автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Закономерности феноменологических и структурных изменений при растяжении для разработки режимов сверхпластической формовки сложнопрофильных изделий из латуни

Московский государственный институт стали и сплавов

(Технологический университет)

Р Г Б ОД

. ,, ,1!Гт На правах рукописи

и

аспирант АБДЕЛЬ РАУФ МОХАМЕД ИБРАГИМ МИАД

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РЕЖИМОВ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛАТУНИ

Специальность 05.16.05 — «Обработка металлов давлением»

/'

/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа 'выполнена в проблемной лаборатории деформацш сверхпластичных 'материалов Московского 'государственной института стали и сплавов (Технологический университет).

Научные руководители: член-кор. РАЕН, проф., д.. т. н! О. М. СМИРНОВ, с. н. с.,, к. т. н. М. А. ЦЕПИН.

Официальные оппоненты: ^ -

докт. техн. наук В. Н. ЧУДИН, канд. техн. наук А. А. ЛОБАЧ.

¡Ведущее предприятие: НПО машиностроения.

Защита диссертации*1 состоится « . » г.

в '10 часов на заседании специализированного совета К.053.08.02 в Московском институте стали и сплавов по адресу: '117936, Москва, ГОП-1', Ленинский проспект, дом 4, ауд/436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан « . » . 1994 ^

Оправки по телефону: 235-99-50.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук Н. А. ЧИЧЕНЕВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Экспериментально-теоретические исследования в области сверхпластичности (СП), проведенные в последнее десятилетие, показали, что многие вопросы феноменологической теории сверхпластической деформации (СГЩ) должны рассматриваться с позиций комплексного подхода к макродеформации . Этот подход предполагает учет не только исходных значений геометрических характеристик деформируемого объекта, реологических параметров и микроструктуры металла, но и их изменение в процессе формоизменения, связанного преимущественно с деформацией растяжения. При этом важное значение имеет расширение области описания темпе-ратурно-скоростных и структурно-кинетических режимов СГЩ в достаточно широком диапозоне. Таким образом актуальным для теории обработки металлов давлением является далнейшее развитие представлений о феноменологии СП на базе такого подхода.

С другой стороны, к числу технологий, наиболее полно реализующих преимущества оверхпластической деформации при растяжении, относится листовая сверхпластическая формовка (СПФ) слон-нопрофильных полых деталей с поверхностным рельефом. Работы, выполненные ранее за рубежом и в России по СПФ некоторых видов изделий из сверхпластичных сплавов, показали реальную практическую возможность и достаточно высокую эффективность применения новой технологии на базе сверхпластичности. В токе время появились промышленно выпускаемые сверхпластичные сплавы ( например, латунь ЛбЗ с повышенным содержанием кремния), для которых характерна низкая термическая стабильность структуры, и структурные изменения при СПД оказывают заметное влияние на режимы СПФ и качество получаемых изделий. Существующие модели для расчета формоизменения и режимов СПФ как правило не учитывают эти особенности. Очевидно, что вопроси совершенствования метода« расчета и рационализации режимов СПФ для структурно неустойчивых ультрамелкозернистнх (УМЗ) материалов непосредственно связаны с общими закономерностями феноменологической теории СПД.

Решению части данных вопросов посвящена настоящая диссертация, в которой содержится новое решение актуальной научно -• технической задачи исследования закономерностей феноменологических и структурных изменений при растяжении для разработки режимов сверхпластической формовки слоягопрофилмшх изделий по-

судной группы из листовой латуни с ,УМЗ структурой.

Настоящая работа является частью комплекса исследований по разработке основ теории и технологии процессов сверхпластического деформирования (СЦЦ), проводимых Московским институтом стали и сплавов в соответствии с государственной научно-технической программой "Технологии, машины и производства будущего", проект 0.06.01.0014 "Разработка и освоение новых ресурсосберегающих технология и машин для организащш интегрированных производств по выпуску товаров народного потребления, изделий и оборудования медицинского назначения, базирующихся на использовании сверхпластичности".

Цель работы: На основе экспериментального исследования структурных изменений и реологических свойств при нагреве и СДД сверхпластичной латуни JI63, экспериментального и компьютерного моделирования процессов растякения и СГ№ сложнопрофильных деталей разработать методические основы для расчета технологических режимов СПФ для производства изделий с декоративным рельефом и повшвеншми потребительскими свойствами.

