Развитие научных основ технологий интенсивной пластической деформации и создание оборудования по схеме равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлических полуфабрикатов

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Развитие научных основ технологий интенсивной пластической деформации и создание оборудования по схеме равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлических полуфабрикатов

Специальность 05.03.05 - Технология и машины обработки давлением

(технические науки)

Рааб Георгий Иосифович

Уфа - 2009

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики перспективных материалов научно-исследовательской части ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный консультант -доктор физико-математических наук, профессор Валиев Руслан Зуфарович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Платов Сергей Иосифович,

доктор технических наук, профессор Коджаспиров Георгий Ефимович,

доктор технических наук, профессор Шеркунов Виктор Георгиевич

Ведущая организация -Институт металлургии и материаловедения РАН имени А.А. Байкова (г. Москва)

Защита состоится 12 ноября 2009 г. в малом актовом зале

в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.В. Жиркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание ультрамелкозернистых (УМЗ) состояний в металлах и сплавах, с размером зерен менее микрона приводит к изменению некоторых их физических величин и заметному (в 1,5-3 раза) увеличению характеристик прочности. Разработка и использование НС металлических объемных конструкционных материалов, обладающих высоким комплексом физико-механических свойств, имеет большое значение для ускоренного развития металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности. Решение задачи массового производства таких материалов на высоком и современном техническом уровне является важной отраслевой и государственной проблемой.

Для выпуска массовой продукции из НС материалов наиболее перспективны деформационные нанотехнологии (ДНТ), основанные, в частности, на развитии методов интенсивной пластической деформации (ИПД) ¹* Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.: ил.*, т.е. процессов деформирования при температурах ниже порога рекристаллизации с высоким уровнем накопленной деформации е = 4-8 и повышенных удельных силах на инструмент. Использование методов ИПД может приводить к формированию УМЗ структуры субмикрометрического диапазона со средним размером зерен 200-500 нм и развитой внутризеренной субструктурой с размерами элементов менее 100 нм, что позволяет отнести эти материалы к классу объемных наноструктурных материалов. Оценивая важные преимущества методов ИПД, следует отметить, что при формировании УМЗ структур в металлах и сплавах, не изменяется их исходный химический состав, что и упрощается использование таких материалов на рынке. Также методы ИПД, являясь, по сути, новыми применениями методов обработки металлов давлением (ОМД), имеют возможность встраиваться в существующие технологические цепочки на стадиях металлургического передела слиток - полуфабрикат или полуфабрикат - изделие.

Представленная работа направлена на разработку технологий ИПД и оборудования для получения УМЗ полуфабрикатов в виде прутков и проволоки, что весьма актуально, т.к. в современных условиях полуфабрикаты такого сортамента являются массовой продукцией, которая составляет около четверти мирового рынка металлов.

На момент постановки задач данной диссертационной работы в середине 90-х годов научно-технический задел по оборудованию и использованию методов ИПД ограничивался получением лабораторных УМЗ образцов чистых металлов и некоторых сплавов. Преимущественно применялись: исследовательский инструмент по схеме равноканального углового прессования (РКУП) с традиционным углом пересечения каналов Ф = 90°; устройства для кручения под высоким гидростатическим давлением (КВГД) и метод всесторонней ковки на плоских бойках. Как правило, температурный интервал формирования УМЗ структур располагается ниже 0,4 Т_пл, т.е. это холодная деформация, осуществляемая в условиях повышенных контактных сил деформирования, ограниченной технологической пластичности и дробной, суммарно сверхвысокой деформации. В связи с этим, одной из важных целей представленной работы явилась разработка научно-технических основ технологий ИПД и создание оборудования для получения образцов, заготовок и длинномерных полуфабрикатов УМЗ промышленных сплавов, включая малопластичные и труднодеформируемые. Базовым процессом для исследований был выбран метод РКУП, как наиболее эффективный при получении HC материалов.

Создание технологий ИПД для промышленного использования является сложной научно-технической проблемой. Для её реализации необходимыми условиями являются исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и кинетики силовых параметров процессов, изучение факторов, влияющих на однородность течения и структурного состояния, разработка доступных в заводских условиях методик анализа технологичности методов ИПД. Важной задачей исследований явился поиск объективных критериев для прогнозирования структурного состояния, свойств получаемых материалов и создания технологических рекомендаций при проектировании перспективных промышленных ИПД технологий.

