. Рудской А.И., Григорьев A.A. Уравнение пластичности пористых материалов и его линеаризация // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1984, №7, с. 150152.

2. Рудской А.И., Григорьев A.A. Уплотнение пористой упругопластической заготовки при обработке давлением // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1984, №9, с.78-82.

3. Рудской А.И., Плюта В.Е., Карачунский А.Д. Уплотнение пористостью упрочняющегося материала гидростатическим давлением // Обмен опытом в радиопромышленности, 1985, №2, с.23-25.

4. Григорьев А.К., Рудской А.И. О влиянии пористости на упругие характеристики // В кн. «порошковая металлургия и композиционные материалы». - JL: 1985, с.14-18.

5. Рудской А.И., Григорьев A.A. Деформация и уплотнение пористых спечённых сплавов // В кн. «Труды ЛПИ им. М.И. Калинина». - Л.: 1985, с.47-51.

6. Рудской А.И., Григорьев A.A. Пластическая обработка и физико-механические свойства пористых спечённых материалов // В кн. «Сборник научных трудов ЛИЭИ им. П. Тольятти». - Л.: 1985, с.109-113.

7. Рудской А.И., Григорьев A.A., Крюков A.A. Физико-механические свойства и уплотняемость спечённых материалов при обработке давлением // Обработка металлов давлением. Вып. 13. Межвузовский сборник. - Свердловск: изд-во УПИ, 1986, с. 14-18.

8. Рудской А.И., Григорьев А.К. Теория деформирования пористых материалов с неупрочняющейся матрицей // Так же, с.38-44.

9. Рудской А.И., Марюлис П.Ю., Карачунский А.Д. Анализ уравнений пластичности и физико-механических свойств пористых материалов // В сб. «Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ». Вып. 11, 1985, с.68-74.

10. Григорьев А.К., Рудской А.И., Колесников A.B. Решение задачи о прокатке широкой полосы из объёмно-деформируемого материала // В кн. «Теория и практика производства металлов». Межвузовский сборник научных трудов. -Свердловск: Изд-во УПИ, 1986, с.63-69.

11. Рудской А.И., Колесников A.B., Судаков А.Р. Исследование продольной прокатки спечённых заготовок // Там же, с.69-75.

12. Григорьев А.К., Рудской А.И., Колесников A.B., Рябов В.В. Влияние гранулометрического состава на насыпную плотность и прессуемость латунных порошков // В кн. «Порошковая металлургия и композиционные материалы». - Л.: ЛДНТП, 1987, с.6-11.

13. Григорьев А.К., Рудской А.И. Энергетические методы решения технологических задач пластичности пористых материалов. (Сообщение 1) // Порошковая металлургия, 1988, №5, с.6-10.

14. Григорьев А.К., Рудской А.И. Осадка пористой цилиндрической заготовки с

то

контактным трением. (Сообщение 2) // Порошковая металлургия, 1988, №10, с.21-25.

15. Павлов H.H., Рудекой А.И., Печатников М.Н., Куликовский Д.Н. Исследование процессов пластической деформации и термообработки заготовок из металлических порошков на основе никеля // В кн. «Порошковая металлургия и композиционные материалы». - JL: ЛДНТП, 1988, с.7-11.

16. Рудекой А.И., Салькова С.С.. Колесников A.B., Шерстюк А.Р. Исследование процесса прямого выдавливания спечённых материалов на медной основе // В кн. «Порошковая металлургия и композиционные материалы». - Л.: ЛДНТП, 1989, с.31-35.

17. Павлов H.H., Рудекой А.И., Куликовский Д.Н. Изготовление электродных лент из композиционного материала на основе никеля // Информационный проспект «Прилагается к внедрению». - Л.: АН СССР, 1988.

18. Григорьев А.К., Рудекой А.И. Пластическая деформация пористых материалов. - Л.: ЛДНТП, 1989, 28с., с ил.

