Физические модели в исследовании и разработке процессов гидростатической обработки материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Л п V . 1

^ , ---- , -АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ДОНЁЦКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БЕЙГЕЛЬЗИМЕР Яков Ефимович

ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В ИССЛЕДОВАНИИ И РАЗРАБОТКЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.04.07 — «Физика твердого тела»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ДОНЕЦК — 1П94

Диссертацией нвллотск рукопись,

Работа выполнена в Донецкой фиэико-техиичвскоы институте АН

Украины.

0|бщавлыше оппонента: доктор технических наук, профессор, вкнД&икк АГНУ Алышеов А.Д. доктор технических наук, профессор Гавршшк В.Г.

доктор фнаико-ьгитецатичеоких наук, профессор Токий В.В.

Вадуш.ая организация: Институт проблем материаловедения АН Украины.

Защп-а состоится " 10 " февраля 1994г. р!4 ^ часов на '.заседании Споциажизцровашюго Совета Д.01в.32.01 при Дон (ИИ АН Украшш по адресу: 340114, Донецк, ул. Р - Лщ семоург, 72. С дассертшршй можно ознакомиться в бийлиотеке Дон ФТИ АН Украина.

Автореферат разослан _" января 1994 г,

Учепыа секретарь

Специализированного Оовета

кандидат Аизико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Открытие аффекта пластификации твердых тел под давлением инициировало развр""Ио физических, материаловедческих и технологических исследований. В настоящее время, несмотря на значительный прогресс,, достигну™® по данной проблеме в рамках кавдой из этнх дисциплин, можно констатировать слабое взаимодействие между исследованиями, проводимыми в разных направлениях.

Обусловлено вто тем, что деформируемый материал, совместно с другими объектами технолсгаческого процесса, представляет собой слоютув шюгоуропневую систему, а каждая из указанных дисциплин связано с определенными масштабными уровнями.

Такое положение дол нельзя признать удовлетворительным, так как целый ряд важных с практической точки зрения аффектов обусловлен нелинейным взаимодействием мезду микро- и макроявлениями. В связи с этим, несмотря на успехи физики пластических деформаций под давлением, ее результата нэ жгут быть достаточно эффективно использованы при разработке технологий, так как получены они в условиях относительно простых испытаний, и нет способа распространения этих результатов на более сложное напряженно-деформированное состояние.

Из сказанного следует, что актуальными являются исследования и разработка, направленные на установление болев тесного взаимодействия мэжду физическими и технологическими исследованиями, которые бы позволили, с одной сторона, более эффективно использовать результаты физических исследований в технологиях, а с другой стороны - поставили бы перед физикой новые задачи, вытекающие из практики обработки металлов давлением.

"Благодарным" технологическим объектом в сшс-ла такого взаимодействия являются процессы обработки материалов в среда жидкости высокого давления (гидростатическая обработка материалов), исторчя развития которых тесно связана с физическими исследованиями. Дело в том, что жидкость представляет собой уникальный инструмент, ив имеющий собственной формы и оказыващий малое сопротивление сдвиговым деформациям. Благодаря этим качествам жидкости, можно так организовать процесс пластического деформирования, чтобы относительно легко и , главное, . без потери

устойчивости заготовки, управлять величиной гидростатической составляющей тензора напряжений в очаге деформации и, следовательно, реализовать известные положительные эффекты высоких давлений.

• Цель работы;

разработка континуальной теопии пластическош деформирования и разрушения материалов под давлением, учитывающей влияние давления на макро- и мэзосконические механизмы этих процессов, я создание на втой основе физически обоснованных методов расчета и проектирования процессов гидростатической обработки материалов.

В диссертацг,очной работе решаются следующие задачи:

1.Предложить концепцию взаимодействия исследований в области физики пластических деформаций под давлением с технологическими разработками.

2.Разраоотать математическую модель структурно-неоднородной среды, учитывавшую основные аффекты влияния давления на механизмы пластической деформации и разрушения компактных, пористых и порошковых материалов.

3.На основе результатов физических исследований и разработанной физической модели структурно-неоднородной среды получить критерии макроскопического разрушения и устойчивости деформирования материалов под давлением.

4.Разработать математическую модель трения в процессах обработки материалов жйдкостью высокого давления.

5.Разработать математические модели конкретных технологических операций обработки компактных и некомпактных материалов жидкостью высокого давления, отражающие основные черты поведения объектов технологии и нозьоляющие прогнозировать наиболее " важные характеристики процесса и изделия на стадии проектирования технологии.

6.Предложить методы и устройства для проектирования процессов обработка материалов жидкостью высокого давления, органически сочетающие в себе различные виды знаний об этих процессах: результаты физическ с исследований и математического моделирования, а такта опыт, накопленный в ходе технологических разработок.

7.Разработать осповные принципы построения систем автоматизированного проектирования процессов обработки материалов жидкостью высокого давления, которые бы могли активно поддерживать провкт^ювптю (используя для того указанные выше рвзлнчпые виды

гаашгй) при неформализованном техническом задании па продукцию, о счетом большого числа варьируемых ограничений и при почетно ¡адвгашх критериях оптимизации.

На защиту выносятся!

I.Макроскопическое условно пластичности структурно-гаоднородных материалов. базирующееся па довольно общих посадках, >тро:г.пщих реальную физичоокую природу развития пластических [оформоций по мозоуровно. и учитывающее плишшо гидростатического [авлеття на механизмы пластической ролоксации внутренних юпрлжвний. . '

3.Система определяющих уравнений мэхояикя пластичности, читывоющая взаимосвязь процессов деформации и разрушения но ¡езоуровпе и огшсивагацэя влияние гидростатического давления но яти роцесси.

3.Континуальная модель контактного трения при обработке етвллов давлением, основанная на представлении зоны фрикционного октанта в виде слоя структурно-неоднородного материала.

4.Система моделей и методов для исследования а разработки роцессов гидростатической обработка материалов.

Научная новизна. Предложена макроскопическая мера Мективности действующих механизмов пластической релаксации нутротшх микронвпряжоний.

Предложено и обосновано макроскопическое условие пластичности груктурно-нооднороднмх материалов, базирующееся па довольно общих зсылках, отражающих реальную физическую природу развития процессов пастичесяой деформация и разруиежм на моаоуровнв.

Получена система онределящих урпппвний механики пластичности, штмваицая взаимосвязь процессов деформации и разрушения на ээоурошю.

Получены соотношения для продольной и стационарной пористости, мзшзвадив их о эффективностью действующих механизмов пластической «таксация мякронапряжениЯ.

предложено описание упруго-пластического перехода в рамках юряи порколяции.

Разработана континуальная модель контактного трения при ¡работке металлов давлением, основанная на представлении зоны медианного контакта в виде слоя структурно-неоднородного ¡териала.

Разработвна система математических моделей для исследования и

проектирования технологического процесса гидропрессовапия. Модели позволяют изучить формирование показателей качества продукции (прочностных и пластических характеристик материала, шероховатости поверхности изделия), исследовать динамическую устойчивость процесса, определить условия деформации оез макроскопического разрушения заготовки, оценить энерго-сшгавые параметры процесса.

Разработана модель гидромеханического обжима, позволявшая исследовать изменение геометрических размеров заготовки, изучить формирование прочностных и пластических характеристик деформируемого материала, определить момент появления полос локализованной деформации в стенке заготовки, оценить анврго-силошв параметры процесса, исследовать различные режимы работы установок.

Разработана математическая модель гидромеханической осадки порошковых и пористых материалов, которая позволяет исследовать изменение пористости и геометрических размеров заготовки, определить момент потери устойчивости материала и разрушения заготовки, оценить внерго-силовые показатели процесса.

Предложен подход к автоматизированному проектированию процессов обработки материалов давлением, базирующийся на принципах вкспертной система, роль правил в которой выполняют проектные операции.

Практическая ценность. Продлогюнная концепция взаимодействия технологических разработок с исследованиями в области физики пластических деформаций под давлением, а также разработанная система моделей, реализующих ату концепцию, позволяйте эффективно использовать результаты физических исследований при проекти^ювании технологий, повышая, тем самым, качество последних; поставить перед физикой пластических деформаций новые вопросы, исходящие из потребностей практики.

Качественный анализ разработанных математических моделей укнзивает на наиболее аффективные пути управления характеристиками технологических процессов и па резервы повышения качества выпускаемой продукц- I.

