Исследование пластических свойств пористых порошковых материалов в нагретом состоянии при испытаниях на растяжение

В настоящее время порошковая металлургия позволяет создавать новые и совершенствовать известные технологии изготовления изделий различного назначения [1]. Порошковые материалы получают все более широкое распространение и используются для изготовления таких ответственных изделий, как детали уплотнения энергетической арматуры высоких параметров [2]. В работах [3-6] изложены некоторые подходы к формированию порошковых сталей различными методами.

Одним из передовых методов изготовления изделий порошковой металлургии является горячая штамповка (ГШ). Этим методом можно изготавливать детали путем осадки по высоте нагретой порошковой заготовки или с ее значительной поперечной деформацией. Изготовление деталей сложной формы, путем значительных поперечных деформаций, используемых порошковых заготовок, позволяет исключить довольно трудоемкую операцию - зубонарезания, повысить воспроизводимость деталей, увеличить срок службы получаемых изделий, что является преимуществами этого технологического процесса.

При изготовлении деталей методом ГШ со значительной поперечной деформацией порошковой заготовки ее материал должен иметь максимально высокую пластичность и в тоже время технологические режимы, обеспечивающие ее не должны выходить за пределы значений, позволяющих получить максимум конечных физико-механических свойств получаемого материала [7-10]. Первое условие по пластичности пористого материала обусловлено тем, что в некоторых случаях при ГШ [8], возникающие дефекты (трещины) могут на конечных стадиях уплотнения полностью не исчезать, то есть сохраняется граница раздела, образовавшаяся в некотором объеме с поверхности заготовки. Это явление резко снижает механические и пластические свойства порошкового материала после ГШ. Таким образом, представляют интерес обобщенные данные о пластичности пористых материалов при различных значениях технологических факторов и схемах напряженно-деформированного состояния. Результаты таких исследований могут служить отправными пунктами при исследовании различных схем течения пористого материала в процессе изготовлении из него методом ГШ деталей сложной формы. порошковый металлургия растяжение пластичность

В статье представлены результаты исследования пластических свойств металлических пористых порошковых материалов в нагретом состоянии при испытании образцов на растяжение.

а) б)

в) г)

Рис. 1. Порошковый образец для динамического растяжения

в нагретом состоянии: а) после холодного прессования и спекания; б) после шлифования; в) профиль сечения выступов сетки после прессования;

г) профиль сечения выступов сетки после шлифования

Растяжение гладких образцов, как метод испытания, используется в исследованиях, представленных в работе [11]. Обобщенные результаты и методология определения критерия пластичности приведены в [12]. Порошковые образцы для испытаний на растяжение изготавливали путем двустороннего прессования в разборной пресс-форме. После холодного прессования на образце (рис. 1, а) образовывалась координатная сетка в виде выступающих полосок треугольной формы поперечного сечения с углом при вершине 60° и высотой 0,32 мм. Размер ячеек по вершинам составлял примерно 2Ч2 мм. На рис. 1, в показан профиль сечения выступов после прессования. Для того чтобы вызвать разрушение образца в средней части, проводили его шлифование по ширине (рис. 1, б). Кроме этого для удобства работы по замеру размеров ячеек наждачной бумагой снимали гребешки выступов (рис. 1, г).

Динамическое растяжение нагретых металлических пористых порошковых образцов по схеме одноосного приложения сил осуществляли на сконструированном устройстве, внешний вид которого показан на рис. 2.

Рис.2. Устройство для динамического горячего растяжения образцов

а) б) в) г) д)

Рис. 3. Порошковые образцы, разрушенные динамической нагрузкой:

а) П0 = 31%; б) П0 = 15%; в) П0 = 8%

(tисп° = 1100 Cо); г) образец составлен из двух половинок после разрыва (П0= 8%); д) исходный образец

Растяжение нагретых порошковых образцов проводили в защитной среде (осушенный диссоциированный аммиак). Необходимая температура поддерживалась при помощи автоматического потенциометра типа КСП-3 через термопару типа ТП - 1. Скорость деформирования образцов составляла, примерно, 4,4 м/сек.

Внешний вид пористых порошковых образцов с различной исходной пористостью (П₀) показан на рис. 3: после разрыва (а, б, в, г) и до разрыва (д).

Следует отметить следующие особенности разрушения нагретых пористых образцов при растяжении: отсутствие шейки в месте разрыва и перпендикулярное расположение поперечных выступов координатной сетки относительно продольной оси образца. Это свидетельствует о выполнении гипотезы плоских сечений (гипотеза Бернулли). С учетом гипотезы отсутствия поперечного взаимодействия продольных «волокон» можно считать, что произошла деформация одноосного растяжения и, в поперечном сечении образца возникают только нормальные напряжения. Перпендикулярность продольных и поперечных выступов координатной сетки свидетельствует об отсутствии сдвиговых деформаций и, следовательно, связанных с ними касательных напряжений в поперечных и продольных сечениях образца. Деформация растяжения образца обусловлена деформацией «частиц» порошка, образующих его металлический каркас.

В связи с этим предельную деформацию растяжения пористого образца нами принято считать оценочным параметром пластичности его материала. Для пористых порошковых материалов, имеющих одинаковые физико-механические свойства, деформируемость образцов, выраженная в «предельных» деформациях растяжения при одинаковых технологических условиях испытания, но различных схемах напряженно-деформированного состояния, будет различной.

Пластичность, выраженная в «предельных» деформациях суммарного растяжения частиц порошка, должна быть одинаковой и характеризовать физические свойства пористого материала. Такую оценку пластичности представляется возможным провести для пористых порошковых материалов по результатам испытаний образцов в нагретом состоянии, например, на растяжение, осадку, изгиб.

Установлено, что с уменьшением пористости образцов пластичность порошкового материала при растяжении возрастает. На рис. 4 представлены графики зависимостей деформаций удлинения, выраженных в виде логарифмического коэффициента деформаций (e_р) от исходной пористости порошковых образцов (П?).

Поперечная деформация образца (сужение) оценивалась по изменению размера в? элементов координатной сетки в зоне разрыва (рис. 1, в).

На рис. 5 представлены графики зависимости деформаций сужения образцов, выраженной в виде логарифмического коэффициента деформаций (e_с) от исходной пористости образцов. Увеличение по абсолютной величине (e_с) с уменьшением исходной пористости находится в соответствии с характером изменения (e_р) (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость e_р =f(П?):

1- образцы из порошка ПЖ4С2;

2- ПЖ4М3

Рис. 5. Зависимость e_с =f(П?):

1- образцы из порошка ПЖ4С2;

2- ПЖ4М3

Особенностью деформации пористых образцов при испытаниях на растяжение является практически равномерное его сужение по всей рабочей длине (примерно 20мм), которая сопровождается разрывом без видимого образования шейки в зоне разрыва. Такой характер разрушения (рис. 3, а- г) обусловлен, по всей видимости, наличием только нормальных напряжений, так как, плоскость разрыва практически перпендикулярна продольной оси образцов в исследованном диапазоне исходных пористостей.