19. Салькова С.С., Павлов H.H., Рудекой А.И. и др. Порошковые (спечённые) электроды для контактной сварки // Сварочное производство, 1990, №1, с.26-27.

20. Rudskoi A., Bobke Th. Matematisches Model der Verdichtung von Sinter Werkstoffen im geschlossenen // Gesenk.-Mat.-wiss. Werkstoftech. BRD, 1989, 20, 341-343.

21. Павлов H.H., Рудекой А.И., Котов C.A., Куликовский Д.Н. Исследование процесса пластической деформации и термообработки порошковых материалов на основе никеля // В кн. «Прогрессивные технологии в машиностроении». Межвузовский сборник научных трудов. - Л.: ЛИЭИ, 1990, с.56-62.

22. Григорьев А.К., Рудекой А.И., Колесников A.B. Вариант взаимосвязи характеристик напряжённо-деформированного состояния пористого материала и его основы // Порошковая металлургия, 1992, №8, с.49-53.

23. Григорьев А.К., Рудекой А.И., Колесников A.B. Математическая модель уп-ругопластического деформирования пористых спечённых материалов. Сообщение 1. Применение механических аналогов при моделировании процессов деформации и уплотнения пористых спечённых материалов // Порошковая металлургия, 1992, №11, с.32-38.

24. Григорьев А.К., Рудекой А.И., Колесников A.B. Сообщение 2. Обобщённая реологическая модель деформации пористых материалов // Порошковая метал-

лургия, 1992, №12, с.1-10.

25. Григорьев А.К., Рудской А.И. Деформация и уплотнение порошковых материалов. - М.: Металлургия, 1992, 192с., с ил.

26.Рудской А.И. Физико-механический анализ процессов холодной пластической деформации пористых материалов. - СПб, изд-во СПбГТУ, 1998, 146с., с ил.

Авторские свидетельства

1. Павлов H.H., Рудской А.И., Куликовский Д.Н. и др. Способ изготовления керна катодов из порошковых материалов. A.c. №1548954, приоритет 26.03.88.

2. Павлов H.H., Рудской А.И., Гюлиханданов E.JI., Куликовский Д.Н. Способ изготовления заготовок керна катода из материалов на основе никеля и молибдена. A.c. №1542061, приоритет 22.07.88.

3. Григорьев А.К., Рудской А.И., Салькова С.С., Колесников A.B. Материал для электродов машин контактной сварки. A.c. №1553301, приоритет 24.03.88.

о..

.-.'/Г

А)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 О -г

И (р'ошешт от

ДУТун П \Ц Нос г.

" " г., На || На правах рукогори

[I присудил ученую степень ДОКТОРА

I _____________

начальник управления ВАК

давления £ ГУДСКОИ А1

наук ¡г

гХиович

УДК 621.762

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ИХ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность: 05.16.05 - Обработка металлов давлением

05.16.06- Порошковая металлургия и композиционные материалы

Научный консультант: проф., д.т.н., Лауреат Государственной премии СССР

А.К. Григорьев

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................................. 5

1. Анализ и разработка физико-механических моделей процессов холодного деформирования пористых спечённых материалов.................................................. 11

1.1. Математические модели деформирования пористых материалов (состояние вопроса)............................................................................................................... 11

1.2. Поверхность текучести, взаимосвязь характеристик напряжённо-деформированного состояния пористых материалов и их основы (матрицы).............. 24

1.3. Реологические модели описания процессов деформации и уплотнения спечённых материалов.............................................................................................. 35

1.4. Обобщённая реологическая модель деформации пористых материалов...... 43

1.5. Физические уравнения напряжённо-деформированного состояния, работа и мощность пластической деформации пористых материалов, критерий деформируемости.......................................................................................................... 52

1.6. Вариант теоретического определения упругопластических характеристик пористых материалов................................................................................................ 60

1.7. Выводы по главе................................................................................................. 67