Расчетные соотношения, полученные на базе разработанных моделей, позволяют оценить численные значения показателей, характеризующих процесс и изделие. Предложенные устройства для определения относительного расположения входного и выходного отперс 1й матриц и моделирования плавных переходов от сечения

- б -

ЗГ0Т0ВКИ к овчвшш профиля, позволяют получать матрицы для адропрвссовония, имеющие высокую стойкость .и обеспечивающие эвномерную деформации и повышенную пластичность обрабатываемого этериала.

Предложенная конструкция матриц со специально заданным зспредел«нием дайны калибрующего пояска позволяет снизить давление здропрелсования и получить изделия с необходимым распределением зердости на поверхности.

Предложенный метод анализа чувствительности экспериментального }шения позволяет на основании результатов экспериментов через ззовуи матрицу так скорректировать во форму, чтобы улучшить те или ше характеристики процесса и изделия.

Предлозкенный упругий телескопический контейнер позволяет >8лизовать режимы гидромеханической осадки, обеспечивающие )лучвние полуфабрикатов с заданной, однородной по объему эристостьп.

Предложенный подход к автоматизированному 1 проектированию юцессов ОМД позволяет создавать САПРы, способные вести диалог с шюлогом, начиная с любой исходной информации при произвольных граничениях и целях проектирования.

Реализация результатов работы в промышленности. Результаты юсертации по математическому моделированию и проектированию юцессов обработки компактных и некомпактных материалов в среде даости высокого давления нашли свое применение при выполнении 7 »договорных тем. Долевой экономический эффект диссертанта ютавил около 250 тыс. руб. в ценах 1990 г.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на юдущих конференциях и семинарах:

на XXX ежегодной конференции Европейской группы по высоким галвшшм (Баку, 1992); на I Российско-китайском симпозиуме 1ктуальные проблемы современного материаловедения" (Томск, 1992); 1 XI, XII, XIII Международных конференциях АШАРТ "Исследования в )уке,, и технике высоких давлений" (Киев, 1980; Падеборн, 1990; ¡нгалор, 1991); на Советско-Американской конференции "Новые )териалы и технологии в трибологии" (Минск, 1992); на XIII |ВДунэродной конференции "Физика прочности и пластичности металлов сплавов" (Самара, 1992); на Мевдународной конференции "Актуальные юблэмы пластичности и обработки материалов давлением"(Варна, >90); на VII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1987);

на Всесоюзной конференции "Кинетика и термодинамика пластичесм деформаций" (Абакан, 1988); на научном семинаре "Метода механш сплошных сред в теории фазовых переходов" (Киев, 1990); на ] Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условш внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1991); I Всесоюзном семинаре "Структурные аспекты локализации деформацш (Рига, 1990); на VI совещании но старению металлических сплавс (Екатеринбург, . 1992); на научно-технических семинарах I пластичности и деформируемости при обработке металлов давление (Челябинск, 1986г, 1989г.); на IV и V Всесоюзных конференциях I гидростатической обработке материалов (Донецк, 1985; Минск, 1987] на VI Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичном металлов и сплавов (Куйбышев, 1989); На XI, XII, XIV семинарЕ "Влияние высокого давления на вещество" (Одессе, 1986, 1980 Бердянск, 1991); на школе-семинаре "Технологическая конструкционная пластичность порошковых материалов" (Краматорск 1986); на семинаре "Прогрессивные технологические процессы, машиностроении" (Луцк, 1989, 1992); на научно-техническом совещани "Состояние работ в области создания проницаемых материалов перспективы их использования" (Минск, 1989); на III Всесоюзно конференции "Контактная гидродинамика" (Куйбышев, 1981).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из: введения семи глав, выводов, списка литературы из 320 наименований, изложен на 361 странице машинописного текста, включая 67 рисунков и таблицы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 печатай работ, получено 6 авторских свидетельств И положительных решений п заявкам на изобретении.

Содержание работы

Во введении показана актуальность проблемы; перечислен положения диссертации, обладающие научной новизной и првктическо ценностью; сформул рованн основные научные положения, которы выносятся на защиту.

В первой главе представлен анализ исследований по физике механике и технологиям пластических деформаций под давлением.

Цель анализа - сформулировать концепцию взвимодвйстви исследований в области физики пластических деформаций под давление

о технологическими разработками, определить средстве, с помощью которых эта концепция может быть реализована, осущес.вить постановку, задач на их разработку и представить исходные данннэ для создания втйх средств.

В первом параграфе главы кратко освещается история развития технологий обработки материалов жидкостью высокого давления. Значительный вклад в ату область исследований внесли: Еерес-нев Б.И., Богоявленский К.Н., Бурше В.П., Вялов В.В., Галкин A.A., Гетманский А.П., Езерский К.И., Исаченков Е.И., Каменецкий Б.И, Кантин В.Г., Кобышев В.Г., Ковико B.C., Колмогоров. В.Л., Колмогоров Г.Л., Колпашников А.И., Костава A.A., Максимов Л.1)., Матросов Я.И., Петров А.П., Плахотин B.C., Розанов Б.В., Спусканш В.З., Уральский В.И., Федоров A.A., Черный В.Ф., Авицур Б., Джеймс И.Дж., Пью Х.Л., Фиорентино Р.Дж. и др.

Отмечается, что, несмотря на большое число лабораторных и опытно-конструкторских разработок, технологии обработки материалов жидкостью высокого давления покв , на заняли достойного места в структуре промышленного производства. Однако в настоящее время, ситуация складывается таким образом, что, по-видимому, следует озтидвть резкого повышения интереса к указанным технологиям. Это обусловлено изменением структуры производства (в связи с переходом к рынку значительно увеличивается доля мелкосерийного производства изделий с широким спектром форм и материалов), повышением требований по ресурсосбережению и экологической чистоте.

Специалистов по разработке процессов обработки материалов жидкостью высокого давления сейчвс крайне мало. Поэтому актуальной становится задача аккумулирования знаний по указанным процессам с целью тиражирования а тих знаний и более аффективного их использования при проектировании технологий.

Под аккумулированием знаний мы понимаем представление их в виде математических моделей, учитывающих основные физические закономерности пластической деформации и разрушения под давлением, а также в виде некоторых фактов и правил, опирающихся на накопленный к настоящему времени опыт проектирования технологий.

Во втором параграфе главы анализируются результаты исследований по изучению влияния давления на дефекты структуры и свойства материалов. Осоооо внимание, уделяется аффектам, обусловленным взаимодействие,! различных на ситабвих уровней сложной иерархической системы, которую представляет собой деформируемый

материал.

Различные аспекты физики больших пластических деформаций t разрушения материалов рассматривались в работах: Бетвхтина В.И., Валиева Р.З., Владимирова В.И., Гвврнлшка В.Г., Гридоввв В.Н., Засимчук Е.Э., Зисмана A.A., Козлова Э.В., Коневой H.A., Лихачев; В.А., Мешкова К.Я., Мильмана В.А., Панина В.Е., Рыбина В.В., Степанова A.B., Талуца Г.Г..Трефилова В.И., Фирстова O.A. и др.

Влияние давления на механизмы деформации н разрушения изучалось: Галкиным А.А, Алексеевым А.Д., Зайцевым В.И, Токиом В.В..Фельдманом Э.П., Леонтьевой A.B., Стрельцовым В.А., Варюхивым В.Н., Акимовым Г и др.

Материаловодческим аспектам воздействия давления на деформируемые материалы посвящены работа Бероснвва Б.И., Константиновой Т.К., Сцусканша В.З., Зфроса Б.М. и др.

Анализ результатов исследований по физике, и материаловедении пластических деформаций и разрушения под давлением позволил установить главные черты втих явлений, которые, в последующем, были положены в основу модели деформируемого структурно - неоднородного материала. Наиболее существенные выводы из указанных исследований состоят в следую. jM.

С ростом величины гидростатического давления происходит изменениэ характера разрушения материала в направлении преобладания вязкого типа разрушения (здесь и далее фазовые и полиморфные превращения в процессе3 деформации не рассматриваются).

Вязкое разрушение представляет собой кинетический процесс, сопровождающий пластическую деформацию на всех стадиях и масштабны! уровнях.Начинается он с возникновения и роста перенапряжений не микроуровне, связанных с необходимостью упругой вккомода'ции ир*« совместной деформации различных участков структурно-неоднородных s анизотропных кристаллитов.

В случае невозможности релаксации этих перенапряасоний путвь осуществления аккомодирующих деформаций, процесс вязкого разрушенш продолжается в виде "взрывоооразного" появления зародышевых пор, с формой, близкой к сфере, и размером около 0,1 micm. В результате пртиоходит релаксация перенапряжений, после чего зародышевые nopi не растут. .