При выполнении работы решались следующие задачи:

1. Исследовать и количественно описать структурные и реологические характеристики листовой промышленно выпускаемой сверх-пласгичной латуни при нагреве и СПД в широком температурном диапазоне.

2. Разработать методику, математическую и компьютерную модель для расчета и имитационного моделирования процесса растякения с изменяющимися режимами СПД.

3. Провести экспериментальное исследование и компьютерное моделирование процесса растяжения и СПФ для условий нестабильной мэлкозернистой структуры латуни.

4.- Опробовать результаты, полученные при исследовании одноосного растякения при расчете режимов СПФ методом конечных элементов (МКЭ) с помощью прикладного пакета SPLEti-0 и дать рекомендации для его усовершенствования.

5. Провести технико - экономическую оценку эффективности разработанных рекимэв СПФ для производства изделий типа "самовар электрический"

Научная новизна.

I. Для листоьой латуни ЛБЗ с 0,13 % si с исходной мелкозернистой структурой в диапазоне температур 450 - 720 °С исслодо-

ванн характеристики структуры при нагреве и СПД и получены количественные теоретические зависимости для расчета обобщенного структурного параметра и скорости его роста в зависимости от температуры, времени нагрева и скорости деформации при СПД.

2. На основе экспериментальных исследований аналитически описаны реологические характеристики СПД и определены значения параметров уравнений нелинейной вязкости и ЭР-среды с термическими поправочными множителями Зенера-Холломона по отношению к оптимальной температуре СДЦ.

3. На основе экспериментального и компьютерного моделирования разработана методика исследования процесса растяжения образцов с изменяемыми геометрическими , структурными и реологическими характеристиками для контролируемых и изменяемых термомеханических режимов нагрукения.

4. Усовершенствована методика расчета режимов СПФ с помощью МКЭ, реализованного в пакете прикладных программ БРЫЛ-О.

Достоверность результатов подтверждена при растяжении плоских образцов, экспериментальной лабораторной и опытной проверкой при проведении формовок и получении деталей типа "конус", "крышка", "корпус самовара электрического".

Практическая значимость: I. Получены новые количественные данные о структурно-кинетических и реологических параметрах сверхпластичности в широком интервале температур, которые воили в базу» реологических данных и применены в расчетных моделях для анализа формоизменения и режимов СПФ.

2. Разработан пакет прикладных программ для моделирования и исследования процесса растяжения образцов из листовых сверхпластичных материалов с изменяющейся ИЗ структурой.

3. Уточнены технологические реммы СПф при изготовлегам деталей изделия "Самовар", которые использованы в производстве.

4. Разработаны технические требования для усовершенствования прикладного пакета программ "БРЬт-0", учитывающие возможность расчета режимов и формоизменения оболочек гтри СПФ для материалов с нестабильной при С1Щ структурой.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Всесоюзной научно - технической конференции "Сверхпластичность неорганических материалов", Уфа, 1992; и на международной конференции 1СЗАМ-94, Москва, 1994.

Публикации. По диссертации опубллковано 3 печатных работы.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, изложена на страницах машинописного текста, содержит ^-рисунка, Таблиц, библиографический список из -/с/ наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, ее практическая значимость и основные положения которые выносятся на защиту.

В первой главе дается обашп характеристика сверхлластичнос-та, закономерности процесса растяжения и особенности технологии СПФ материалов с УМЗ структурой. Рассмотрены результаты исследований по СПД двухфазных латуней и возможности практического использования СПФ при производстве посуда из медно-цинковых сплавов с УМЗ структурой.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ

В качестве материала для исследований била выбрана цромыш-ленно выпускаемая на Кировском заводе по обработке цветных металлов листовая латунь ЛСЗ с добавкой до 0,13 % 81. Промышленная технология производства сверхпл^стичного листа с ультрамелкозернистой структурой из латуни вышеуказанного состава специально для процессов СПФ была разработана институтом Гипроцветметобра-ботка совместно с Кировским заводом ОЦМ и Московским институтом стали и сплавов. Повыиенное содержание кремния, не превышающее по объему количество допустимых примесей, позволило в пределах стандартного химического состава беп изменения марки латуни обеспечить перевод однофазного сплава в двухфазное состояние при температурах 450 - С75 °С и получить УМЗ структуру материала.

