Некоторые задачи объемного формоизменения с использованием сверхпластичности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

/

/

Кыргызский архитектурно - строительный институт Кыргызско-Российский Славянский университет

УДК 539.374; 539.376 VI/

На правах рукописи

V

V1 Платонов Валерий Викторович

Некоторые задачи объемного формоизменения с использованием сверхпластичностн

Специальность 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.ы., профессор Я. И. Рудаев

Бишкек 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................4

1. Математическое описание закономерностей высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов.................................10

1.1. К теории объемного формоизменения с использованием

эффекта сверхпластичности...........................................................................10

1.2. Основные теоретические предпосылки........................................................14

1.3. Уравнение состояния.....................................................................................18

1.4. Кинетическое уравнение для управляющего параметра.............................20

1.5. Эволюционные уравнения для внутренних параметров

состояния........................................................................................................22

1.6. О деформационных условиях развития сверхпластичности.......................25

1.7. Пороговое напряжение..................................................................................28

1.8. Конкретизация функции чувствительности материала к

структурным превращениям............................................................30

1.9. Сравнение теоретических и экспериментальных данных...........................31

Выводы к главе 1.............................................................................................43

2. Задача прессования круглого прутка с использованием сверхпластичности..........................................................................................51

2.1. Об определяющих уравнениях теории сверхпластической деформации......................................................................................................51

2.2. Постановка задачи.........................................................................................56

2.3. Определение разрешающей функции...........................................................61

2.4. Скорости перемещений и деформаций.........................................................67

2.5. К определению компонент напряжений.......................................................72

2.6. Вычисление усилия прессования..................................................................80

2.7. Об оптимизации процесса прессования при использовании сверхпластичности.........................................................................................83

Выводы к главе 2 ...........................................................................................94

3. Задача обратного изотермического выдавливания с использованием сверхпластичности..........................................................................................95

3.1. Постановка задачи.........................................................................................95

3.2. Скорости деформации и напряжения в первой области............................100

3.3. Решение дифференциального уравнения (3.2.4)........................................102

3.4. Скорости деформации и напряжения во второй области...........................105

3.5. Киниматика пластического течения............................................................112

3.6. Определение деформирующего усилия......................................................117

3.7. Анализ влияния толщины стенки выдавливаемого стакана на величину бокового давления на стенки матрицы........................................................... 118

Выводы к главе 3 ..........................................................................................J 23

4. Разработка и опытное опробование высокоэффективных технологических процессов обработки давлением в режимах сверхпластичности........................................................................................124

4.1. Изотермическая объемная штамповка........................................................124

4.2. Установка для изотермической объемной штамповки...............................128

4.3. Результаты металлографического анализа..................................................132

Выводы к главе 4 .......................................................................................... 138

Заключение........................................................................................................139

Список литературы.........................................................................................141

Приложения.............................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Ресурсосбережение, экологичность производства, малоотходность, требования к качеству выпускаемой продукции и другие увязанные с этим вопросы являются важнейшими с точки зрения экономного использования природных ресурсов.

Одним из направлений в решении этих вопросов можно считать переход к ресурсосберегающим технологиям. В машиностроении это замена механической обработки металлов процессами объемного формоизменения на базе кузнечно-штампового и прессового производства.

Технологические процессы обработки металлов давлением сопровождаются возникновением развитых пластических деформаций. Традиционные методы объемного формоизменения основаны, как правило, на мощном силовом воздействии на штампуемый материал. Использование сверхпластичности в процессах обработки материалов давлением по существу впервые создает возможность применять уникальные свойства металлов, заключающиеся в снижении, при определенных температурно-скоростных режимах (режимах сверхпластичности), сопротивления деформированию.

Записанное выше утверждение основывается на принятом определении эффекта сверхпластичности [1], которое звучит так: "Под сверхпластичностью понимается состояние материала, при котором возможность деформирования без разрушения резко возрастает с одновременным снижением напряжения текучести".

Актуальность работы - Изучение физической сущности подобной аномалии показало, что в отличии от обычной пластической деформации становится, наряду с известными формами массопереноса, превалирующим механизм зернограничного проскальзывания. Реализации указанного механизма способствует формирование ультрамелкозернистой структуры, которая на сегодняшний день формируется различными методами, причем

последние являются подготовительным этапом, предшествующим технологическому воплощению (структурная и микрозеренная сверхпластичность).