При дальнейшем развитии пластической деформации идут да| конкурирующих процессе: роаденио зародышевых пор и их залечивание. Нци Килой величине гидростатического давления более интенсивные

оказывается пор».-' гроцесс, и концентрация зародышевых пор растет в ходе деформации.

Увеличение давления, с одной стороны, интенсифицирует залечивание зародышевых пор, в с другой - тормозит их образование. Первый эффект очевиден, второй - связап с тем, что под давлением в деформируемом материале открываются дополнительные капали релаксации перенапряжений: интенсифицируется. поперечное скольжение дислокаций, активизируется множественное скольжепив и т.д.

Важным обстоятельством при атом является то, что имеется целый ряд характерных для данного материала критических давлений, таких, что новые каналы релаксации напряжений (или, что то еэ, новые возможности пластической адаптации) открываются после того, как величина давления превысит очередное критическое значение из этого ряда. При давлениях, превшпаодих максимальное критическое значение, зародышевые микропоры вообще не образуются.

Рост концентрации зародышевых \пор приводит к тому, что они Сливаются, образуя связпые совок$йрсти (кластеры), размеры которых увеличиваются в ходе деформации. Такая картина наблюдается вплоть до появления кластеров с размером порядка размера блоков, границы которых оказывают тормозящее действие на послед^тсщий рост кластеров. В дальнейшем растет концэнтрация кластерок блочных размеров. При достаточно высокой величине концентрации они начинают сливаться, образуя кластеры более высокого масштабного уроктя, которые, в свою очередь, растут при деформации, поглощая явсплошности блочных размеров.

Таким образом процесс разрушения переходит о нижних масштабных уровней на верхние, кавднй раз подготавливая свой переход путем накопления определенной концентрации несшюшноствй нижнего уровня.

Последняя стадия разрушения заключается в резкой локализации пластической деформации в какой-либо области образца. Это явление называют потерей устойчивости "материального" типа.

В результате локализации возникает несшгошяость макроскопических размеров или происходит, разделение образца нв части, "что и называют макроскопическим разрушением.

Экспериментальные исследования показывают, что переход к последней стадии разрушения осуществляется при некотором определенном рр^тютнешга материала (разуплотнение - общий объем пор в единице объема материала), так называемом критическом разуплотнении ш . Величина ы имеет порядок Ю-г и слабо зависит от

вида испытания. С учетом того, что последняя (локализованная) стадия разрушения требует малого приращения общей (макроскопической) деформации образца, сказанное выше позволяет ввести концентрационный критерий разрушения. Последний состоит в том, что макроразрушение происходит при достижении величиной относительного разуплотнения ш некоторого критического значения ыс.

1"идростатическое давление, замедляя рост величины разуплотнения, увеличивает деформацию до макроразрушения и повышает устойчивость "материального" типа.

Компактные, пористые и порошковые маториалы проявляют под давлением нвкотог"е общие черты поведения, связанные с зависимостью пористости от деформации и влиянием величины давления на ату зависимость.

Эти выводы, а также результаты исследований по изучению оксплуотациошшх свойств изделий, полученных обработкой давлением, позволяют заключить, что важнейшим структурным параметром материала, характеризующим его поведение на макроуровне, является величина относительной пористости. По определению, ато- полный объем фазы "пустоты" в единице объема тола. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что основной вклад в пористость вносят несплошяости мезоскопического размера и выше (вклад вакансий, дислокаций, упругих деформаций решетки и т.д. мал). Поэтому пористость компактных материалов практически совпадает с разуплотнением.

Третий параграф первой главы посвящен некоторым общим вопросам математического моделирования процессов обработки металлов давлением.

Указывается, чти в последнее время резко повысился интерес к физически содержательным моделям деформируемых материалов. В этом плане следует отметить работы Баронблотта Г.И., Вакулепко A.A. ,1'охфольда Д. А-, Кадашевича D.H., Левитаса В.И., Макушка K.M., Наймарка О.В., Новолилова В.В., Садакова 0.0., Оегала В.М., Седова Л.И., Скорохода В.В., Штерна М.Ь'., Асаро Р., Гарсона А.Л., Нидлмана А., Райса Дж., Твер'ада В., Хилла Р. и др.

Проведенный анализ показывает, что, несмотря на наличие общих подходов к построению олроделящих соотношений для различных сред, пока нет физически содержательной модели материала, которая: описывала бы основные осооошюсти влияния давления на механизмы пластической дв<{лрмяции и разрушения, допускала бы идентификацию в

простых экспериментах и могла он служить основой для математических моделей технологических операций обработки материалов жидкостью высокого давления.

В четвертом параграфе первой главы затр'т-иваются проблемы проектирования процессов обработки материалов давлением. Отмечается, что роль физически содержательных моделей в процессе проектирования состоит но столько в том, чтобы на их основе оценить числеешыэ значения тех или иных характеристик, а в том, чтобы с их помощью лучше представить взаимосвязи между различными параметрами процесса. Это "подпитывает" интуицию технолога знаниями, полученными в ходе физических исследований, что важно на этапе создания новых технологических схем и при поиске эффективных рвяимов обработки материалов.

Проведенный в первой главе анализ позволил предложить концепцию взаимодействия исследований в области физики пластических деформаций под давлением с технологичвскиш разработками, основным звеном которой является континуальная модель

структурно-неоднородного материала.

Во второй главе диссертации последовательно разрабатывается физически содержательная модель структурно-неоднородного материала с дефектами типа микропор. На ее основе исследуются некоторые общие вопросы пластической деформации и разрушения.

Развитие упруго-пластической Деформации в структурно-неоднородном материала рассматривается как процесс, в ходе которого по мере увеличения нагрузки растет удельный объем областей материала, перешедших в пластическое состояние. Момент наступления пластического течения связывается с разрывом кластера упругих областей, пронизывающего весь представительный объем материала (бесконечного упругого кластера). Такое понимание упруго-пластического перехода позволяет привлечь к его математическому описанию аппарат теории протекания и определить зависимость "напряжение - деформация" вплоть до момента наступления пластического течения. При атом, В качестве честного случая, получаются следующие простые выражения Для модуля Юнга Е и предела текучести стт пористого тала:

. -Т&Г]1'7 ' <1>

- °то (1 - 0753 • <2>

- 13 -

где Ejt oTO- соответственно модуль ilara и предел текучести каркаса пористого тела, 6 - величина пористости.

Выражения (I) и (2) вполне удовлетворительно согласуются с экспериментом.

Несколько иной подход к определению механических характеристик пористых тел на основе теории протекания развивается в работах В.В. Скорохода и др. Последовательное применение атой теории с целью расчета физико-механических характеристик композиционных материалов можно найти в работах В.В. Новикова.

Математическое моделирование больших пластических деформаций осуществляется н; базе следующей модели, основанной на результатах физических исследований:

представительный объем материала состоит из большого числа связанных между собой структурных элементов, которые при деформации могут смещаться и вращаться друг относительно друга, дробиться и пластически деформироваться, подстраиваясь и адаптируясь друг к другу;

при совместной деформации структурных влементов в общем случае возможна лишь частичная их адаптация с образованием из-за этого зазоров между ни,._1;

способность к адаптации определяется эффективностью действующих механизмов деформации;

ограничения на согласованную деформацию структурных элементов количественно характеризуются величиной параметра а (коэффициента вь., тренного трения); если имеется возможность полной адаптации, то а = 0; в противном случав а>0, и величина этого параметра растет с ростом чис.ча ограничений на деформацию структурных влементов;

имеется ряд кры-ических давлений, таких, что в интервалах можду ни»*и а от давления не вависит, в при переходе через них скачком уоываы при возрастании давления; под давлением, превышающим максимальное критическое значение, а - О.

Математическая модель материала разрабатывалась на основе континуальных представлений о деформации порошковых материалов и пористых сред. ¡Значительный вклад в развитие втого подхода внесли Билышн М.Г., Гун Г.Я., Друянов Б.А., ЛДанович Г.М., Ковальченко М.С., Лаптев A.M., Лещинский В.М., Мартынова И.Ф., Мидуков В.З., Перельман В.К., ,!1отросян Г.Л., Роман О.В., Рудь В.Д., Скороход B.Ei., Стешшенко Д..В., Тучинский Л.Й., Штерн М.В., Грин Г., Кун К.,

Табата Т., Ояне М., [Сима С., и др.