Кроме того, центральной задачей работы явилось создание нового высокопроизводительного и надежного оборудования для обработки ИПД различных металлов и сплавов.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы заключается в установлении взаимосвязей технологических аспектов методов ИПД со структурообразованием и созданием на этой базе новых высокоэффективных технологических процессов и оборудования для получения образцов, заготовок и полуфабрикатов из УМЗ металлов и сплавов с качественно новым уровнем их физико-механических свойств.

Цель работы - разработка оборудования, теоретических и прикладных основ получения методами ИПД образцов, заготовок и полуфабрикатов УМЗ металлов и сплавов с высоким уровнем физико-механических свойств.

Для достижения поставленной в работе цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка концепции, определяющей эффективность структурообразования при масштабировании процесса РКУП различных материалов.

2. Выявление и исследование наиболее значимых параметров очага деформации при РКУП, определяющих эффективность структурообразования.

3. Разработка и исследование новых схем РКУП, обеспечивающих эффективное структурообразование.

4. Исследование технологических особенностей обработки при формировании УМЗ состояний в малопластичных и труднодеформируемых металлах и сплавах.

5. Разработка высокотехнологичных и экономичных опытно-промыш-ленных процессов и оборудования для получения методами ИПД полуфабрикатов УМЗ промышленных технически чистых металлов и сплавов.

Научная новизна работы:

- предложен и формализован показатель, определяющий эффективность наноструктурирования материалов деформационными методами в виде отношения площади очага деформации к его объему и приращения этой величины в процессе деформации;

- на основе анализа напряженно-деформированного состояния в заготовке разработаны обоснованные принципы, позволившие развить метод РКУП (использование противодавления, изменение геометрии инструмента) для обработки малопластичных и труднодеформируемых материалов;

- впервые теоретически и экспериментально исследованы новые методы деформационного наноструктурирования, а именно: РКУП в параллельных каналах (РКУП-ПК); РКУП по схеме «Конформ» (РКУП-К) для получения длинномерных УМЗ заготовок; созданы технологии и оборудование для их реализации.

- предложены и разработаны новые технологические процессы, а также определены режимы деформационного наноструктурирования для промышленных металлов и сплавов на основе Ti, Fe, Al и Cu и сплавов на их основе для получения полуфабрикатов и изделий с повышенным уровнем их механических и функциональных свойств;

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция, определяющая эффективность структурообразования при масштабировании процесса РКУП материалов, заключающаяся в доминирующей роли отношения площади очага деформации к его объему и дополнительной знакопеременной деформации вдоль линий тока при реализации схемы сдвига.

2. Принципы развития метода РКУП (использование противодавления, рациональное сочетание геометрии оснастки и температуры обработки) для наноструктурирования малопластичных и труднодеформируемых металлов и сплавов.

3. Методологические основы создания новых технологий и оборудования деформационного наноструктурирования, на основе развития и создания схем РКУП с повышенной интенсивностью немонотонного воздействия за цикл обработки, а также развития схем, использующих активные силы трения.

4. Принципы комбинированных технологических процессов наноструктурирования промышленных металлов и сплавов на основе Ti, Fe, Al и Cu для получения полуфабрикатов и изделий с повышенными механическими и функциональными свойствами.

Практическая значимость работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований и полученных на их основе новых закономерностей формирования УМЗ структур методами деформационного наноструктурирования разработан ряд высокоэффективных ИПД технологий, позволяющих изготовить полуфабрикаты: прутки и проволоку из конструкционных металлов и сплавов с повышенными физико-механическими свойствами, в том числе:

- разработаны технологические рекомендации комбинированной обработки методами РКУП-К и последующего волочения и получены длинномерные высокопрочные полуфабрикаты-прутки из УМЗ титана и других металлов;

- разработаны технологические режимы получения УМЗ труднодеформируемых материалов методом РКУП таких как: вольфрам (рост микротвердости с 5000 до 6000 МПа); титановый сплав ВТ6 (рост прочности в 1,5 раза относительно традиционной упрочняющей обработки); нитинол (повышение функциональных свойств); технически чистые марки титана, ВТ1-0 и международные аналоги Grade2, Grade4 (рост предела прочности в 1,5-1,8 раза при относительном удлинении более 12%);