Новые исследования в этой области показали, что многие металлические материалы в состоянии поставки проявляют сверхпластические свойства при грамотном подборе температурно-скоростных условий . При этом в процессе нагрева и деформирования происходит формирование ультрамелкозернистой структуры (динамическая сверхпластичность).

Осуществление процессов обработки металлов давлением при соблюдении температурно-скоростных и деформационных параметров сверхпластичности обеспечивает 2-10 кратное снижение энергосиловых параметров при высоком ресурсе технологической пластичности [2]. В металловедческом плане сохранение или формирование при сверхпластичности равноосной мелкозернистой структуры дает возможность достигать в конечном изделии (полуфабрикате) оптимального сочетания физико-механических характеристик, повышения эксплуатационных параметров (усталостные и коррозионно-усталостные показатели) при резком снижении анизотропии механических свойств металлов [3, 4, 5].

Математическая формулировка и решение технологических задач с использованием сверхпластичности встречается с серьезными трудностями. В конкретных технологических процессах, прежде всего объемного деформирования, наличие сверхпластичности можно установить лишь косвенным путем. Очаг деформации не удается, как правило, полностью перевести в сверхпластическое состояние из-за сильной неоднородности полей температур и скоростей деформаций. Изотермические условия процесса прессования в температурном режиме проявления эффекта сверхпластичности вносят определенные упрощения, поскольку ответственность за осуществление эффекта перекладывается на поле скоростей деформации. В соответствие со скоростными ограничениями в очаге деформации появляются, помимо сверхпластической, области

высокотемпературной ползучести и термопластичности. Последнее подчеркивает сложность физических процессов в очаге деформации и, как следствие, разнообразие параметров, характеризующих механические свойства материалов [6]. Кроме того, формулировка граничных условий является непростой задачей [7], ибо указанные условия, как правило, определяются в процессе решения.

Аналитическое решение, на наш взгляд , позволяет выработать технологическую стратегию [8] с обеспечением оптимальности некоторых критериев . Такими критериями, по мнению [9], могут быть себестоимость продукции, расход материала, производительность, доход от реализации продукции и т. пр. Другой подход, развиваемый в [10], состоит в том, что оптимизируемые параметры обусловлены непосредственно технологическим процессом и условно разделены на три группы. В первой группе рассматриваются задачи выбора оптимальной температуры предварительного нагрева заготовок, оптимальной формы инструмента, т.е. совокупность задач, параметры оптимизации которых могут быть целенаправленно изменены до начала процесса. Вторая группа оптимизирует параметры деформирования, соответствующие оптимизации по управляемым переменным [11]. В третью группу входят задачи, сочетающие требования первой и второй групп.

Следует отметить, что оба подхода могут считаться системными [9], поскольку, в частности, дают возможность сформулировать и решить оптимизационную задачу на стадии проектирования с использованием модели процесса.

Нельзя не согласиться с мнением [9], утверждающим, что из множества общепризнанных критериев оптимальности выбирается лишь один из них или априорно задается путь приведения их к единственному критерию.

Использование сверхпластичности способствует выдвижению нетрадиционных критериев оптимизации.

Так, на изменение силовых, термических и кинематических параметров процесса очаг деформации откликается изменением объема и расположением области сверхпластичности, которая, как указано выше, составляет часть очага деформации.

В общем случае решение технологической задачи разбивается на два этапа. Первый из них состоит в решении граничной задачи в рамках тензорно-линейных соотношений теории упругопластических процессов малой кривизны, а второй в решении оптимизационной задачи. При этом в качестве уравнения состояния принята зависимость между интенсивностями напряжений, температурой и кинематическими параметрами.

Такая постановка задачи способствует определению необходимых условий для получения в технологическом процессе обработки материала давлением поковок с качественной ультрамелкозернистой структурой .

Остановимся конкретно на задачах, предложенных в данной диссертации.

В настоящей работе рассматриваются технологические задачи теории пластичности, в которых аналитически исследуются силовые и кинематические характеристики процессов обратного прессования детали типа "стакан" и прямого прессования круглого прутка в конической матрице. Сделана попытка установления оптимальных термомеханических режимов прессования с выработкой критериев оптимизации.

Цель работы - определение материальных функций и констант модели, формулировка и решение технологических задач объемного формоизменения материала (прямое прессование круглого прутка, обратное выдавливание детали типа "стакан") в условиях сверхпластичности, включая вопросы оптимизации процесса прессования с точки зрения получения конечного продукта с качественной ультрамелкозернистой структурой материала, технологические приложения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Исследование возможностей математического описания закономерностей высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов с установлением материальных функций и констант модели.