Определяющие соотношения, связывающие тензоры деформации и напряжения в предложенном модельпом материале, получены на основе копцвпции течения, т.е. в предположении наличия функции погружения и справедливости условия градиентальности.

Функция нагружения описанного выше материала имеет еид:

1 = <т + ~1т- (1 -вЦк0-аа)г, (3)

где а = -д- - гидростатическая составляющая тензора

напряжений;

т

/[aik~ 3 a °Uk] [aik " 3 CT °ik] " интенсивность

девиатора напряжений; k - коэффициент сдвигового сцепления; a -коэффициент внутреннего трения; <р(0) и ф(0) - функции пористости в. Согласно И.Б.Штерну и И.Ф. Мартыновой

Ф <в) - -§- ^ в)-- , ф (0) = (1 - в)2. (4)

Согласно М.Ояне, С. Шимэ, A.M. Лаптеву '

2n-1 2n 1

Ф = (1 " 82- • Ф = (1 " в) ~ , (5)

бав m

где п, ш, а - параметры, характеризующие структуру порового пространства и определяемые экспериментально.

Условие пластичности, являпцвеся необходимым условием

пластического течения, имеет вид Г»О, т.е.

о* I2

+ "W7

а— - — - (I - в)(к -ап)г. (6)

При сделанных предположениях относительно зависимости а от а (они вытекают из указанного выше влияния давления на механизмы деформации материала), уравнению (6) на плоскости "а - т" соответствует замкнутая кривая, которая, ч зависимости от значений параметров модели и величины пористости, может изменяться от эллипса, смещенного в отрицательном направлении оси гидростатических напряжений, до кривой типа осевого сечения груш,

замыкаемой в области больших отрицательных значений а участком эллипса.

Впервые экспериментально подобные следы поверхности пластичности били обнаружены В.З. Мидуковым, который предположил, что физической причиной асимметрии этого следа относительно линии о^О являются имехщиеся в материале внутренние напряжения.

В рамках предложенной модели физической причиной указанной асимметрии является невозможность полной адаптации структурных элементов материала друг другу при их совместной деформации. Действительно, при а=0 уравнение (6) описывает в плоскости а-т вллиас, симметричный относительно начала координат.

Согласно условию градиентальности, функции нагруаения (3) соответствует группа следующих уравнений:

тю = Т [щв) + аа - вНКо~ (7>

-¿-¿•о^ -'-?- <ач -О0ч). (8)

где е^ - тензор скоростей деформаций,

е = в "О - его первый инвариант,

интенсивность

давиатора скоростей деформаций.

Уравнения (В) - (8) представляют собой математическую модель материала и являются основой для теоретического исследования технологических онораций.

Соотношения (В), (7) позволяют получить ряд выводов качественного характера.

В частности, из (6) следует, что если а-сопаЪ * 0 и х = О, то при О - 0**, где 0**- корень уравнения

1

Ф(0**)

а уГТо-

величию гидростатического давления р = -а -< т. это означает, что при гидростатической обработке (т=0), в случае, вели работает один механизм деформации (а = сопз1 во время процесса обработки), материал может уплотниться лишь до некоторой предельной пористости 0**>0, определяемой аффективпостью ведущего механизма деформации. Дальнейшее доуплотненив возможно лишь .при включении нового механизма деформации с меньшим значением а. Экспериментальные исследования подтверждают этот вывод.

Из соотношений (6), (V) легко получить следулцев кинетическое уравнение для порис-ости 0:

- ф(1-В)

+ о /ТчГ /~1р-4 ) -

О)

где т] = ~--показатель жесткости напряженного состояния.

В правой части последнего уравнения содержатся два слагаемых, которые имеют разный физический смысл. Первый члвн в скобках уравнения (9) характерен для моделей пористых тел с бесструктурным каркасом (при а=0). Он описывает изотропный рост и уменьшение имевдихся в материалв пор, соответственно при растягивающих (а>0) и сжимающих (скО) нагрузках.

Второй члвн в скобках (9) всегда больше нуля и описывает зарождение несплошноствй, вызванное ограничениями на совместную пластическую деформацию различных структурных элементов.

Уравнение (9) показывает, что гидростатическое давление приводит к интенсификации залечивания микронесплошностей и подавлению процесса их зарождения. Действительно, под давлением открываются новые каналы релаксация перенапряжений (вступают в действие новые механизмы деформации), и величина а убывает. При давлениях, превышапцих максимальное критическое значение, а=0 и новые несшгошности не зарождаются.

Из уравнения (9), при т) = сснт < 0, следует, что, при пропорциональном негружвнии материала под давлонием, его пористость асимптотически стремится к стационарному (равновесному) значению 0р, являпцемуся корнем уравнения

-----^—.

Физическая причина этого состоит в установлении равновесия между зарождением и залечиванием микронеоплошностей.

Помимо качественного анализа, в главе проведено количественное исследование адекватности модели структурно-неоднородного материала. С этой целью разработана методика определения параметров модели по экспериментам на гидростатическое обжатие и одноосное сжатие порошковых и пористых заготовок в закрытой матрице. Кроме того разработана методика количественного сопоставления модели с результатами экспериментов, изложенными в литературе.

В целом, проведенный анализ позволяет сделать вывод о вполне приемлемом качественном и количественном согласии теории с экспериментом дая большого числа материалов (спеченная медь; порошки меди и железа; твердосплавные порошки ВК6, BK1Q, ВК15С, ВК20; спеченная быстрорежущая сталь 1UP6M5; порошки керамики различного химического состава) в широком диапазоне изменения условий деформирования (от гидростатического обжатия до одноосного сжатия без бокового подпора), при гидростатическом давлении от 100 МПа до 1500 Ш1а и пористости от bOï до UM».

Значения коэффициентов внутреннего трения а и сдвигового сцепления kQ для некоторых из исследованных порошков, в диапазоне изменения гидростатического давления 10ОМПа £ Р С- 1500 МПа, приведены в табл.1.

Табл.1 Значения кбаффшуюнтов внутреннего трения а, сдвигового сцепления ко для твердосплавных порошков и спеченного порошке быстрорежущей стали

Nn/n Материал а . к0,МПа

1 ВК6 1.20 375

2 ВК10 '1.04 450

3 ВК150 0.96 705

4 ВК20 0.87 450

5 10Р6М5 0.45 138

В заключительной части второй главы изучается влияние давления на «язкое разрушение и локализацию деформации в структурно-неоднородном материале.

Математическому моделированию разрушении металлов при обработке давлением посвящены работы Илылшна A.A., Колмогорова В.Л., Вогатова A.A., Смирнова C.B., Ыижирицкого О.И., Деля Г.Д., Огородникоиа Ь.А., Сивакв И.О., Михайловича В.М., Рвачева М.А., Макушка Е.М., Красневского С.М., Сегала В.М., Коставы A.A., Скуднова В.А., 1'ерсона А.Л., Нидлмана А., Рейса Дж., Твергада В. и ДР-

В диссертации предлагаемся следующая физическая модель множественного разрушен^;., ^снованная на результатах экспериментальных исследований:

на кавдом масштабном уровне имеется соответствующий ему элементарный дефект - атом разрушения;

связная совокупность (кластер) атомов разрушения образует дефект этого масштабного уровня;

бесконечный кластер атомов разрушения одного уровня представляет собой элементарный дефект следующего масштабного уровня.

Под дефектами в данной модели понимаются несплошности. В соответствии с экспериментами В.И.Бетехтша и др. выделены три основных масштабных уровня разрушения. Элементарным дефектом нижнего уровня является зародышевая пора с формой, близкой к сфере, и поперечным размером 0,1 мкм. В качестве элементарных дефектов второго и третьего уровней соответственно приняты микронесплошности размера структурной гетерогенности ■ (блока, зерно) н макронесплошность с размером порядка линейного размера представительного объема материала.

В рамках предложенной модели шлоотся автомодельность в развитии каскада дефектов на каждом масштабном уровне, которая вытекает из гипотезы подобия теории протекания: Нарушение автомодельности связано с появлением бесконечного кластера, представляющего собой уже олементарный дефект следущего уровня. Интересно то, что автомодельный характер множественного разрушения установлен Г.И.Варенблаттом и Л.Р.Ботвиной путем обработки большого числа экспериментов по разрушению различных материалов. Ими же обнаружена в экспериментах и потеря автомодельности при возникновении дефекта более высокого масштабного уровня.