- впервые разработано и изготовлено опытно-экспериментальное оборудование для РКУП-К в условиях холодной и теплой деформационной обработки;

- впервые проведено опытно-промышленное опробование совмещенной схемы прямого выдавливания с процессом РКУП-ПК для получения УМЗ алюминиевого сплава марки 1010;

- на научно-технической базе полученных знаний впервые создано опытно-промышленное производство УМЗ полуфабрикатов из технических марок титана для медицинского применения.

Новизна технологических и конструкторских разработок защищена 11 патентами.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при проведении практических и лабораторных работ студентов разных специальностей для изучения методов деформационного наноструктурирования на кафедрах ГОУ ВПО «УГАТУ», ГОУ ВПО «МГТУ» и других вузов.

Обоснованность выносимых на защиту научных положений, выводов и рекомендаций. Расчеты НДС проводились с привлечением теории пластичности, механики сплошных сред, реологии и методик ОМД, а также современных компьютерных программ численного моделирования процессов пластического формоизменения. Обоснованность расчетов вытекает из их соответствия экспериментальным данным. Достоверность полученных результатов структурных исследований подтверждается использованием современного оборудования (JEM2100, JSM6390, ДРОН-3М) и методов исследования, включая электронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ, публикацией результатов в реферируемых журналах.

Работа выполнялась в рамках государственных научно-технических программ Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2001-2002 гг.); «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (2001 г.); Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов» (2003-2004 гг.); ФЦП «Интеграция» «Конструкционные наноструктурные материалы: получение, исследование и применение» (1999-2003 гг.); грантов РФФИ и проектов МНТЦ (1999-2008 гг.).

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Международной конференции НАТО (Москва, 1999); конференции по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 80-летию со дня рождения М.Л. Бернштейна (Москва, 1999); Международной конференции по наноматериалам, полученным интенсивной пластической деформацией (Австрия, Вена, 2002); Международных конференциях TMS (США, 2003, 2004, 2005, 2008); 1-ой Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО 2004 (Москва, 2004); Международной конференции по наноматериалам, полученным интенсивной пластической деформацией (Япония, Фукуока, 2005); Международных научно-технических конференциях «Высокие давления» (Украина; 2000, 2002, 2004, 2006); Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии и информационные технологии - технологии 21 века» (Москва, 2006); Третьей Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006); Международной научно-технической конференции «Наноматериалы, полученные интенсивной пластической деформацией в условиях высоких давлений» (Украина, Судак, 2007); Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО 2007 (Новосибирск, 2007); Международной научно-технической конференции «Физико-технические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (Украина, Краматорск, 2007); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов давлением» (Ульяновск, 2007); Международном симпозиуме «Объемные наноматериалы» (Уфа, 2007); Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007); Международной конференции по наноматериалам, полученным интенсивной пластической деформацией (Германия, Гослар, 2008), Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2009).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и библиографического списка, включающего 217 наименований. Диссертация изложена на 247 страницах машинописного текста, содержит 121 рисунок и 34 таблицы.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 58 печатных работах, в том числе в 24 рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК и 11 патентах на изобретение.

Главы 1 и 2 диссертационной работы подготовлены при научной консультации д.т.н. Ф.З. Утяшева.

Состояние вопроса. Научные принципы создания технологий интенсивной пластической деформации недостаточно развиты, что сдерживает использование методов пластического структурообразования в практике. Большой вклад в исследования процессов пластического структурообразования простым сдвигом с использованием схемы РКУП внесла минская научная школа под руководством Сегала В.М. Также в ряде работ Брижмена П.В., Колмогорова В.Л., Тюрина В.А., Богатова А.А. и др. отмечается положительное воздействие сдвиговой деформации на измельчение структуры и свойства изделий. Влияние больших деформаций на структуру и свойства активно исследуется коллективом под руководством Рыбина В.В., используя, преимущественно, методы термомеханической обработки (ТМО). Методам подготовки структуры заготовок для сверхпластической деформации посвящен ряд работ Смирнова О.М., Кайбышева О.А., Валиева Р.З. и др.

