Введение к работе
з
В данной диссертационной работе реологическое поведение микрокристаллических материалов рассматривается применительно к математическим моделям технологических процессов обработки металлов давлением в состоянии сверхпластичности. Актуальность работы
Структурная сверхпластичность (СП) наблюдается в материалах, имеющих микрокристаллическую структуру (средний размер зерен обычно не превышает 10...15 мкм) при повышенных температурах (Т>0,4Тт, где Тга - температура плавления по абсолютной шкале) и относительно низких значениях скорости деформации (обычно в интервале Ю^-КГ1 с"'). Установлено, что многие поликристаллические материалы, включая промышленные сплавы на основе алюминия, титана, железа, магния, никеля и др., могут быть переведены в состояние структурной СП. Использование СП при обработке металлов давлением (ОМД) во многих случаях обеспечивает повышение эффективности и расширение возможностей за счет снижения деформирующих усилий, повышения коэффициента использования металла, уменьшения числа технологических переходов и улучшения качества деформируемых полуфабрикатов.
Исторически сложилось так, что явление СП отметили (т.е. выделили как специфическое свойство материала) материаловеды и физики; они же первыми предприняли попытки использовать это явление в технологических процессах ОМД. Это обстоятельство привело к развитию определенной однобокости в теоретическом изучении и излишнего эмпиризма в практическом применении явления СП. Стал заметным, в частности, явно низкий уровень в создании математических моделей материалов и технологических процессов, в использовании методов и результатов механики деформируемого твердого тела (МДТТ).
Развитие перспективных технологий ОМД в режиме СП требует разработки математических моделей технологических процессов, включающих постановку и решение краевых задач МДТТ. Ключевым звеном в постановке краевой задачи являются определяющие соотношения (ОС). Поскольку за прошедшие десятилетия создан ряд феноменологических и физических моделей СП, которые находятся в хорошем согласии с использованными их авторами экспериментальными данными, представляется целесообразным выяснить возможности их использования при построении адекватных ОС СП. ОС, предназначенные для включения в постановки краевых задач обработки давлением, должны удовлетворять требованиям общей теории ОС МДТТ, - таких как замкнутость системы уравнений, устойчивость по отношению к небольшим изменениям материальных констант, оснащенность полным набором методик идентификации и т.д. В этой связи представляется актуальным разработка концеп-
4 ции подхода к анализу и оценке моделей СП с целью выработки конкретных рекомендаций по их использованию при моделировании технологических процессов обработки давлением микрокристаллических материалов в режиме СП.
Диссертационная работа выполнена в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН (№ госрегистрации 01.960.006598) раздел 1.2.2 "Обоснование определяющих соотношений при построении механических моделей, учитывающих высокую скоростную чувствительность и механизм изменения внутренней структуры материала", Федеральной целевой программы "Интеграция", программы Академии наук Республики Башкортостан "Механика деформируемого твердого тела" (постановление Президиума АН РБ №23/4.2 от 12 октября 1995 г., договора №96-3.1.4. 97-3.1.4 и 98-5.6.4) и государственной научно-технической программы "Наукоемкая техника и технология для машиностроения Республики Башкортостан". Цель работы: Развитие комплексного подхода к анализу и аттестации моделей СП для использования их в постановках краевых задач обработки давлением микрокристаллических материалов
При выполнении работы решались следующие основные задачи:
-
Разработка критериев для аттестации моделей СП с учетом особенностей феноменологии СП и общих требований механики деформируемого твердого тела
-
Оценка известных моделей СП на основе сформулированных в п. 1 критериев
-
Разработка методик экспериментального определения реологических параметров сверхпластических материалов (идентификация основных определяющих соотношений СП)
-
Анализ известных математических моделей технологических процессов ОМД в рамках общей постановки краевой задачи
-
Развитие математических моделей технологических процессов ОМД для класса задач с известной кинематикой с целью выработки практических рекомендаций
Научная новизна
-
На основе общих требований МДТТ и потребностей решения краевых задач ОМД сформулирован подход к анализу ОС для микрокристаллических материалов. С использованием выработанных критериев оценки ОС проведены систематический анализ и аттестация математических моделей сверхпластических материалов с позиций общих требований теории ОС МДТТ. Дана классификация известных из литературы моделей СП в зависимости от возможности их использования для описания универсальной кривой СП. Предложена структурно-механическая модель СП, позволяющая адекватно описать универсальную кривую СП.