В работе в целях детального' исследования изменений сверх-пластичоских свойств промышлекно выпускаемой латуни в зависимости от температуры нагрева, времени и скорости деформации были провэдэны шдсроструктурные исследования и высокотемпературные механические испытания на образцах, вырезанных вдоль направления прокатки из листов толшной 0,5 - 1,0 мм с размерами рабочей части образца 14x6x1 мм. Исследование структуры проводили методами световой микроскопии и количественного микроструктурного

анализа на микроскопа "гдаэРНОТ-ЗО". На основании ранее проведанных исследований в качестве основной количественной характеристики южроструктуры использовали обобщенный структурный параметр, учитывающий размер фаз и объемное их соотношение, что позволило определить и описать характеристики эволюции структуры сверхплэстичной латуни при изотермическом нагреве и СПД.

Исследования реологических характеристик при СПД сверхпластичной латуни проводили при испытании на релаксацию нагрузки, ползучесть с постоянной нагрузкой, при испытании с постоянной скоростью деформации и ступенчатом изменением скорости деформирования при растяжении на специализированной установке, создонной на базе испытательной машины 1231-УЮ .

Обработку результатов експериментов проводили с использованием методов математической статистики.При этом использовали стандартные пакеты программ "Statgгafn, "ОгарЬег", "Р1отакег" и "итту" на персональном компьютере АТ 286/287, но 40 ж, 20 уоа-256 оо1. с операционной системой ДОС-5. При описании результатов были использов&ны различные аналитические зависимости, в том числе модифицированное уравнение эволюции структуры Бэка, уравнение вязкой гадкости Бэкофена, дополненное степенным множителем обобщенного структурного параметра и уравнение ЗР-среды с изменяющимся от температуры реологическими коэффициентами.

При постановке задачи разработки методики компьютерного моделирования процесса растяжения были взяты за рснову простые соотношения инженерной теории конечных деформаций для несжимаемого изотропного тела, но со сложно изменяющимися нелинейными реологическими и структурно-кинетическими характористкиками, зависящими от времени и температуры. При этом были рассмотрены особенности начальных поэлементных разбиений и геометрических характеристик очага деформаций для наиболее характерных сечений деформируемого образца. Кроме того, был проведен поэтапный анализ формоизменения и режимов нагружения на основе оптимального согласованного управления процессом ползучести в наиболее характерных (критически) сечениях листовых образцов с различными геометрическими неоднородностями.

При исследовании формоизменения типовых элементов наиболее сложных форм, получаемых СПФ деталей, использовали специализированную компьютерную систему - пакет прикладных программ "Бршг-О", разработанный ранее коллективом сотрудников ряда

организаций иод руководством к.т.н. Е.Н.Чумаченко. Пакет прикладных программ £3plen-0, основал на методе конечных элементов и позволяет производить расчет течения металла при СПФ.

При експеримонтальной проворкэ расчитанных по программе "SPLEM-0" . технологических решив СЛОЕ» использовали методику технологических проб, в виде форг.'свлк конусов и осесимметричных деталей со слоакым художественным рельефом "крышка" и " корпус самовора " Для вксперимзнталышх исследований СПФ этих деталей использогали ранее созванную в Вятском Государственном Технологическом Университете установку Оазо пресса П311 1,6 ЫН со специально спрс .лчнроьйшшм изготовленным изотермическим нагревательным блоком с рабочей температурой нигрева до 1000 °С, ноюшальнш давлением 2 №а и специализированным разъемный инструментом под плоскую заготовку диаметром до 150 мм или под цилиндрический стакан высотой до 170 ш к диаметром до 150 мм.

Анализ экономичзско!! b®ok5 из}10сти новик тохнология проводили методом расчета стуктурц себестоимости и гфиведешшх затрат с использованием специально созданной в МИСиС компьютерной программы.

СТРУКТУРНЫЕ ШШЕНИЯ И РЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЛАТУНИ ПР/ И30ТЕРМИЧ6:0КС.'У HATPES2 И СОД

Исследований структурных изменений в латуни при изотермическом отжиге и СПД в зависимости от времени, температуры и скорости зависимости проводили на основе анализа содержания р - фазы (Vp), определенного точечным и линейными методами и значений обобщенного структурного параметра П в виде:

п - ,(Vp /(I- У= Ai^p ' La / b(3 • < 1 >

где La; bp - -„'редкий размер фаз и межфазных расстояний, определенный методом случайны;', секущих.