Последние 15-18 лет методы ИПД стали использоваться для получения УМЗ металлов и сплавов. В настоящее время они входят в стадию создания промышленных технологий и промышленного оборудования для массового производства УМЗ материалов.

В этой связи, работа посвящена развитию методов ИПД, как одного из современных экономически целесообразных направлений получения комплекса высоких механических свойств металлических материалов. Основной целью работы является развитие научных основ создания высокоэффективных и прогрессивных методов ИПД и разработка на этой базе промышленных деформационных технологий получения УМЗ полуфабрикатов и заготовок. В основу теоретических и технических разработок, используемых в работе, были положены труды отечественных ученых Андриевского А.М., Богатова А.А., Валиева Р.З., Глейзера А.М., Грудева А.П., Добаткина С.В., Ерманка М.З., Левита В.И., Могучего Л.Н., Овчинникова А.Г., Панина В.Е., Перлина Л.И., Полухина П.И., Прозорова Л.В., Райтбарга Л.Х., Ренне И.П., Рыбина В.В., Сегала В.М., Тылкина М.А., Штремеля М.А., Унксова Е.П., и др. и зарубежных исследователей Л. Гляйтера, Т. Ленгдона, Н. Хансона, З. Хориты и др.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Определены цели исследований; изложена научная новизна и практическая значимость работы; сформулированы основные положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации работы и публикациях, структуре и объему диссертации.

В первой главе подробно представлен метод ИПД способом РКУП и его использование для получения УМЗ металлов и сплавов. Известно, что РКУП предполагает многоцикловую обработку прессованием одной заготовки в оснастке с пересекающимися под углом каналами (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема оснастки для РКУП с углом пересечения каналов Ф = 90° (а); геометрия канала прессования и схема деформации при РКУП - (б); схема действующих сил (в); используемые маршруты обработки при РКУП (г)

В отличие от известного использования РКУП, как метода упрочнения металлов без изменения поперечного сечения заготовок, предложенного В.М.Сегалом в 70-80 гг. прошлого века, метод РКУП с начала 90-х годов начинает использоваться для формирования в металлах УМЗ структур с размерами зерен в субмикронном и нанометрическом диапазонах. Установлено, что полученные УМЗ материалы по совокупности таких свойств, как прочность и пластичность существенно отличаются от упрочненных за счет субструктурного измельчения исходных зерен. В главе показана также важная роль маршрута прессования при формировании УМЗ структур. Маршрут прессования - это определенная последовательность позиционирования заготовки, связанная с поворотом заготовки на фиксированный угол относительно продольной её оси перед каждым последующим циклом прессования. Так, для маршрута А этот угол равен нулю, для В - 90°, для С - 180° (см. рис. 1, г). Только определенная совокупность таких факторов, как количество циклов прессования (обычно N = 4-8), температура обработки, используемый маршрут прессования, геометрия оснастки, трибологические параметры обеспечивают однородное и эффективное формирование УМЗ структуры в объемных заготовках.

Решаемой проблемой в первой главе являлось выявление наиболее эффективных параметров обработки и приемов анализа НДС при РКУП, обеспечивающего формирование однородного деформированного состояния и, соответственно, однородных структуры и свойств в полуфабрикатах при наименьших затратах. Также решалась задача повышения деформируемости для условий многоцикловой упрочняющей обработки полуфабрикатов методом РКУП за счет управления напряженным состоянием в очаге деформации посредством разработки рациональной геометрии каналов и создания противодавления. Принято считать, что при РКУП заготовка деформируется по схеме простого сдвига в условиях ротационного течения материала и системе действующих активных и реактивных сил (см. рис. 1, в). При этом влияние ротационной составляющей на деформированное состояние при РКУП недостаточно изучено.

