Значительное измельчение структуры металлов и сплавов, вплоть до возникновения наноструктурных состояний, может быть обеспечено интенсивной пластической деформацией (ИПД).
Известны и хорошо исследованы специальные схемы механического деформирования, такие как интенсивное кручение под высоким давлением, кручение дисковых заготовок на наковальнях Бриджмена, равноканальное угловое (РКУ) прессование, всесторонняя ковка и др. В последнее время появился ряд новых технологических схем ИПД: “песочные часы” [1], винтовое прессование, при котором интенсивные сдвиговые деформации достигаются путем гидромеханического прессования призматических заготовок через матрицу с винтовым каналом, сечение которого ортогонально оси прессования и постоянно вдоль этой оси [2].
Приведенные технологические схемы ИПД имеют ряд достоинств. Во-первых, можно изготовить массивные образцы для проведения механических испытаний. Во-вторых, в получаемых из порошков материалах может быть существенно снижена остаточная пористость. В-третьих, эти методы можно использовать для получения сверхмелкозернистой структуры не только в модельных, но и в промышленных сплавах, что позволяет говорить о перспективах промышленного применения.
К числу таких методов можно отнести и перспективный способ обработки металлов ИПД выдавливанием для измельчения структур [3].
Материалы и методы исследования
Основные технологические этапы этого метода приведены на рис. 1.
а б в г д
Рис. 1. Схема процесса ИПД выдавливанием: а – исходное состояние; б – обратное выдавливание «стакана»; в – образование исходной формы радиальным выдавливанием из «стакана»; г – обратное выдавливание стержня с утолщением; д – образование исходной формы радиальным выдавливанием из стержня с утолщением; 1 – заготовка; 2 – матрица; 3 – плита подкладная; 4 – сплошной пуансон; 5 – полый пуансон; P1 – P3 – силы выдавливания на разных стадиях; Pп – сила противодавления (0 ≤ Pп < P2, 0 ≤ Pп < P3); D, d – диаметры пуансонов; v1, v2 – скорости движения инструментов
Заготовку 1 помещают в матрицу 2, установленную на специальной плите 3. Высота матрицы превышает высоту заготовки. На заготовку устанавливают сплошной 4 и полый 5 пуансоны, которые попеременно осуществляют деформирование.
На рис. 2 представлен алгоритм, демонстрирующий различные комбинации деформирования при ИПД выдавливанием.
На основе разработанного алгоритма сформирована матрица различных вариантов (табл. 1) процесса ИПД выдавливанием, где 0 и 1 – булевы переменные, соответствующие выполнению деформирования 1 или невыполнению 0.
Процесс может начинаться с обратного выдавливания «стакана» (деформированием инструментом 4) или стержня с утолщением (деформированием инструментом 5). Затем осуществляют деформирование инструментом 5, либо деформирование инструментом 4, до получения исходного контура заготовки (например, варианты 1 и 2 табл. 1).
Рис. 2. Алгоритм процесса при ИПД выдавливанием
Таблица 1
Морфологическая матрица вариантов ИПД выдавливанием
|
Номер варианта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исходная заготовка |
Обратное выдавливание «стакана» |
Обратное выдавливание стержня с утолщением |
Радиальное выдавливание с получением исходной формы |
Кантовка |
||||
|
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
4 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
5 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
6 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
7 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
8 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
Специфика структурообразования и деформационного упрочнения при переходе к интенсивным пластическим деформациям впервые была отмечена и систематически изучена в работах В.И. Трефилова, Ю.И. Мильмана и С.А. Фирстова [4–7]. В.И. Трефилов и С.А. Фирстов с сотрудниками обнаружили, что с ростом деформации в материале формируется качественно новый вид дислокационной структуры – сильно разориентированные ячейки. Основная их особенность – это непрерывное увеличение углов разориентировки с ростом деформации при слабом уменьшении поперечных размеров. Как потом оказалось, подобная эволюция структуры присуща и другим металлам. В.И. Трефилов с сотрудниками предложили оценивать деформационное упрочнение при интенсивных деформациях с позиций уменьшения размера зерна – в предельном случае до размера сильно разориентированной ячейки. Его точка зрения о радикальном изменении механизма упрочнения получила многочисленные подтверждения и в настоящее время признается многими учеными.
Исходя из сказанного, можно заключить, что направленное и непрерывно происходящее в процессе пластической деформации движение дисклинаций должно приводить к фрагментации структуры металла, то есть разбиению его на микрообласти, разориентированные на углы порядка нескольких градусов. Чем больше будет степень пластической деформации, тем мельче должны быть фрагменты и больше их разворот относительно друг друга [8].