Еило установлено, что прл измэнонии вромени отжига от 600 до 2400 секунд oOiti.vjisii доля высокотемпературной Р - Фазы практически не изменяется я зав'лси?, п основном, от' температуры, составляя 45 i I Si при 450 °С и увеличиваясь до 65 - I % при 675 °С и до 100« при 720°С. При этом множитель Ъа/1>а изменяется от 0.8 при .450 0 С до 1.0 при 600 °С и до 1.8 при 675 °С.

*'исследования выполнены к'.т.н. С.М.Поляковым

Анализ гистограмм распределения Ь =/Ьд-Ьр по размерам показал, что при 6,50°С и 1 = 15 мин. средневзвешенный размер Ь сотавил 5,7 рм ( П = 7,5 рм ), что соответствовало 31.3% всех измерений при разбросе значений распределения I. от I ( 1%) до 23 (0.5Ж)_|^м. С увеличением времени изотермического нагрева т до 2 часов Ь увеличивается до 15.8 цм ( 14.8 %) и разброс измерений составляет от I цм (0.4й) до 33 рм ( 2.7%). Таким образом с увеличением времени выдержки, при нагреве перод СПД происходит не только увеличение средних размеров фаз, но и возрастает разброс в распределении их размеров.

Описание зависимости • О от времени при разных температурах показало, что в логарифмических координатах она хорошо аппроксимируется кривыми, спектр которых с достаточно высокой точностью соответствует модифицированному уравнению Бэка:

<1 ■ 1/а

П - { По + В-ехр[-0а/(1М)Ь (т^- то) ) , ( 2 )

где По - начальный размер зерна (4..5 цм) в начальный момент времени то ( а 1,0 с); ть - время изотермического нагрева перед СЦЦ; Г - температура нагрева в град. К; й = 8,31хЮ"3 кДж/(моль°К) - универсальная газовая постоянная; а а з-5 - показатель стопени роста стуктуры; о - кажущаяся энергия активации эволюции структуры при отжиге.

Первичные эксперименталные дашше для 0 и зависимость (I) показаны на рис.1 и 2.

Для описания структурных изменений при СПД использовали результаты испытаний на ползучесть с постоянной нагрузкой 20 и 30 н и дифференциальный закон относительной скорости роста обобщенного структурного параметра П, как функцию текущего значения П , интенсивности скорости деформации СГЩ £ и термоактива-ционных параметров : .

¿1 П Со ,-(5п , .

где Со, р, а, ь - постоянные параметры, не зависящие от температуры, Од- среднее значение кажущейся энергии активации структурной эволюции в интервале температур СГЩ. Начальными условиями для уравнения (2) задаются из уравнения (I) для фикси-

{ювашюго времени нагрева Это позволяет связать расчет изменения структуры при изотермическом нагреве перед СЦЦ и структурную эволюцию при СЦЦ в единый процесс .

Время отжига, с

Рис. I. Первичные экспериментальные зависимости обобщенного структуриого параметра от температуры и времени изотермического отжига

Рис. 2. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимости оСощонного структурного параметра от температуры и времени изотермического откига

Изменение 'скорости роста структуры от обобщенного структур ного парпметра и скорости деформации и показано на рис.3.

^ ю'

ZLm Л ft 10°

^ ю"

и о

а ю

ю ю"

20

25

Структурный параметр Q , jj м

35

Рис.3. Зависимость скорости роста П от обобщенного структурного параметра и скорости деформации

Высокотемпературные механические испытания на релаксацию нагрузки, проведенные при температурах 600, 650, 675 и 700°С m образцах с исходной и отожженной до 4 часов структурой, позволили получить зависимость реологических характеристик сворхплпс-тичности в широком темпэратурно-скоростном интервала.

Зкепаримвнотальные данные были описаны двумя типами реологических уравнений. Уравнением SV-среды с термическими множителями вида:

Св.«р{ а-П а-

яр О.'Zt)

(а_ __

(o^'-Z - о)

* 3 т

с

Г 1 1 1

гт = ехр|— • (--- ) , ( 5 )

I К Т Тар -I

где _ Сеч~ вквикогезивная скорость деформации, определяющая веришй предел скорости СПД и положительную чувствительность напряжений течения о к увеличению структурного параметра С1;

зр ар ьр

°о ' ~ соответственно еквикогезивное, пороговое

напряжения и предел текучести для оптимальной температуры СПД -Тзр (К .