Согласно гиораи протекания бесконечный кластер ооразуется при определенном удельном объеме шшетерообразуицего вещества (в нашем случае - пустоты). Отсюда следует, что алемептарпый эффект

макроуровня возникает при определенной величине деформационной пористости. Это проясняет смысл концентрационного критерия разрушения, установленного в экспериментах В.И.Бетехтина и др.

Оценка критической пористости с помощью аппарата теории протекания дает величину ~1Я5, которая соответствует эксперименту.

В силу автомодельности, геометрия каскада дефектов полностью определяется их удельным объемом, т.е. деформационной микропористостыо. Кинетическое уравнение для этой величины имеет вид:

= а + бает)-. (11)

Оно получено из (9) в предположении в « 1 и ш=1 (указанное значение ш принято на основании экспериментальных исследований). Первый .член в правой части уравнения (11) отражает процессы зарождения мнкронесшгошностей, а второй - залечивание их под давлением (при а < О).

Теоретическое исследование процвсса формирования пластических характеристик компактных материалов при их обработке давлением, а также определение возможности макроскопического разрушения заготовки (по концентрационному критерии) осуществляется путем интегрирования уравнения (11) вдоль траектории движения частицы материала.

В настоящее время при теоретическом исследовании разрушения металлов широко используется введенная В.Л.Колмогоровым величина -предельной пластичности Лр, которая представляет собой интенсивность деформации сдвига Л (Л =-/г"7) до разрушения при постоянном значении показателя жесткости напряженного состояния о/Т

(т = — интенсивность касательных напряжений).

У7Г

Интегрирование уравнения (11) шзш^ :эт получить следующее выражение для Л^:

V säWTT111 (1+ 3a<CT/T>V) ■ (,2>

е„

где Apj^-yZ^-g2- - пластичность при кручении, вд- критическая деформационная пористость.

Из (12) следует важный вывод качественного характера,

согласущнйся с экспериментом: при -5- - - --- величина

1 3 У~2~а0о

Лр - м, т.е. при достаточно больших значениях гидростатического

давления возможно состояше материала с неограниченной

деформируемостью. Физическая причина этого состоит в том, что в

этом случае равновесное значение пористости, определяемое

уравнением (10), становится меньше вс.

Соотношение (12) позволяет определить величину а и а по

известным значениям пластичности в испытаниях на кручение (а/т = 0)

и одноосное сжатие (а/Т = ~0,Ь8). В табл.2 приведены полученные

таким образом значения параметров модели для ряда материалов.

'Габл.2. Значения параметров модели, определенные по пластичности материала при кручении и сжатии

Ып/п Материал ЛРК Лро 2 а-10 3 а-10

I. а - Уе ь.з 6.1 2.7

2. ОтЗ 4.6 5.6 3.9 2.6

3. Ст45 3.5 4.4 6.3 4.0

4. 40Х 3.4 4.5 7.6 4.2

5. ШХ15 1 .6 2.0 13.4 8.9

6. ЗОХГСА 1 .8 2.3 12.9 7.9

7. Х18Н10Т 1 .9 2.1 Ь.6 7.5

8. АД - 1 4.0 8.0 11 .5 3.5

Оказалось, что в диапазоне -1 < о/т < 1 отличие теоретических значений Лр от экспериментальных (для материалов, "указанных в та о л. У) не превосходит Это свидетельствует в пользу

адекватности модели множественного разрушения.

Обращает на себя внимание резкое отличив- в значениях коэффициентов внутреннего треншг дня порошковых систем (табл.1) и компактных материалов (табл.2). В работе дается объяснение этому факту, которое сводится к отлично в напряженно-деформированном состоянии отдельных структурных элементов, в совокупности составляющих материал, и связанной с этим отличием разной способностью структурных элементов к совместной пластической деформшши.

Вопросы локализации деформации рассматриваюсь в расютих Захарова Л.Т., Проснякова Л.Л., Ренчв 11.11., Штерна М.Б., Райсэ Дк., Рудянского Дк., Творг-ода Н. и др. В диссертации ато явление изучалось на основе предложенной модели структурно-неоднородного материала. Локализация предстаадялась как следствие потери устойчивости однородной деформации материала из-за его разупрочнения, связанного с образованием михропесшгошностей.

В результате проведенного исследования получен критерий потери устойчивости и показано, что гидростатическое давление повышает устойчивость материала, т.е. приводит к долокализации деформации. Этот вывод соответствует результатам физических исследований.

В третьей главе диссертации разрабатываются математические модели полужидкостного и жидкостного режимов трения в процессах обработки металлов давлением.

Теоретическому исследовашш контактного трения при ОВД посвящены работы Исачвнкова Е.И., Казаченка В.И., Колмогорова В.Л., Колмогорова Г.Л., Леванова &.Н., Макушка Е.М., Покраса И.Б., Свгала В.М. и др. Модельные представления о трении, как правило, базируются на решении двух задач: совместного сжатия и сдвига пластического клина; пропахивания поверхности жестко-пластического основания при скольжении жесткого клйна. В результате удается связать напряжение трения с контактным давлением на инструмент.

В диссертации предлагается континуальная модель полужидкостного трения, основанная на представлении зоны фрикционного контакта в виде слоя некоторого "третьего тела" (по терминологии И.В.Крагельского), рвзделящего инструмент и заготовку. Металлографические исследования поверхностных и приповерхностных слоев при трении показывают, что "третье толо" представляет собой структурно-неоднородную среду, сдвиг которой осуществляется посредством деформации, относительного смещения, разворота и дробления огромного числа образующих среду элементов.

Отсюда возникает идея описать "третье тело" с помощью разработанной во второй главе модели структурно-неоднородного пористого материала, в порах которого находится жидкость. В атом случае определение величины контактного трения своди". ;я к расчету интенсивности касательных напряжений в "третьем теле".

Эта идея реализована в третьей главе диссертации. В результате чего получено дифференциальное уравнение, связывающее напряжение трения а контактным давлением и величиной относительного смещения

элементов трущихся поверхностей. Это позволяет при теоретическом исследовании процессов ОВД нэ задавать напряжение трения в виде граничного условия, а определять его в ходе решетя задачи о совместно! деформации заготовки и "третьего тела".

В качестве конкретного примера в дассеотации решена задача об осадке полосы без уширения. Показано фор!-.- вание зон прилипания, торможения и скольжения на начальном этапе осадки.

Жидкостный режим трения при ОВД изучался в работах Исаченкова Е.И., Козаченка В.И., Колмогорова В.А., Колмогорова Г.Л., Даусона, Снайдла, Махдавяна, Уилсона и др.

В диссертации указанный режим исследуется в рамках постановок контактной гидродинамики, т.е. с учетом упругих деформаций труниися поверхностей.При атом автором предложен и использован эффективный численный метод решения таких задач.

Последующие три главы диссертации (гл.4-гл.6) посвящены прикладным вопросам обработки материалов жидкостью высокого давления • и демонстрируют конкретные примеры расчета и проектирования этих процессов в рамках предложенной концепции взаимодействия физических и технологических исследований, т.е. на основе всего имеющегося арсенала знаний - от результатов физических исследований до опыта типологических разработок.

В четвертой главе исследуется процесс гидропрессования. В первом параграфе главы разрабатывается система математических моделей, всесторонне описывающих этот • процесс и позволящих: определить энерго-силовые параметры в различных схемах гидропрессования; найти напряженно-деформированное состояние заготовки и исследовать эволюцию ансамбля микронвсшюиностей; получить критерий деформации без разрушения заготовки; исследовать динамику процесса и получить критерий устойчивости движения экструдата с постоянной скоростью; оценить значения показателей качества изделий (прочностных и пластических характеристик, кояффициента неравномерности деформации, шероховатости поверхности).

Теоретическому исследованию гидропрессования посвящены работы Авицура В., Гусинского A.B., Гуляева В.Г., Колмогорова В.Л., Колмогорова Г.Л., Кузина В.Г., Литвинова В.Г., Пьи Х.Л., Чукмасова С.А. и др. Система моделей, разработанная в диссертации, отличается, во первых, широтой охвата описываемых характеристик, а, во-вторых, тем, что основывается на физически содержательных

моделях структурно-неоднородного материала и контактного трения, разработанных во второй и третьей главах.

В рамках предложенной концепции взиимодействия физических исследований с технологическими разработками большое значение приобретают методы построения хороших начальных приближений для напряженно-деформированного состояния заготовки. В главе разрзботан такой метод, в котором, в качестве нулевого приближения для линий тока металла в очаге деформации, используется решение задачи о течении ньютоновской жидкости; и на 8тоК основе с помощью метода визиопластичности строится ' нулевое приближение для НДС .(на 8тот метод нолучвко положительное решение по заявке на изобретение).