2. Технологические задачи пластической обработки пористых материалов....... 69

2.1. Уплотнение заготовок в различных случаях однородного деформирования............................................................................................................................... 69

2.2. Деформирование в жёсткой цилиндрической матрице.................................. 74

2.3. Осадка цилиндра с контактным трением......................................................... 80

2.4. Экструзия пористой цилиндрической заготовки............................................. 87

2.5. Прокатка пористой заготовки............................................................................ 99

2.6. Выводы по главе................................................................................................. 106

3. Исследование и разработка спечённых материалов на медной основе конструкционного и электротехнического назначения.................................................. 108

3.1. Порошковые материалы на основе меди - их получение и свойства (состояние вопроса).......................................................................................................... 108

3.2. Характеристика исследуемых материалов и методика исследования........... 117

3.3. Разработка порошковых композиционных материалов конструкционного

назначения на основе латуни.................................................................................... 120

3.4. Получение пористых заготовок из порошковых композиционных материалов на основе латуни под дальнейшую пластическую обработку.................. 129

3.5. Разработка порошковых материалов на основе меди электротехнического назначения для электродов машин контактной сварки......................................... 137

3.6. Выводы по главе................................................................................................. 147

4. Технологические разработки получения изделий методами пластической деформации пористых спечённых заготовок, их реологические характеристики.......................................................................................................................................... 149

4.1. Методика экспериментального определения реологических параметров исследуемых материалов.......................................................................................... 149

4.2. Физико-механические и деформационные свойства исследуемых материалов.......................................................................................................................... 159

4.3. Диаграммы пластичности исследуемых материалов...................................... 166

4.4. Холодная пластическая деформация порошковых композиционных материалов на основе латуни........................................................................................... 171

4.5. Разработка технологии получения электродов машин контактной сварки.. 174

4.6. Стойкостные испытания электродов................................................................ 182

4.7. Выводы по главе................................................................................................. 192

5. Исследование и разработка спечённых материалов на основе никеля для кернов катодов электровакуумных приборов............................................................ 195

5.1. Порошковые материалы, применяемые для изготовления кернов электровакуумных приборов................................................................................................. 195

5.2. Разработка порошковых материалов на основе никеля для кернов оксидных катодов................................................................................................................ 200

5.3. Физико-механические и деформационные свойства порошковых материалов на основе никеля........................................................................................... 202

5.4. Термомеханическая обработка пористых заготовок на основе никеля......... 205

5.5. Определение рабочих характеристик кернов оксидных катодов и разработка технологии их получения............................................................................... 217

5.6. Выводы по главе.....................................................................................................220

6. Общие выводы............................................................................................................................................................................................................................222

Литература........................................................................................................................................................................................................................................225

Приложения......................................................................................................................................................................................................................................242

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время научно-технический прогресс в металлургии и машиностроении

t

связан с рациональным использованием ресурсов, созданием и внедрением в производство новых материалов, прогрессивных технологий, позволяющих улучшить условия труда, повысить его производительность, снизить трудоёмкость и себестоимость изделий. В этой связи одним из эффективных направлений является применение процессов пластической деформации в операциях формообразования и при производстве новых материалов для формирования повышенных физико-механических и эксплуатационных свойств. Сравнительно новым направлением в реализации этого подхода является использование при обработке давлением экономичных спечённых заготовок. В этом случае становится возможным сочетание методов порошковой металлургии, позволяющих получать материалы с особыми, зачастую уникальными свойствами, и обработки металлов давлением, способствующей повышению конструкционной прочности, твёрдости и плотности спечённых материалов.

Применение спечённых заготовок при операциях формообразования выдвигает ряд принципиально новых научно-технических проблем как в области теории, так и технологии обработки металлов давлением. Поведение пористых металлов в этих процессах отличается прежде всего способностью изменять объём, что в конечном счёте ведёт к необходимости построения специальной теории, а также методов физико-механического анализа и расчёта конкретных технологических процессов.