В рамках решаемой проблемы повышения эффективности структурообразования в объемных заготовках были проведены исследования НДС для выявления особенностей реализуемой схемы деформации в условиях ротационного течения материала и определения характера возникающих напряжений в очаге при РКУП с использованием аналитически-экспериментального метода расчета. Также представлены результаты энергетического анализа и дана сравнительная оценка деформированного состояния при РКУП, установленного физическим и численным моделированием. Показана адекватность используемых подходов, что важно при разработке новых ИПД технологий, т.к. при использовании менее затратного виртуального анализа значительно экономятся материальные и временные ресурсы. Разработана методика оценки запаса пластичности материала и выбора геометрии оснастки при многоцикловой деформации методом РКУП с целью повышения деформируемости и получения бездефектных полуфабрикатов.

Проведенный аналитически-экспериментальный анализ НДС при РКУП с использованием данных, полученных методом Ренне (рис. 2, 3) и численным моделированием, позволил определить вклад ротационного течения в деформированное состояние.

При расчете эквивалентной деформации использовали подход Генки

,(1)

где е₁ и е₂ - главные деформации.

Рис. 2. Общий вид сетки в вертикальной плоскости симметрии для стадии устойчивого течения	Рис. 3. Картина изменения геометрии ячейки в результате конечной деформации при РКУП

Среднее значение вдоль линии тока определяли интегрированием по формуле:

,(2)

где m_i - косинусы углов между главными направлениями деформации и линией течения l_k., _о определяется предельными условиями на границе между жесткими и пластическими зонами.

В результате проведенного анализа установлено, что образец при прохождении через очаг деформации подвергается не только простому сдвигу, но и последовательному сжатию и растяжению, о чем свидетельствует соответствующее изменение геометрии ячеек в продольной плоскости образца в очаге и характер накапливаемой деформации (рис. 4). Этот факт может способствовать повышению эффективности структурообразования при РКУП.

Также установлено, что в оснастке с радиусами сопряжения каналов, близкими к нулю и при полном заполнении профиля каналов, наблюдается неоднородное поле средних напряжений в очаге деформации. Так, средние напряжения в области внешнего угла имеют тенденцию скачком меняться от сжимающих к растягивающим (рис. 5), что может становиться предпосылкой появления поверхностных и сквозных трещин на образцах при РКУП.

Представленные в главе данные экспериментального (физического) и компьютерного моделирования пластического течения материала при РКУП показывают большую сходимость полученных результатов (рис. 6). В частности, углы сдвига при физическом и виртуальном эксперименте идентичны, что позволяет использовать численные методы для прогнозирования деформационного поведения различных материалов при РКУП, сокращая при этом время и затраты на разработку процессов. Например, для обеспечения однородного деформированного состояния необходимо согласованное использование фиксированных величин радиусов сопряжения каналов и противодавления или разработка специальной геометрии оснастки (рис. 7). Такой подход приводит к созданию процессов получения заготовок с однородными по объему УМЗ структурами как в пластичных, так и в труднодеформируемых металлах и сплавах.

Рис. 4. Расчетные значения деформации е2 вдоль четырех выбранных линий тока	Рис. 5. Характер изменения среднего напряжения при РКУП технически чистой меди

Рис. 6. Схема заделки штифтов в исходной заготовке (а) и их форма в продольном сечении заготовки меди после одного цикла РКУП (б); форма сетки Лагранжа при численном моделировании способа РКУП, ц1 и ц2 - углы сдвига (в)

Полученные данные энергетического анализа позволили определить вклад работы сил трения и работы деформации в общую работу внешних сил. Установлено, что при РКУП меди величина работы деформации возрастает от первого до шестого цикла обработки на ~ 50%, а при последующем увеличении циклов с седьмого по двенадцатый - на ~ 7%, что свидетельствует о снижении интенсивности упрочнения и стабилизации величины предела текучести деформируемого материала на этой стадии обработки. ковка прессование ультрамелкозернистый металл

Также следует учитывать, что даже при довольно низких значениях коэффициента трения 0,05-0,07 вклад сил трения в общую работу внешних сил близок по своим значениям к вкладу сил, обеспечивающих деформацию заготовок.

В связи с этим, использование более эффективных смазок с целью снижения коэффициентов трения в процессе РКУП или использование активных сил трения для создания сил деформирования, например, как при РКУП-К, является актуальным и, соответственно, позволяет снизить силы прессования и повысить стойкость оснастки.