2. Постановка и аналитическое решение технологических задач объемного формоизменения (прямое прессование круглого прутка и обратное выдавливание детали типа "стакан").

3. Технологическое приложение использования сверхпластичности в традиционных методах объемной штамповки по схеме обратного выдавливания из алюминиевого прутка сплава Амг 5 .

Научная новизна. Решение технологических задач объемного

формоизменения в условиях сверхпластичности с разработкой критериев

оптимизации процесса, преследуя конкретную цель - получения полуфабрикатов с ультрамелкозернистой структурой.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась соблюдением положений теории определяющих соотношений, сопоставлением опытных и теоретических данных.

Практическая ценность работы заключается в совокупности результатов, позволяющих выработать технологическую стратегию использования сверхпластичности в задачах объемного формоизменения.

Апробация работы проведена на трех конференциях в Кыргызском архитектурно-строительном институте, Международной конференции посвященной памяти профессора Ф.И. Франкля (ноябрь 1995 года, Бишкек ), III Всероссийской конференции " Ползучесть в конструкциях " (май, 1995 год, Новосибирск), IV научной конференции Кыргызско-российского университета (май, 1997 год, Бишкек).

Публикации. Основные результаты опубликованы в пяти работах .

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, цитируемой литературы, включающего 46 наименований. Диссертация содержит 112 основного текста, 35 рисунков, 4 таблицы.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Я.И.Рудаев,

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.1. К теории объемного формоизменения с использованием эффекта сверхпластичности

Следуя [12], будем считать, что сверхпластичность - это особое состояние материала, способного к большой деформации. Основанием для такого определения можно считать наблюдаемые при определенных температурно-скоростных условиях и структурном состоянии аномальные деформации квазиоднородного растяжения. Очевидно, что большие деформации не могут служить критерием наличия сверхпластичности при сжатии, а также при сложных напряженных состояниях и сложных путях нагружения. Траектории сложного нагружения реализуются в конкретных технологических процессах объемного деформирования. Указанные траектории, как правило, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к траекториям малой кривизны. Собственно поэтому для связи между напряженным и деформированным состояниями допустимо применение уравнений Сен-Венана-Леви-Мизеса.

В процессах объемного формоизменения использование эффекта сверхпластичности подтверждается лишь косвенным путем. Дело в том , что очаг пластической деформации не всегда удается перевести в сверхпластическое состояние из-за сильной неоднородности полей температур и скоростей деформаций. Изотермические условия в оптимальном с точки зрения сверхпластичности температурном режиме вносят упрощение, поскольку при этом ответственным за проявление эффекта становится поле скоростей деформаций. В соответствии со скоростными ограничениями в очаге деформации, появляются, кроме сверхпластической области, зоны термопластичности и высокотемпературной ползучести.

Сформулируем следующую задачу. Маневрируя положением зоны сверхпластической деформации, выработать технологическую стратегию, в которой конечный продукт удовлетворяет требуемому качеству в зависимости от температуры и скорости перемещения инструмента. Кинематические и температурные параметры при этом не носят дискретного характера, а взаимообусловлены. Решением такой задачи будет функция управления технологическим процессом.

Принципиальная возможность решения управленческой задачи применительно к обработке металлов давлением показана в [8]. Используем результаты [8] для постановки обобщенной задачи теории пластичности для технологического процесса обработки металлов давлением с применением сверхпластичности.

1. Пусть твердое тело Мо (исходная заготовка ) в начальный момент времени ^ предполагается находящимся в естественном состоянии.

2. За интервал времени 1;г4о тело подвергается пластическому формоизменению для изготовления тела Мг (готовая поковка) с заданными геометрическими параметрами и удовлетворяющего определенному качеству.

3. Известна геометрия инструмента, представляемого абсолютно жестким телом с наложенными кинематическими связями. В изотермическом режиме условия теплообмена носят стационарный характер. Температурно-скоростные условия проявления эффекта сверхпластичности предполагаются установленными.

4. Считаем, что изготовление изделия Мг из заготовки М0 осуществляется за один проход.

5. Определению подлежит напряженно-деформированное состояние в теле Ме(Мо,Мг) и, как следствие, действительные взаимоотношения между технологическими параметрами в любой момент времени и связанную с ними технологическую стратегию процесса.

Пусть [8] в эйлеровом пространстве {х!,х2,х3} тело М с кусочно-гладкой границей Ь подвергается одному из видов обрабо