В России и за рубежом сделан достаточно большой задел в создании различных научных направлений пластического деформирования пористых материалов. В работах учёных России и стран СНГ: Колмогорова B.JL, Скорохода В.В., Григорьева А.К., Гуна Г.Я., Романа О.В., Дорофеева Ю.Г., Анциферова В.Н., Радченко K.M., Ковальченко М.С., Кипарисова С.С., Павлова H.H., Ермакова С.С., Петросяна Г.Л., Штерна М.Б., Jla-тева A.M., Дмитриева A.M., Сегала В.М. и др., а также зарубежных: Грина Р.Дж., Куна Х.А., Ояне М., Шимы С. и др. предложены варианты построения феноменологических теорий пористых металлов, имеющих большое значение для современной теории обработки металлов давлением. Вместе с тем остаются актуальными вопросы: разработки универсальных модельных представлений о поведении пористых материалов, позво-

ляющих полнее учитывать его особенности при формоизменении, систематических исследований конкретных пористых материалов, совершенствования расчётного аппарата. Важен также анализ различных технологических схем деформирования спечённых заготовок и разработка технологии изготовления из них различных изделий.

Данная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ Академии наук СССР (проблема 2.24.2), комплексной научно-технической программы «Порошковая металлургия» (задание 01.03.09), межвузовской программы «Новые ресурсосберегающие технологии», межвузовской научно-технической программы фундаментальных исследований по разделу «Исследования в области порошковой технологии», а также как часть плановых НИР СПбГТУ.

Цель работы: Разработка теоретических основ на базе физических и механических моделей и методов расчёта неразрушающего холодного пластического деформирования упрочняющихся пористых материалов в технологических процессах их формоизменения и уплотнения; разработка новых порошковых материалов специального назначения на основе меди и никеля; обоснование термомеханической обработки этих материалов с целью получения из них полуфабрикатов и изделий с требуемым комплексом эксплуатационных свойств.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида и упруго пластической обобщённой реологической модели пористого тела разработать теоретическую модель пластической деформации объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов, получить определяющие физические уравнения связи напряжений и приращений деформаций.

2. На базе полученных теоретических зависимостей, используя энергетические методы, решить ряд технологических задач пластичности пористых заготовок, показать степень корреляции полученных результатов с экспериментальными.

3. Разработать теоретические и экспериментальные методы определения физико-механических, упругих и деформационных свойств спечённых материалов в зависимости от пористости.

4. Разработать материалы на основе медного и никелевого порошков конструкционного и электротехнического назначения.

5. Исследовать закономерности термомеханической обработки полученных материалов, выявить основные параметры, влияющие на их эксплуатационные свойства.

6. Разработать технологию получения из них полуфабрикатов или изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На защиту выносятся:

1. Основные подходы и принципы построения теории холодного деформирования пористых тел.

2. Полученная на базе уравнения пластичности эллиптического вида и обобщённой реологической модели теория упругопластического течения объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов с распределёнными параметрами.

3. Решённый автором ряд технологических задач пластичности, на базе энергетических методов и полученных основных физических уравнений связи напряжений и деформаций, с учётом упрочнения материала.

4. Разработанный критерий деформируемости пористых материалов и их диаграммы пластичности.

5. Новые материалы на основе меди и никеля, технология получения из них изделий с заданными свойствами.

6. Методика определения физико-механических и деформационных свойств порошковых спечённых материалов.

Научная новизна:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида разработана модель, учитывающая деформационное упрочнение матрицы пористого материала.

2. Установлена взаимосвязь между характеристиками напряжённо-деформированного состояния матрицы и материала в целом, определён критерий деформируемости пористого материала.

3. Разработана обобщённая реологическая модель пористого материала, позволяющая учитывать в качестве статистических характеристик плотность распределения безразмерных пределов текучести спечённого материала и его матрицы. Задан, на базе этой модели, закон упрочнения матрицы.