Сопоставление результатов теоретических исследований с экспериментами показывает, что разработанные математические модели качественно верно описывают процесс гидропрессования и после соответствующей калибровки позволяют, с достаточной для практики точностью, количественно оценить характеристики процесса и изделия.

Во втором параграфе четвертой главы на базе разработанных математических моделей и технологического опнтв обсуждаются возможности различных приемов и средств по управлению гидропрессованием.

Основное внимание уделяется форме канала матрицы, как одному из наиболее сильных рычагов управления процессом.

Предлагаются методы и устройства для проектирования матричных каналов (они защищены авторскими свидетельствами).

В главе изложен разработанный автором метод анализа чувствительности экспериментального решения, позволяющий на основе результатов экспериментов по гидропрессованию через базовую матрицу так скорректировать•ее форму, чтобы улучшить те или иные характеристики процесса и изделия.

Третий параграф четвертой главы посвящен катодам проектирования оптимальных технологических режимов

гидропрессования.

В пятой главе диссертации исследуется процесс гидромеханического обжима полых заготовок, который /тличается от обычного обжима тем, что производится в среде жидкости высокого давления. Основные его преимущества состоят в том. что рабочая жидкость повышает устойчивость заготовки и снижает силы контактного трения. Это позволяет достичь больших значений коэффициента обжима

и получить болев высокий, -¡ш при обычном обжиме, уровень механических свойств изделий.

Теоретическому исследовании процесса оожима посвящены работа Аввркиева D.A., Евбриса A.A., Ильшина A.A., Малшпша H.H., Попова Е.А., Рейне.И.Д. и др. Математическая модель, разработанная в диссертации, отличается от известных, во-первых, тем, что учитывает особенности, связанные с жидкостью высокого давления (дополштельные нагрузки; возможности устойчивого деформирования, когда заготовка осаживается до входа в матрицу), а, во-вторых, тем, что базируется на разработанной во второй главе модели структурно-неоднородного материала.

Расчет напряженно-деформированного состояния заготовки выполнен в приближении бозмоментной теории оболочек.

Теоретический и вкспоримеиталышй анализ показывает, что предложенная модель адекватно описывает процесс гидромеханического обжима и позволяет определить силовые параметры, геометрию и механические свойства изделий, а также исследовать устойчивость материала при деформации. Погрешность в определении усилий не превышает 15...20Ж. Ошибка в величине толщины стенки и относительного удлинения на ранних стадиях обжима находится в пределах Ь%, а на поздних стадиях ( в режиме осадки цилиндрической части заготовки) не превышает 15...17Ж.

В заключительной части пятой главы описаны устройства для гидромеханического оожима, и разработаны математические модели, позволяющие исследовать различные режимы их роботы.

В шестой главе диссертации исследуется процесс осадки цилиндрических заготовок в среде жидкости высокого давления -гидромеханическая осадка. В атой технологической операции можно реализовать' очень благоприятное напряженно-деформированное состояние (интенсивный сдвиг под регулируемым давлением), в значительной степени улучшающее структуру и механические свойства обрабатываемого материала. Особый интерес представляет гидромеханическая осадка порошковых и пористых заготовок, позволяющая получит!, качественные полуфабрикаты для последующих impo долов.

Изучению гидромеханической осадки посвящены работы Векшина B.C., Лаптева A.M., Перольмяна В.Е., Штерне М.Б. и др. Отличив данною исследования оостоит в том,, что оно проводилось на основа нро.шожетюй модели структурно неоднородного материала. Благодаря

атому Сила создана математическая модель, которая позволила не только оценить силовые параметры процесса, но и определить условия деформации без разрушения заготовки.

При теоретическом исследовании обнаружен интересный эффект, состоящий в том, что в режиме осадки с постоянной величиной давления рабочей жидкости пористость во всем объеме заготовки выравнивается и принимает значение, одназначно определяемое указанным давлением. Физическая причина этого эффекта состоит в установлении равновесия между процессами уплотнения и разрыхления материала.

Кроме того, анализ разработанной .модели показывает, что для порошковых систем и пористых материалов со слабо упрочняющимся каркасом процесс выравнивания пористости по объему заготовки могет быть сорван потерей устойчивости однородной деформации.

Экспериментальные исследования, выполненные В.С.Тютенко и А.П.Борзенко на заготовках из спеченной быстрорежущей стали 10Р6М5, подтвердили эти вывода.

Указанный эффект может быть использован на практике для получения качественных равноплотных заготовок с заданной величиной пористости.

С целью обеспечения устойчивости однородной деформации в главе предложено специальное устройство - упругий телескопический контейнер, состоящий из двух цилиндрических пружин (на это устройство получено авторское свидетельство).

Последняя, седьмая, глава диссертации посвящена вопросам автоматизированного проектирования процессов ОВД в рамках предложенной концепции взаимодействия физических исследований, с технологическими разработками.

Общиа выводы

I. Выводы по теории пластического деформирования ь разрушения материалов под давлением

1.1. Основные эффекты влияния давления на пластическую деформацию и разрушение материалов могут быть отражены в рамках следующей физической модели:

представительный объем материала состоит из большого числа связанных между собой структурных элементов, которые.при деформации могут смещаться и вращаться друг относительно друга, дробиться и пластически деформироваться, подстраиваясь и адаптируясь друг к

другу;

при совместной деформации структурных элементов, в общем случае, возможна лишь частичная их адаптация с образованием аз-за этого зазоров между ними;

способность к адаптации определяется эффективностью действующих механизмов деформации;

ограничения на согласованную деформацию структурных элементов количественно характеризуются величиной параметра а (коэффициента внутреннего трения); если имеется возможность полной адаптации, то а = 0; в противном случае а>0, и величина этого параметра растет с ростом числа ограничений на деформации структурных элементов;

имеется ряд критических давлений таких, что в интервалах между ними а от давления не зависит, а при переходе через пих скачком убывает при возрастании давления; под давлением, превышающим максимальное критическое значение, а = 0.

1.2. Функция нагружения материала," описанного в п.1.1, представляет собой "гибрид" функций нагружения для пористых и сыпучих материалов. След поверхности пластичности, соответствующей этой функции нагружения, в зависимости от значений параметров модели и величины пористости может изменяться от эллипса,смещенного в отрицательном направлении оси гидростатических напряжений, до кривой типа осевого сечения груши.

Физическая причина несимметричности следа поверхности пластичности относительно начала координат состоит в невозможности полной адаптации структурных элементов материала друг к другу прд их совместной деформации.

Определяющие соотношения, построенные на оаза предложенной фуншщи нагружения и условия градиентальности, даю^ возможность изучать с единых позиций деформации под давлением порошковых, пористых и компактных материалов и позволяют описать целый ряд физических эффектов. Среди них наиболее важными являются: зарождение и залечивание дефектов при пластической деформации под давлением; наличие; неустранимой пористости при гидростатическом обжатии порошкового и пористого материалов в случае, если но происходит смены механизма деформации; наличие равновесной пористости при пропорциональном погружении под давлением; повышение устойчивости "материал!ного" типа под давлением; повышение пластичности материн лп под давлением; наличие критических: давлений, при

превышении которых реализуется состояние с неограниченной пластичностью.

1.3.В рамках разработанной теории физической . причиной неустранимой пористости является исчерпание возможности пластической аккомодации отдельных структурных элементов, а равновесной пористости - равная интенсивность процессов разрыхления и уплотнения.

Потеря устойчивости "материального" типа связана с разупрочнением материала из-за интенсивного разрыхления. При этом повышение устойчивости под • давлением обусловлено с одной стороны интенсификацией процессов уплотнения, а, с другой стороны -включением новых каналов пластической аккомодации отдельных структурных элементов (снижением величины а).

Возможность макроскопического описания ансамбля микронесплошностей, возникающих при деформации поликристаллического Материала, одним скалярным параметром (величиной пористости) обусловлена автомодельностью в развитии апсамбля (скейлингом). Автомодельность связана с тем, что микронесплошности представляют собой перколяционные кластеры.

1.4. Параметры модели для порошковых и пористых материалов могут быть определены по результатам двух испытаний: гидростатического обжатия и одноосного сжатия в закрытой матрице.

Параметры модели для компактного материала могут быть определены по величине его пластичности в испытаниях на кручение и одноосное сжатие.