-
Решен ряд модельных краевых задач механики СП: поперечное течение сверхпластичного материала в зазоре между двумя коаксиальными вращающимися цилиндрами; двухкомпо-
5 нентиое нагружение (осевая сила + крутящий момент) сплошного цилиндрического стержня; формовка сферы и цилиндра; осадка сплошного кругового цилиндра из материала, обладающего пороговым напряжением и линейным скоростным упрочнением, плоскими вращающимися бойками.
-
Предложена общая схема, позволяющая искать решение обратных задач идентификации ОС СП по результатам технологических экспериментов, проводимых на основном технологическом оборудовании. Данная схема реализована на примере сверхпластической формовки (СПФ) тонколистовых материалов (свободное формообразование сферической и цилиндрической оболочек, формовка круглой мембраны, формовка длинной узкой мембраны).
-
Разработаны и применены на практике математические модели ряда технологических процессов ОМД с использованием явления СП: СПФ круглой мембраны; формовка сферообраз-ных изделий из плоского пакета; осадка с кручением дисков из сверхпластического материала; процессы СПФ, совмещенные со сваркой давлением; раскатка дисков автомобильных колес; безволоковая деформация проволоки.
-
Установлено, что зависимость наклона сигмоидальной кривой СП от скорости деформации является общей для широкого круга поликристаллических материалов, если построить ее в специальных координатах M/Mmax - 4/opt при одном и том же значении гомологической температуры Т/Тт, где Тт - температура плавления по абсолютной шкале, Мтах - максимальное значение наклона сигмоидальной кривой СП, соответствующее оптимальной скорости деформации ^0pt- Предложены и практически реализованы методы определения параметров точки перегиба сигмоидальной кривой (aopt, ^opt и Mmax). Адекватные ОС СП должны "конструироваться" таким образом, чтобы включать в себя точку перегиба; предложен вариант математического описания универсальной кривой СП, допускающий возможность формулировки варианта ОС СП. Показано, что величина параметра m в стандартном ОС СП о=К^т не может быть однозначно определена по наклону сигмоидальной кривой СП.
-
Показано, что для описания температурной чувствительности сверхпластичного материала необходимо введение не менее двух параметров, в качестве которых могут быть использованы, например, кажущиеся энергии активации. Если на стационарной стадии пластического течения существует однозначная связь между значениями напряжения течения, температуры и скорости деформации, то отношение кажущихся энергий активации процесса сверхпласти-ческого деформирования равно наклону сигмоидальной кривой СП.
-
Установлено, что начальный наклон диаграмм напряжение - деформация для микрокристаллических материалов, деформируемых в состоянии СП, сильно зависит от скорости деформации; это обстоятельство может быть использовано для определения параметра т. Про-
тяженность линейного участка может достигать 10-15%, что не позволяет связать его с упругими свойствами образца и/или испытательной машины.
8. Анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях на релаксацию, позволя-
.ет сделать вывод о существенном превышении времени нарастания напряжения на участке
активного нагружения над временем его падения на участке релаксации. Это обстоятельство может быть использовано при аттестации физических моделей СП.
9. Проанализирована применимость ОС СП вида ^ = 67E + f(o-,T) (соотношения типа Бин-
гама) для описания механического поведения микрокристаллических материалов в переход
ных режимах одноосного деформирования (начальный участок диаграммы напряжение-
деформация, кривые релаксации, испытания со скачками по скорости деформации и т.п.).