значение кажущейся энергии активации СПД течения; Zт - термически шокитель, аналогичный коэффициенту Зене-ра-Холломона, позволяющий соотносить скорость деформации по отношению к значениям при оптимальной температуре СПД;

а.р.п^- реологические коэффициенты, независимые от структуры П, скорости СПД £ и температуры Т внутри интервала СПД;

Расчетше и экспериментальные зависимости а = показа-

ны на графике рис,4.

В качестве второго уравнения для описания реологических зависимостей сверхпластичности использовали уравнение нелинейно-вязкой жидкости Бэкофена со степенной зависимостью от струтурного параметра:

го I

о = к-охр [<5^(11.1)] • § .0 , ( 6 )

где к , т - коэффициент пропорциональности и показатель скоростного упрочнения уравнения Бэкофена; <2а- кажущаяся анергия активации СГЩ течения; 1 ~ показатель структурного упрочнения.

Описание экспериментальных данных в зависимости от температуры и соответствующих значений структурного параметра с помощью удлинения (6) представлено на рис.5.

Как следует из данных рис.4-Б оба уравнения с достаточно высокой точностью описывают реологические характеристики СПД и могут быть использованы для описания процессов растяжения и СПФ.

Рис.4. Зависимость напряжения течения от скорости деформации и структуры при оптимальной температуре СЛД, рассчитанные по уравнению (4)

Рис.5. Зависимость напряжения течения от скорости

деформации, температуры и структурного параметра, рассчитанные по уравнению (6)

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ

Одна из важнейщих проблем для компьютерного математического моделирования сверхпластического течения при растяжении, с одной стороны, состоит в точном описании сложных феноменологических свойств СПД с изменяющимися геометрическими, реологическими, структурными и другими характеристиками для конкретного сплава под действием определенной температуры, нагрузки или скорости растяжения, а с другой сторож, требует аффективной наглядной интерпретации данных результатов расчетов с помощью широких возможностей компьютерной интерактивной графики с возможностью контроля и изменения необходимых параметров испытаний в процессе расчетной процедуры в режиме реального времени.

Решение первой части этой проблемы возможно в случае использования относительно простых аналитических или же численных механических моделей формоизменения в сочетании со сложной феноменологической моделью реологического поведения материала с УМЗ структурой, адекватно описывающей нелинейное поведение струк-турно-чуствительной вязко-плас!ч:чной среды с изменякдамися структурными параметрами в температурно-скоростном интервале от высокотемпературной ползучести до горячей пластической деформации.

Вторая часть решения проблемы, кроме достаточно продолжительного премени, обеспечивается за счет высокой квалификации прикладного программиста и использования всего спектра возможностей современных компьютерных графических пакетов.

В настоящей работе предложено при моделировании механики процесса сверхпластичного растяжения образцов использовать очевидные геометрические и простейшие физические соотношения для непрерывного изотропного несжимаемого вязко-пластического тела с однородной равноосной изменяемой микроструктурой, деформируемого на установившейся стадии под действием постоянной приложенной нагрузки.

Рассмотрим рабочую часть плоского образца, деформируемого под действием постоянной силы в направлении X . В соответствии с третим законом Ньютона в каждом поперечном сечении вдоль длины образца Ь сила Р должна быть постоянной и если допустить, что напряжения течения о по площади сечения Р рапроделени равномвр-

но, мы можем записать для каждого момента времени %■.

р = 00»Р0 = о.р . ( 7 )

Для несжимаемого тела, очевидно, будет справедлив закон постоянства обема для деформируемой части образца:

V = = Р-Ь . ( 8 )

Мокродеформация образца описывается для каждого отдельного поперечного сечения в форме отношения между начальной площадью и Р и истинной логарифмической деформации в :

Р = Р0-ехр( 6 ) , ( 9 )

которая выражается относительно интенсивности скоростей деформации 4 уравнением :

е = } ев.«к . < 10 >

о .

Чтобы система (7)-(10) была закрытой необходимо'кроме отделенных началышх и граничных условий ввести реологичские соотношения феноменологической модели сверхпластического течения. В данном случав ми использовали систему уравнений (1)-(5).