Рис. 7. Способы повышения однородности течения материала при РКУП (Ш20 мм): а - традиционная геометрия R = r = 1 мм); б - создание противодавления и выполнение рационального сочетания радиусов сопряжения каналов (R = 3 мм; r = 1 мм); в - разработка специальной геометрии оснастки (Ш20 мм; R = 1 мм, r = 2мм, К = 0,3 мм, ш = 15°)

В главе показано, что использование разработанной методики оценки запаса пластичности материала и выбора геометрии оснастки при РКУП позволяет учитывать накопленную поврежденность материала и выбирать наиболее рациональную геометрию оснастки для получения бездефектных образцов в процессе многоцикловой обработки (рис. 8).

Методика основана на испытании кручением образца специальной формы, обеспечивающего подобие условий локализованного сдвига при РКУП. При ее разработке использовались научные положения уральской школы Колмогорова-Богатова.

Левый график номограммы позволяет определить уровень накопленной интенсивности деформации сдвига в момент разрушения образца при испытании на кручение.

Проецируя полученное значение интенсивности деформации сдвига разрушения на правый график, показывающий взаимосвязь уровня накопленной интенсивности деформации сдвига и угла пересечения каналов при РКУП, определяли наиболее рациональный угол пересечения каналов для бездефектного прессования заготовки.

Рис. 8. Номограмма для экспресс-анализа технологической пластичности материалов перед РКУП и выбора угла пересечения каналов в оснастке: цр - угол закрутки образца и Лр - интенсивность деформации сдвига в момент разрушения (испытания кручением специальной формы образцов); ФРКУП - рекомендуемый угол пересечения каналов; Л - интенсивность деформации сдвига

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ проектирования ИПД технологий.

Учитывая направленность данных технологий на эффективность структурообразования, где важную роль играют также температурные и силовые параметры обработки, следует отметить одну особенность процесса, связанную с его масштабированием.

Так, при РКУП заготовок технического титана разной геометрии установлено, что при одних и тех температурно-скоростных параметрах обработки формируется структура разной дисперсности.

При этом, чем больше геометрические размеры заготовок, тем большие по размерам формируются зерна, и эта разница для заготовок диаметром 10 и 40 мм достигает 20-30%.

Анализируя другие методы ИПД, можно отметить даже более значимые различия.

Так, при кручении под высоким давлением заготовок диаметром ~10 мм и толщиной ~0,4 мм на наковальнях Бриджмена размер формирующихся зерен в 1,8-2 раза меньше, чем при РКУП заготовок близкого диаметра. При этом объем очага деформации при РКУП заготовок Ш10 мм в ~15 раз больше.

Данные факты вызвали необходимость исследования связи параметров очага деформации и структурообразования.

При проведении данного исследования использовали металлы со средней энергией дефектов упаковки, а их деформация рассматривалась в дорекристаллизационном температурном интервале.

Исключалось влияние величины гидростатического давления на измельчение микроструктуры, поскольку его изменения в технологических процессах, использующих РКУП, незначительны и в среднем составляют 0,5-1,5 ГПа.

Основными механизмами деформации принимали внутрифрагментный (дислокационный) и межфрагментный (некристаллографический) сдвиги. Под фрагментом понималась обособленная устойчивыми границами часть зерна (субзерно).

Как известно, формоизменение в процессах ОМД характеризуется как свойствами материала, так и реальными условиями его обработки, в которые входят НДС, температурно-скоростные параметры и др. В свою очередь, НДС рассматривается в очаге деформации, имеющем определенные геометрические параметры.

В работе анализ геометрических параметров очага при РКУП позволил вывести ряд закономерностей, связывающих деформационное поведение и структурообразование в материалах.

В основе развиваемого подхода лежит положение, что при пластической деформации, независимо от используемой схемы (растяжение, сжатие, сдвиг), происходит изменение площади поверхности заготовок.

При этом очаг деформации можно охарактеризовать через масштабный фактор, используя отношение площади поверхности к его объему А_у = А₀/V₀, а изменения, проходящие с увеличением деформационного воздействия в процессе обработки, выразить через приращение этой величины.