1.5. Сопоставление результатов расчета с' экспериментом показывает, что, в довольно широких интервалах варьирования давления и деформации, для различных схем нагружения коэффициент внутреннего трения а остается постоянным. Его изменение связано со сменой ведущих механизмов деформации структурных элементов материала.-

1.6. Характерные значения коэффициента внутреннего трения для компактных поликристаллических материалов лежат в диапазоне си1СГ341СГ2, а для порошковых материалов - а„0,1 г 1,0. Такое различив в значениях а объясняется тем, что з компактных поликристаллических материалах, в отличиэ от порошковых, структурные элементы связаны друг с другом по всей поверхности, причем связи выдерживают высогаге растягиващив напряжения. Это приводит к тому, что в структурных элементах возникает напряженное

деформированное состояние, инициирующее болев эффективную работу каналов пластической аккомодации.

2.Выводи по модели контактного трения при обработка материалов давлением

Разработана континуальная модель полужидкостного трения, которая базируется на представлении зоны контакта в виде "третьего тела",с функцией нагружония, имеющей вид, указанный в п.1.3. Модель учитывает зависимость напряжения трения от величины предварительного смещения контактирующих поверхностей. Это важно при моделировании нестационарных процессов обработки давлением, в которых имеются зоны прилипания и торможения (таких, например, как осадка, прокатка). В атом случае удается поставить связанную задачу, в которой напряжение трвняя заранее не задается, а определяется в ходе ее решения.

3. Выводы по системе моделей для исследования процессов гидростатической обработки материалов

3.1.Разработана система математических моделей для исследования и проектирования технологического процесса гидропрессования. Модели позволяют изучить формирование показателей качества продукции (прочностные и пластические характеристики материала, шероховатость поверхности изделия), исследовать динамическую устойчивость процесса, определить условия деформации без макроскопического разрушения заготовки, оценить внерго-сшшвые параметры процесса.

3.2.Разработана модель технологического процесса гидромеханического обжима, поз*: :кщая исследовать изменение геометрических размеров заготовки, .и^чить формирование прочностных и пластических характеристик деформируемого материала, определить момент появления полос локализованной деформаций в стенке заготовки, оценить енерго-силовые параметры процесса, исследовать различит режимы работы установок для гидромеханического обжима.

и.. ..разработана математическая модель технологического процесса гидромеханической осадки порошковых и пористых материалов, которая позволяет исследовать изменение пористости и геометрических размеров заготовки, определить мок-пты потери устойчивости материала и разрушения заготовки, оценить энерго-силовые показатели процесса.

3.4.Качественный анализ разработанных математических моделей указывает на наиболее эффективные пути управления характеристиками

технологических процессов и на резервы повышения качества выпускаемой продукции.

Расчетные соотношения, полученные на базе разработанных моделей, позволяют оценить численные значения показателей, характеризующих процесс и изделие, что, в свою очередь, является исходной информацией для выбора оборудования и проектирования оснастки.

4. Выводы по методам расчета и проектирования процессов гидростатической обработки материалов

4.1. Предложен подход к автоматизированному проектированию процессов обработки материалов давлением, состоящий в том, что вместо единого алгоритма проектирования имеется набор проектных операций, из которых автоматически собирается цепочка, элементы и связи которой определяются конкретными условиями ' производства.

4.2.Предложенные устройства для • определения относительного расположения входного и выходного отверстий матриц и моделирования плавных переходов от сечения заготовки к сечению профиля позволяют получать матрицы для гидропрессования, имеющие высокую стойкость и обеспечивающие равномерную деформацию и повышенную пластичность металла при точении его через матрицу.

4.3.Предложенная конструкция матриц со специально звдаяьым распределением длины калибрующего пояска позволяет снизить давление гидропрессования и получить изделия с необходимым распределением твердости на поверхности.

4.4.Предложенный метод анализа чувствительности экспериментального решения позволяет, на основании результатов экспериментов через базовую матрицу, так скорректировать ее форму, чтобы улучшить тэ шш иные характеристики процесса и изделия.

4.б.Предложенный упругий телескопический контейнер позволяет реализовать режим гидромеханической осадки, обеспечивающий получение полуфабрикатов с заданной, однородной по объему пористостью.

Основные положения диссертации освещены в 75 научных публикациях автора, в той число;

1.Кулеско H.A., Палант D.A., Бейгельзимер Я.Е.,. Гетманский А.П. Приближенное решение задачи о радиальном течении пластической массы // ДАН УССР.-Сер.А.-1979.-#6.-С.441-443.

2.Исследование свойств и структуры решения задачи о гидроэкструзии /Я.Е.Бейгельзимер, Н.А.Кулеско, Ю.А.Палант,

■ - 30 -

Н.Е.Шишкова// ДАН УССР.-Сер.А.-1980.- №. -С. 34-36.

3.Бейгельзимер Я.Е., Носовицкая Г.И., Палант D.A.

- Контактно-гидродинамическая теория смазки при гидрозкструзия// ДАН УССР.-сер.А.,-1901.-SG.-С.30-33.

4.Бь^г9льзимер Я.Е., Палант В.А. Структура соленоидального поля в задаче о гидрозкструзии// Математическая физика. Росиубл. межвед. сб. Вып. 31.-к.: Наукова думка, I93I.-C.GG-67.

5.Системный анализ и оптимизация процесса гидропрессоввтш профильных изделий /Я.Е.Бейгельзидар, А.П.Гетманский, М.А.Лойферман, D.А.Палапт// Препринт ДонФТИ-83~18. - Донецк: Ротапринт ШП АН УССР, 1983.-70с.

G.Бейгельзимер Я.Е., Леонов H.A., Палант D.A. Классификация машиностроительных профилей в системе автоматизированной подготовки технологических процессов првссовапая // Изв. ВУЗов, Черная металлургия.-I984.-№7.-С.54-55.

7.Исследование допустимых значений управлямцих параметров гидропрессования /Я.Е.Бейгельзимер, А.П.Готмянскка, 1!.А.Леонов а др.//Изв. ВУЗов, Черная металлургия.-1985.-JH2. -С.I22-II4. ,

8. Некоторые вопросы алгоритмизации расчетов процесса гидропрессования /Я.Е.Бейгельзимер, А.П.Гетманский,И.А.Леонов и др.//Изв. ВУЗов, Черная металлургия.-1985.-Ш.-С.I2I-I24.

9.Гетманский А.П., Бейгельзимер Я.Е., Вакс Л.Р. Гидромеханическая осадка пористой зиготовки //Порошковая металлургия. -I98G.-JE3.-C. 11-13.

10.Устройство для профилирования матричных каналов /Л.И.Алистратов, -Я.Е.Бейгельзимер, А. П. Гетманский и др. //Машиностроитель.-I98G.-ЙЗ.-С.44.

11.Матрица для гидропрессовппия с минимальной поверхностью формообразующей части /Я.Е.Бейгельзимер, А.П.Гетманский, И.А.Леонов, Ю.А.Палапт //Кузначно-штамловочноэ производство. -1986. -JfQ. -С. 20-21.

12.Спускают« В.З., Бейгельзимер Я.Е. Исследование оптимальных уел зий гидропрессовшшя заготовок //Препринт ДопФГИ-86-G.-Донецк: Ротапринт ЙЭП АН УССР, I98G.-35C. .

13.Критерий деформируемости пористого тела/Я.Е.Бейгельзимер, А.П.Гетманская, D.A.Палант и ДР-// Порошковая металлургия-1986. -Кб. -С. 15-18.

14.Бейгользимор Я.Е., Гетманский А.П., Алистратов Л;И. Условна пластичности для порошков твердосплавных смесей //Порошковая металлургия.-1987.-J63.-С. 11-15. '

15.Бейгельзимер Я.Е. Пластическая деформация пористых тол при малой пористости //Порошковая металлургия.-1987.-ИЗ.-С.П-13.

16.Бейгельзимор Я.Е., Гетманский A.II., Палант П.А. О причине прерывистого видаа овшгая в процессе гидропроссоваиля//Изв. ВУЗов, Черная металлургия. -1937. -М. -С. 48-51.

17.Бойгельзимер Я.Е., Палант С.А. О пластическом изменении объема //Изв.ВУЗов, Черная мота ллургия,-1987.-MI. -С.54-57.

18.Спускашпк И.'!., Соколов Н.Л., Бейгользимер Я.Е. Особшшости и преимущества . дпогч) гид^проссошшш на кривошипных прессах //Кузиочно -штамповочное производство. -1987.-Ж1.-С.23-25.