Для численного решения системы уравнений (7-10) образец

разделили по длине на п плоских элементов высотой ДХ1 с площадями поперечных сечений ?1 и Р1+Д?1и переписали для кавдого

элемента постоянного объема уравнения в конечных разностях:

Р1

о = - , ( 7а )

1 Р1

У1=0.!5. (2-Р1+ЛР1)-ДХ1, ( 8а

Уравнения (2-3) и (4,5) были реализованы в форме конечных Еуккцкй. Граничные и начальные условия были введены в виде отсутствия перемещений в тонких слоях В поперечных сечениях на юнцах рабочей части образца, а такке с помощью заданных распределений размеров элементов &Х1о, 1ио и начальных значений )бсбщв1шого структурного параметра Шо. Момент потеря устойчи-юсти и начала образования шейки иммиигровали введением началь-гай неоднородности поперечного сечения в середине длины образца. 1омонт разрушения образца определяли из условия нулевого или

отрицательного значения площади опасного сечения или из условия:

о - о $ 0.1-о . ( II )

вез

Компьютерная программа для реализации приведенной выше модели была выполнена с помощью языка гтрограмирования ФОРТРАН-77 ( версия 5) фирмы Mioroeoft, совместимого с графической библиотекой СИ той же фирмы. Главный модуль программы включал различные виды обращений к внешним и внутренним процедурам и функциям для программных расчетов, представления результатов, обслуживания операций ввода-вывода и записи на твердый диск и процедур инициализации ключей управления. Програмный комплекс, названный нами "TENSILE" был полностью структурирован. Он также содержал главный файл начальных данных и файл с параметрами графической маски изобракейний для дисплея. Из первого файла считывалась информация о деформируемом сплаве, его реологических и структурных параметрах и их изменении, размерах образца и-параметрах его разделения на плоские элементы, параметрах распределения обобщенного структурного параметра по длине образца и начальной геометрической неоднородности поперечного сечения, параметрах анизотропии, значениях приложен!.-й нагрузки и температуры деформации. Второй файл состоял из численных значений, определяющих на дисплее параметры и картину изображения результатов расчета в виде движущегося изображения растягиваемого образца в изменяющейся шкале размеров. Специальная подпрограмма показывала на дисплее rpsíMK изменения напряжений и скорости деформации в зависимости от времени деформирования.

В любой момент времени было возможно остановить процесс растяжения и изменить значения нагрузки, температуры или реологических параметров и перезапустить процесс вычислений с того же самого или же любого другого момента времени. Таким образом различные законы нагружения и режимы испытаний могли быть реализованы для исследования процесса растяжения при СГЩ. Выла также предусмотрена в любой момент остановки программы запись в файл с изменяющимся именем результирующих, данных. Там содержались текущие значения распределения по длине образца деформаций, скоростей деформаций, напряжений, параметров структуры, размеров деформируемых элементов и их координат по длине образца. В момент разрушения образца все вти сведения автоматически записывались в специальный файл данных "CRACK". Форматы файлов данных

били выбраны таким образом, чтобы при обработке численной и графической информации моино было использовать графические пакеты Сгарйвг и Р1сгаа1сег , что облегчало процедуру редактирования и распечатки твердых копий изображаемой информации.

Проварку .результатов, полученных с помощью приведенной выше методики и программы расчета формоизменения при одноосном растяжении, проводили при испытаниях образцов с размерами рабочей части 14x6x1 юл начальным значением По= 4,2 цм-на ползучесть при температурах 520 - 720° С для различных значений прилагаемой нагрузки от 10 до 65 Н.

Результаты сравнения экспериментальных и теоретических данных, представленные на рис.6 , показывают хорошее соответствие основным закономерностям изменения относительного удлинения от скорости и температуры ГОД.

400

Л"

аоо |гоо 100 о

Рис.6. Экспериментальная и теоретическая зависимости относительного удлинения от скорости и температуры СОД

Кроме того били получены обширные расчетные результаты о различных видах распределений параметров процесса формоизменения при растяжении, некоторые примеры которых представлены в диссертации.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВУХОСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ СПФ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРИКЛАДНОГО ПАКЕТА "БРЫМ-О"

Анализ процессов СПФ проводили с использованием математи чоской модели на основе метода конечных элементов (МКЭ). Считая

среду сжимаемой, было принято, что гидростатическое давление линейно зависит от скорости объемной деформации на малом отрезке времени, а накопление гидростатического давления учитывалось с использованием простой итерационной процедуры суммирования. Это позволило свести интегральна - дифференциальные уравнения движения к дифференциальным уравнениям того же порядка. Поле температур в рассматриваемых задачах предполагалось известным, поэтому уравнения механики сплошной среда становились замкнутыми на основании связи между напряжениям и скоростями деформации.