Рис. 3. Пример распределения пластической деформации при выдавливании по варианту № 3
Экспериментальная часть
Для установления влияния способа на напряженно-деформированное состояние в заготовке и определения наиболее оптимальных вариантов деформирования проведено имитационное моделирование процесса ИПД выдавливанием в среде конечно-элементного моделирования QForm 7.2. Моделирование проводилось последовательно согласно морфологической матрице вариантов (табл. 1). Материал заготовки – алюминиевый деформируемый сплав АД1, температура заготовки 20 °С, температура инструмента 20 °С, графитовая смазка. Скорость деформирования 1 мм/с. Для удобства сравнения полученных результатов шкала пластической деформации при различных вариантах выдавливания одинаковая и имеет градацию от 0 до 20 (рис. 3). Результаты имитационного моделирования при различных вариантах выдавливания сведены в табл. 2.
Анализируя сформированную таблицу с результатами имитационного моделирования после различных вариантов выдавливания, можно сделать заключение, что:
1) интенсивность деформаций по сечению цилиндрической заготовки расположена неравномерно и использование ее в дальнейшей обработке неперспективно. Возможно применение отдельных вариантов, например вариант № 5 (εiср = 7), когда деформация в основном сконцентрирована в центральной части на оси Z (снятие определенного слоя на токарном станке с дальнейшим использованием прочной сердцевины в различных деталях);
2) для получения упрочненных трубных заготовок или цилиндрических полуфабрикатов с прочной стенкой предлагается использовать вариант № 6 с дополнительным выдавливанием металла на последней операции в «стакан» – деформации при такой схеме выдавливания распределяются наиболее равномерно по всему сечению полуфабриката (εiср = 8);
Таблица 2
Сводная таблица результатов имитационного моделирования по различным вариантам выдавливания
|
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 3 |
Вариант 4 |
Вариант 5 |
Вариант 6 |
Вариант 7 |
Вариант 8 |
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
3) для получения различных упрочненных по всему сечению стержневых заготовок необходимо использовать варианты выдавливания № 3, 4, 7, 8 с выдавливанием на последней операции «стержня с утолщением» (εiср = 7). Если необходимы стержневые заготовки с прочной сердцевиной и мягким наружным слоем, то необходимо использовать вариант № 5 с выдавливанием на последней операции «стержня с утолщением» (εiср = 5). Возможно получение стержней с упрочненной периферической частью и мягкой сердцевиной, для этого необходимо провести деформирование по варианту № 2 или 6 с выдавливанием на последней операции «стержня с утолщением» (εiср = 7...9).
Для определения параметров НДС на основе взаимодействия программного обеспечения (ПО) для имитационного моделирования объемной штамповки и ПО, позволяющего производить математические расчеты, в средах Excel и MathCAD, в зонах, где вероятно разрушение, прослеживается история деформирования. Далее эта информация в виде числовых таблиц передается в ПО для математических расчетов, где реализуется методика (рис. 4) определения критерия поврежденности Ψ. Далее производится проверка по известному условию В.Л. Колмогорова
(1)
После проведения предварительного моделирования выдавливания по вариантам 1 и 2 (табл. 1) в заготовке были определены несколько зон, в которых возможно разрушение. В этих зонах расставлены трассируемые точки (рис. 5). В первую зону входят точки 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, находящиеся в периферийной области заготовки, т.е. те точки, которые в процессе деформирования непосредственно взаимодействуют с инструментом и матрицей. Во вторую зону входят точки 1, 3, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 – точки, находящиеся внутри исследуемой заготовки.
Рис. 4. К оценке деформируемости по критерию (1): εi = εi(η) – путь деформирования металла в опасной зоне; εпр = εпр(η) – диаграмма пластичности
Рис. 5. Расположение трассируемых точек после выдавливания по варианту № 1
Рис. 6. Изменение использованного ресурса пластичности по ходу деформирования по варианту № 1
Видно, что в точках № 12 и 3 (рис. 6) ресурс пластичности исчерпан и стоит ожидать образования дефектов. В целом при выдавливании по варианту № 1 имеется достаточный запас пластичности для продолжения накопления деформаций с целью повышения прочности заготовки.
Для точек № 3, 12, ресурс пластичности которых приблизился к 1, были проведены дополнительные исследования по влиянию температурного фактора на ресурс пластичности.
Повышение температуры позволило повысить ресурс пластичности для точек № 3 и 12, тем самым избежав образования внутренних дефектов.
Выводы
Рассмотренный способ перспективен для осуществления ИПД в крупногабаритных заготовках, в том числе из интерметаллидов и других материалов.
Напряженно-деформированное состояние позволяет обеспечить интенсивные пластические деформации заготовок без разрушения и дефектов.
Сопоставлены результаты имитационного моделирования и НДС в заготовках с возможным применением этих результатов для получения заготовок или полуфабрикатов.
При выдавливании образцов по различным вариантам морфологической матрицы имеется достаточный ресурс пластичности для продолжения деформирования и изменения механических характеристик образцов.
Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Рецензенты
Симонова Л.А., д.т.н., профессор, зам. директора по научной деятельности, Набережночелнинский филиал ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Набережные Челны;
Астащенко В.И., д.т.н., профессор кафедры материалов, технологий и качества, Набережночелнинский филиал, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Набережные Челны.