19.Бейгельзимер Я.Е., Германский А.II. Некоторые попроси

УСТОЙЧИВОСТИ ГИДрОЭКСТруМЩ ДЛИННОМСрНЫХ UJXXfiMBfl //Илиянио высоких давлений на вещество. Т.И. <1и:шк/з и техника деформирования при высоких давлениях. -Кио»: Няукоw> думка, 19i!7.-C.I79~I9f>.

ВО.Бвйгельзимир Л. Г., Гетманский А .И. Модель развития пластических дефляций пористых тол в приближении теории протекания //Изв. ВУЗов, Чортж мптпл.лургия.-198а.-№Ш.-С.17-20.

21.Бейгельзимер Я.Е., Гетманский АЛ1. Анализ переход« микроплаотичоской деформации в мокроплястическув в приближении теории протекания //П{юбл. прочности.- ЮШ.-ЖШ.-С.Сб-БУ,

22.Бейгельзимер Я.Е., Гетманский А.П. Анализ изменения объема при пластическом до^ормировотии //Обработка металлов давлением. -Свердловск: УПИ, IcJiW.-C.7-I?,.

гЗ.Бойгельзимпр Я.Е., Готилнский А.II., Алистратов Л.И. Об одной модели пористого тело //Технологическая и конструкционная пластичность.-Киев: ИЛЧ АН УССГ, ,ШВ.-С.47-К:,

24.Бейгельзимер Я.Е., Пплшгг Е.А., Бойгвльзимор Э.Е-Перколяцношюя модель рязрункишл металла при пластической деформации //Изв. ВУЗов, Черная мотялчургия. -1988.-.№7.-С .166-167.

25>. Бейгельзимер Я. Е., Готмпаский А.П., Пвлшгг С. А. Использование моморашюй аналогии в рошошта некоторых задач ОМД //Изв.ВУЗов, Черпая металлургия,-1980.-Ж).-0.66-68.

26.Алексеев В.П., Еейгвльзймпр Я.Е., Онускчшвк B.S. Исследование процесса выдавливания шлых Изделий //Изд. ВУЗов, Машиностроение. -1909. -JB2. -С .153-157,

27.Бейгельзимер Я.Е., Лагутин В,И., Мартынов А.Г. Получение изделий с заданным распродолениом твердости по поверхности методом гидропрессования //Кузнечно-штамповочнае производство. -1989.-Jf9.

-С.10-11.

28.Бейгэльзимер Я.Е. Эксшримоцтялыго-раечртшй метод определения папряжешю-деформировопного состояния заготовки при прессовании и волочении //Изв. ВУЗов, Машиностроение.-1989.-Жш.

-C.II4-IIG.

29.Нерошга Н.К.,. Бейгельзимер Я.Е., Баранов С.Н. Возможности механических схом напряжений для интенсификации процессов химической технологии //ДАН СССР. -1939.

-т.306.-JSI.-С.150-153.

30.Investigation о! pressure distribution In working Bhaco between dlanontf anvll3 by change of proportion of u doformablc spacer /B.I.Beresnev, A.P.Getmanskll, B.M.Efros, Ya.K.Bolgelssimer, L.V.Ioladze //Proc.XI AIRAPT Int.Con/. lilt Pressure) science and technology-. -Kiev. -1989. -v. 4. -p. 19-23.

31.Роль сверхвысоких давлений в процессо пяястичвекого разрыхления металлов при их деформации в АВД о алмазными наковальнями / Б.И.Бероснев, Л.В.Лоладзе, Я.Е.Бейгельзимер и др. //Сверхтвердые материалы.-1990.-JM.-С.38-42.

32.Вегезпеу B.I., ioladze L.V., ЕТгоз В.М., BolgCxSlir.or Уа.Е. On' peculiarities of plastic loosemivg of gasket mntorials at pressure generation by diamond anvil technique //High.Pressure Research.-19У0.-Vol.5.-p.79Y-800.

33.Исследование гидропрессования пакетной заготовки /В.Г.Сынков, О.Е.Глаубермап, Я.Е.Бейгельзимер, О.Г.Сынков //Порошковая металлургия. -1990.-JfG.-С. 14-16.

34.Тютонко B.C., Борзешсо А.П., Бойгельзимер Я.Е. Анализ процесса гидромеханической осадки пористой заготовки //Порошковая металлургия.-i 990.-J64.-С. 8- II.

35.Алексеев В.П., Бойгельзимер Я.Е., Богданов В.А. Анализ работы и расчет параметров устройства для холодного гидромеханического обжима //Изв. ВУЗов, Машиностроение.-1990.-Л7/.

0.30-34.

3G.0 выборе рациональной технологии гндроирессования фасонных профилей /Я.Е.БоЯгельзимор., А.П.Гетмьнский., Н.А.Кулеско и др. //Изв.ВУЗов, Черная металлургия.-I39I.-JS4.-С.82-84.

37.Бейгельвимер Я.Е. О проектировании процессов ОВД на основе анализа чувствительности //Изв.ВУЗов,• Черная металлургия.

-I99I.-JW.-C.39-4I.

38.Силовые условия гидропрессования нолых заготовок на подвижной оправке /В.З.Спусканкк, Я.Е.Бейгвльзичер, И.А.Леонов и др. //Изв. ВУЗов, Чориви металлургия.-1991.-Ю.-С.50-52.

39.Бойгельзимер Я.Е., Константинова Т.Е., Ляфер Е.И. Об уплотпении порошковых материалов под гидростатическим давлением //Порошковые инструментальные стали. -Киев: НИМ АН Украины, -1992.

40.Бейгельзимер Я.Е., Тштенко B.C., Борзешсо А.II. 00 одном способе получения рввношютных цилиндрических заготовок //Там же.

-С.74-77.

41.Бейгельзимер Я.Е., Эфрос Б.М. О вязком разрушении материалов под давлением //физика и техника высоких давлений.-1992.-т.2.-ЯЗ.

-C.55-G5.

42.Анализ особенностей процесса холодного гидромеханического обжима /В.П.Алексеев, Я.Е.Ееигользимер, В.А.Богданов и др. // Физика и техника высоких давлений.-1992.-т.2.-Ж.-С.94-98.

43.Belgelalmer Уа., Loladze L., КГгоз В. Он vlscoua destruction of materials under ргеззиго // Recent trends in high pressure research. Proceedings of the XII к TRAP? International Con Г of High Pressure Scitnce and Technology. New BelM: IBM Publ. Co.P<t.Ltd, 1992.-p.734-736.

44.Бейгользимер Я.Е., Миланин А.А., Слусканш В.З. Об одной континуальной модели контактного трения в процессах обработай металлов давлением // Трение и износ. -1993,-ВЗ.-С.471-478.

45.Операционный подаод к автоматизированному проектировании технологий ОВД / Бойгельзимер Я.Е., .Спусками В.З, Алексеев В.П. и др. //Физика и тохника высоких давлений.-1993.-т.З.-ДЗ.-С.I4G-I5I.

Новизна технических решений защащона__следующими авторскими

положительными__решениями по заявкам_на

jgo6peTniiiwj г

1.Бийгользимер Я.Е., Гетманский А.П., Лойферман М.А., ¡осоницкая Г.И. Уст{юйство для постхюения калибровки инструмента. I.e. 1217519. - Опубл. в ПИ JJI7, 1900.

2.Б^йго'1ьзнмер if.Е., Лагутин В.Н., Мартинов А.Г. Матраца для фессования профилированных заготовок и способ оо изготовления, ис.тгетда;», омубл. п яи tfis, газа.

3.Богданов В.А., Опускании В.З., Алексеев В.П., Бейгельзимер Я.Е. Устройство для гидропрессовавия с противодавлением.

A. с Л39351?.-Опубл. в БИ J6I7. 1938.

4.Бейгельзимер Я.Е., Борзвнко А.П., Гетманский А.П., Мапянип Г-Н. Контейнер для осадки заготовок. А.с. 1706738.-Опубл. в БИ ЯЭ, 1992.

5.Бейгельзимер Я.Е., Богданов В.А., Алексеев В.П., Спусканш

B.З. Способ определения параметров напрядешю-деформированного состояния материала при его пластической деформации. Половительнов решение от 23.10.91 на заявку JS478482I.

6.Бейгельзимер Я.Е., Алексеев В.П., Богданов В.А., Опускании B.Ü. Вращапцаяся волока. Полоаительгое решение от 28.10.91 на заявку М93624Э.