Формоизменение в состоянии сверхпластичности происходит достаточно медленно (квазиститическая задача), поэтому временной интервал разбивался на подинтервалы Дт, внутри которых считалось, что изменение скорости перемещений не происходит. Задача решения уравнений равновесия сводится к решению системы уравнений эллиптического типа с соответствующими грашгашми условиями.

Приближенное решение задачи формоизменения нелинейно-вязких материалов под действием внешней нагрузки строится с помощью метода секущих модулей. На первом шаге деформирования решается 'задача для вязкости це = li = const во всей области. Далее из

о

связи ое = f ( CJ ), вида (6; где является основной переменной, а И - параметром, находим второе приближение поэлементного распределения поля вязкостей |де (£е, По) как функции координат це(х,у). Подставляя эти значения в матрицу жесткости, получим систему линейных уравнений для определения второго приближения к ршению нелинейной задачи. Такая подстановка, учитывая специфику вывода основных соотношений, эквивалентна введению фиктивных массовых и поверхностных сил. Итерации приближения выполняются нужное число раз, пока не выполнится условие

I цег < е. ( к )

Для перехода к следующему этапу деформирования определяли новое значение ое и параметра П по уравнению ( 3 ) в каждом элементе. На первом этапе ое = oq, П = По. Зная скорости перемещений и временной интервал At, находим новую конфигурацию границ. Затем формируется матрица жесткости и после задания граничных условий в скоростях и смешанного типа (условия напряжения выполняются при формировании ансамбля) получаем систему уравнений, определяющую очередной этап деформирования. При этом р.® = ( П1). Таким образом, процесс йожет быть продолжен до получения заданной величины деформации оболочки или времени СПФ.

Изложенный выше алгоритм был реализован с использованием пакета прикладных программ БРЬШ-О, разработанного и модернизированного с учетом выше изложенного к.т.н. Е.Н.Чумаченко с сотрудниками. Пакет структурирован и включает в себя препроцессор, ядро (процессор) и постпроцессор.

Подготовка информации для препроцессора осуществлялась с помощью специального меню, позволяющего рассчитывать и изменять конфигурацию штампового инструмента, проводить генерацию и оптимизацию сетки конечных элементов для заготовки, определять ее форму и габариты, а также объем полости штампа при контролируемом режиме деформирования, задавать условия граничного трения, реологические свойства материала. В соответствии с техническими условиями, разработанными на основе результатов данной работы, процессор пакета БРЬЕЫ-О был модифицирован его авторами специально для учета влияния структуры на режимы СОД латуни за счет введения уравнения механического состояния сверхпластичности' со структурным параметром (6) и дифференциального урайнения эролю-ции обобщенного структурного параметра (3).

Постпроцессор позволил представить полученную в расчетах информацию в численной и графической форме. При этом для любого £кксированного момента времени получали в численном и графическом виде поля гидростатического давления, интенсивностей деформаций и скоростей деформаций, структуры оболочки, форму оболочки з процессе заполнения гравюры штампа и график давления.

На основе математического моделирования формоизменения июжнопрофилных оболочек из латуни с заданными реологическими и :труктурно-К1шетическими характеристиками были изучены основные ¡акономерности изменения полей деформаций, скоростей деформации, ■ндростатических давлений, структурных изменений при СПФ дета-юй типа конус, крышка и корпус самовара в зависимости от усло-!Ий контактного трения, исходной структуры и режима нагруяения,

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СПФ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

В качестве изделий для разработки технологии СПФ в работе или выбраны детали самовара электрического ( корпус и крышка), пециально спроектированных с учетом технологических возможнос-эй получения при СПФ глубокого декоративного рельефа.