Установлено, что соотношения типа Бингама не позволяют описать механическое поведение
СП материала при различных видах одноосного деформирования с использованием одного и
того же набора материальных постоянных.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением строгих математических методов, согласованием теоретического анализа с многочисленными экспериментальными данными, совпадением в частных случаях с известными результатами других авторов.
Практическая ценность
-
Разработаны и реализованы практические рекомендации по выбору ОС при математическом моделировании технологических процессов ОМД в режиме СП. Критериями выбора являются область применимости ОС, доступность для интегрирования, оснащенность методиками определения всех констант материала, устойчивость работы этих методик и самих ОС и др.
-
Разработаны новые методики экспериментального определения реологических параметров сверхпластических материалов: параметра скоростной чувствительности сверхпластических материалов т, порогового напряжения, оптимальных температурно-скоростных условий СП и параметров точки перегиба сигмоидалыюй кривой СП. Методики апробированы на ряде промышленных и модельных сплавов, полученные результаты сопоставлены с литературными данными и результатами, полученными независимыми методами. Отличительной особенностью разработанных методов является однозначность получаемых результатов, что позволяет использовать их наряду с известными из литературы в качестве независимого средства для аттестации сверхпластичных материалов.
-
Проведено сопоставление различных видов деформационной обработки (равноканально-угловое прессование, кручение на наковальнях Бриджмена, растяжение/осадка с кручением, кручение в контейнере и др.) по величине параметра Одквиста. Показано, что такой подход
7 позволяет проводить сравнительный анализ эффективности различных методов получения микрокристаллической структуры.
-
Предложена практическая методика определения степени деформации в процессах сверхпластического формообразования тонколистового материала, позволяющая с достаточной для практики точностью определять степень деформации по известным значениям толщины заготовки и изделия.
-
Предложен способ изготовления сферических оболочек из листовых заготовок в штампе с изменяющимся зазором, позволяющий повысить качество изделий, их эксплуатационные характеристики (допустимое внутреннее давление и усталостную прочность).
-
Предложен способ подготовки структуры материала к сверхпластической деформации, позволяющий обрабатывать цилиндрические заготовки с широкой гаммой отношения высоты к диаметру без изменения их формы, достигать больших степеней деформации при ее однородности по высоте заготовки.
Новизна предложенных технических решений защищена 2 авторскими свидетельствами СССР и 2 патентами РФ.
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях по сверхпластичности: «Сверхпластичность неорганических материалов», Уфа, 1992; Int. Conference on Superplasticity in Advanced Materials (ICSAM-94), Moscow, May 24-26, 1994; Symposium on Superplasticity and Superplastic Forming, February 12-16, 1995, Las Vegas, Nevada, U.S.A.; Int. Seminar on Microstructure, Micromechanics and Processing of Superplastic Materials, 8-9 August, 1997 Mie University, Japan; Int. Conference on Superplasticity in Advanced Materials (ICSAM-97), Bangalore, India, January 29-31, 1997; Int. Conference "Towards Innovation in Superplasticity II", September 21-24, 1998, Kobe, JAPAN. Некоторые результаты были представлены на научно-практической конференции «Применеіше САПР в машиностроении», Свердловск, 1990; на II Всесоюзном семинаре «Технологические задачи ползучести и сверхпластичности», Фрунзе, 1990, на конференции "Математическое моделирование процессов обработки материалов" (17-19 ноября, 1994 Пермь).
Публикации: Основные результаты опубликованы в 41 работе, в том числе, в 1 монографии и 36 статьях. Результаты работы защищены 2 авторскими свидетельствами на изобретение и 2 патентами РФ.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из Введения, 3 глав, Заключения и двух Приложений; изложена на 380 машинописных страницах, содержит 130 рисунков, 92 таблицы, библиографический список из 700 наименований.