4. На основе энергетических методов расчёта произведён анализ некоторых схем пластического деформирования пористых материалов с учётом деформационного упроч-

нения матрицы и контактного трения материала с инструментом.

5. Разработана теоретическая модель расчёта физико-механических и упругих свойств пористых материалов, отработана методика их экспериментального определения, а также методика построения диаграмм пластичности.

6. Впервые на примере конкретного материала (ПЛ80) исследовано влияние законов распределения гранулометрического состава исходного порошка на его технологические характеристики, а также физико-механические свойства спечённых заготовок.

7. Разработаны новые порошковые материалы на основе меди и никеля, технология получения из них материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая ценность:

1. Решённые в работе технологические задачи обработки давлением упрочняющихся пористых заготовок, а также разработанная методика определения физико-механических характеристик пористых материалов позволяет с достаточной степенью точности определять энергосиловые параметры процессов, изменение пористости во времени. Знание данных параметров может служить основой для выбора оборудования и конструирования технологической оснастки.

2. Построенные на базе критерия деформируемости по разработанной методике экспериментальные диаграммы пластичности позволяют определить режимы неразру-шающей деформации спечённых заготовок в реальных технологических процессах обработки давлением.

3. Построенные кривые прессуемости исследуемых порошковых композиций позволяют рассчитывать технологические режимы прессования исходных заготовок, прогнозировать их пористость, могут быть использованы при проектировании технологической оснастки под прессование порошков.

4. Применение методов порошковой металлургии при разработке новых материалов на основе меди и никеля, на которые получено три авторских свидетельства, а также их последующая термомеханическая обработка позволили получить полуфабрикаты и изделия с повышенными рабочими характеристиками. В частности, стойкость порошковых электродов машин контактной сварки ~ в 2 раза выше по сравнению со стандартными, а формоустойчивость кернов оксидных катодов - в 1,6 раза.

5. Результаты исследований использованы при разработке технологии получения изде-

лий конструкционного назначения из латунных порошков и их смесей с дробленными стружковыми отходами латуни на ПО «Знамя труда» (г. Санкт-Петербург), на опытно-промышленной базе ВНИИЭСО (г. Санкт-Петербург) внедрена технология производства электродов машин контактной сварки, на ПО «Светлана» производство кернов оксидных катодов на основе никеля. Годовой экономический эффект от внедрения разработок с учётом доли творческого участия соискателя составил 630,455 тыс. руб. в ценах 1990 года.

Личный вклад автора:

Идея, постановка и разработка теории деформирования пористых материалов на базе уравнения пластичности эллиптического вида с учётом изменения их физико-механических, упругих и деформационных свойств в процессе уплотняющей деформации.

Идея и разработка обобщённой реологической модели деформируемости объёмно-сжимаемого материала, учитывающей статистические параметры, изменяющиеся в процессе его уплотнения, такие как плотности распределения безразмерных пределов текучести всего материала и его матрицы, обоснован закон упрочнения.

Впервые предложен и решён на базе энергетического подхода ряд наиболее характерных в ОМД технологических задач пластичности пористых спечённых заготовок с учётом деформационного упрочнения материала, контактного трения с инструментом.

Разработанная автором теоретическая модель в сочетании с решением технологических задач показала хорошую степень корреляции с экспериментальными данными.

Лично разработан и решён теоретический метод определения физико-механических и упругих свойств объёмно-сжимаемых материалов в завиримости от пористости.

Идея и разработка критерия деформируемости, а также методики построения диаграмм пластичности для пористых материалов.

Идея изучения влияния законов распределения гранулометрического состава исходных порошков на физико-механические и технологические свойства спечённых изделий.

Автором доказано отсутствие влияния пористости материала на коэффициент Пуассона, а также разработана методика расчёта коэффициента поперечной деформации, получена обобщающая зависимость от пористости.

Идея и методика экспериментального определения характеристик упругости пористых материалов, физико-механических свойств.

Автор принимал сам