Для разработки и реализации конкретных технологий на НПО

"АВИТЕК" были использованы два вида изотермических блоков с разъемными подвижными матрицами и сменными вкладными элементами с рельефом, устройствами,обесшчиваодимл предварительное деформирование заготовки и извлечение готовой детали из гравюры с поднутрениями и рельефом на поверхности. Конструкция одного из штампов и технологические переходы получения пространственных заготовок иод СПФ приведены в диссертации. Результаты опытных формовок подтвердили целесообразность использования расчитаюшх в работе режимов СПФ.

При технико - экономическом анализе эффективности применения новой технологии для годовых программ выпуска от 50 до 100 тыс. изделий рассчитана себестоимость и приведенные затраты производства самовара электрического в твердой валюте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. При исследовании нагрева и изотермической выдержи промышленных листов сверхпластичной латуни при температурах 450 -675 °С и времени до 4 часов установлено, что исходная холодно-катанная нерекристаллизованная структуры при нагреве под СПД преобразуется в ультрамелкозерь:.стую с размером фаз 4 - 5 цм и в процессе последующей выдержи существенно огрубляется. Значение обобщенного структурного показателя П при этом увеличивается в среднем в 4 - 6 раз и с достаточной для практических целей точностью (5 - 7 %) описывается в зависимости от времени и температуры с'тага уравнением Бэка с показателем степени для структурного параметра ~ 5 .

2. Установлено, что высокая скорость роста зерен при нагреве и СПД латуни в процессе растяжения приводит к значительному огрублению структуры, что не позволяет получить высоких значений относительного удлинения. Поэтому предложено проводить расчет параметров структуры перед и при СГЩ как единый процесс с учетом роста структуры при нагреве до начала деформации.

3. Установлено, что при оптимальных температурах сверхшшс-тичности латуни (600 - 700 °С) результаты испытаний на релаксацию нагрузки (в диапазоне скоростей. Ю"5 - Ю-1 с-1) с ошибкой 7 - 8 %. описываются уравнениеми SP-среды и нелинейно - вязкой жидкости (показатель скоростного упрочнения го = 0,4) с дополнительным степенным множителем обобщенного структурного параметра с показателем структурного упрочнения, равным 1,6.

4. Разработанная методика моделирования процесса одноосного

растяжения и прикладная компьютерная программа позволили провести детальный анализ изменения основных структурных и реологических параметров .Показано, что сочетание простой механической' модели макродеформвции на установившейся стадии изотропного несжимаемого в/тзко-пластического тела и сложной феноменологической модели на основе реологичеческого уравнения SP-среды и уравнений эволюции структуры при нагреве и СПИ при численных методах реализации с достаточно большим поэлементным разбиением полностью описывает основные закономерности сверхпластичнооти.

5. На основе результатов исследования феноменологии сверхпластичности проведена модификации комплекса программ "SPLEN-O", основанного на МКЭ. При анализе формоизменения простых и сложных оболочек, проведенного с его помощью в настоящей работе, установлено, что изменение структуры при СПФ для реальных условий контактного трения существенно влияет на распределение скоростей деформации, деформаций , форму оболочки и режим нагрукения. Это необходимо учитывать при расчетах СПФ структурно нестабильных сверхпластичных сплавов.

6. По результатам технико - экономического анализа эффективности технологии СПФ определена область es применимости при промышленном производстве электрических саиозаров.Показано, что объем эффективного выпуска при использовании СПФ достигает 20 тысяч изделий в год, если цена на сверхпластичный лист не превышает в 1.5...2 раза цены на стандартную латунь.

основное содержание диссертации опубликовано в работах: I. Абдоль Рауф Миад, М.А.Цепин, А.Н.Ершов. Особености компьютерного моделирования сверхпластической деформации при одноосном растяжении.// В сб.Тезисы докладов 5 Всесоюзной конференции сверхлластичность металлов. Уфа. ИПСМ АН СССР,1992, с.31.

S.Abdel Rauf Hiad, M.A.Teepln, A.N.Yershov.Computer Program net for Superplastio material oreap teet simulation. РгооеБвев with the Structural Evolution under SPD // Proo. Int.Conf. ICSAH-94 "SuperplaBtioity of Advanoed Material". - Mosoow: MIS&A, 1994, p.161.

3. E.N.Chumaohenko, Abdel Rauf Miad. M.A.Teepin. Computer simulation of SPP ргоееввев with structural évolution eensiti-vity. // Proo. Int. Ccnf. ICSAM-94 "Superplaatioity of Advanced Material". - Mosoow: MIS&A, 1994, p.159. • '