Наиболее просто продемонстрировать эти изменения можно на примере равномерного растяжения цилиндрической заготовки, где абсолютную величину приращения площади очага деформации находим, используя соотношение

. (3)

Из данного соотношения следует, что величина ДА_у зависит от начальной площади и объема очага, а также от уровня накопленной деформации. Эту взаимосвязь можно представить в виде объемной диаграммы (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость параметра накопленной у (в мм-1) от удельной поверхности очага деформации у (в мм-1) и истинной степени деформации

Из диаграммы видно, что с уменьшением значения А_у (что характерно для больших габаритов заготовок при РКУП) и одном и том же уровне накопленной деформации, ДА_у также снижается.

В главе проанализированы физические процессы, приводящие к появлению новых поверхностей, и прослежена связь параметра _у с физическими величинами, описывающими процесс прироста поверхности при деформации.

Показано также, что вновь образованная поверхность, являясь следствием пластической деформации и дислокационных процессов, приводящих к интенсивной фрагментации исходной структуры и росту площади границ в объеме всего очага деформации, может быть критерием эффективности структурообразования.

Таким образом, параметр А_у представляет собой усредненную характеристику накопленной «кривизны» кристаллической решетки металла, вносимой в неё границами фрагментов и полос. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением А_у размеры фрагментов должны уменьшаться. Из полученной зависимости (рис. 9) следует, что установление связи численных значений параметров A_У и А_у и уровня накопленной деформации с плотностью дислокаций и, соответственно, прочностью для различных деформируемых материалов, позволит при разработке технологических процессов расчетным путем прогнозировать свойства получаемых изделий.

Согласно известным представлениям, основанным на сдвиговой природе деформации, накопленную деформацию можно представить как сумму кристаллографических и некристаллографических, межфрагментных сдвигов и записать в виде:

= _з + _р , (4)

где _з - кристаллографический сдвиг,

_р - некристаллографический сдвиг (по границам фрагментов или зерен).

Проведенные исследования (рис. 10) и анализ зарубежных и отечественных литературных источников показывают, что в большинстве случаев рост накопленной деформации при РКУП после е > 6-8 не приводит к дальнейшему измельчению структуры. Следовательно, можно полагать, что с увеличением накопленной деформации внутрикристаллические сдвиги не приводят к формированию новых дислокационных стенок и, соответственно, фрагментов, т.е. деформация происходит преимущественно за счет аккомодационных межфрагментных сдвигов и этот механизм деформации становится преобладающим.

Известно, что на стадии интенсивной фрагментации (е~1) на порядки возрастают количество и площадь межфрагментных границ. Одновременно с уменьшением размеров фрагментов возрастают напряжения, необходимые для генерации решеточных дислокаций и согласно зависимости Петча-Холла напряжения, необходимые для скольжения дислокаций в объеме фрагментов. По этой причине кристаллографические сдвиги затрудняются. Предполагается, что наличие нанофрагметов и развитой сетки границ снижает уровень локальных сдвиговых напряжений и способствует множеству некристаллографических (ротационных и линейных микросдвигов).

Согласно диаграмме, представленной на рис. 9, «запустить» вновь механизм внутрифрагментного сдвига, приводящего к повышению плотности дислокаций и дальнейшей фрагментации, можно при увеличении удельной поверхности очага деформации.

Рис. 10. График изменения размеров фрагментов структуры (ОКР) от уровня накопленной деформации в процессе РКУП заготовки технического титана (б = 120°, Т=140 °С, маршрут Вс, Ау - const)

Экспериментально это было подтверждено путем комбинированной обработки, включающей РКУП и последующее волочение технического титана (рис. 11). При РКУП А_у было постоянной величиной ~0,7 м^-1, а при волочении - переменной и максимальное значение А_у достигло ~4 м^-1_.. Полученный график изменения предела прочности от накопленной деформации показывает, что при РКУП эта величина достигает предела насыщения при значениях ~1000 МПа, при этом средний размер зерен составлял 300 нм.

При дальнейшей обработке волочением прочность интенсивно возрастала до значений ~1300 МПа с продолжением процесса измельчения структуры, при этом средний размер зерен уменьшился до 160 нм.

Рис. 11. График изменения предела прочности при комнатной температуре от уровня накопленной деформации после деформирования заготовки технического титана методом РКУП (б = 120°, Тз = 140±10 єС, маршрут Вс, Ау - const) и последующего волочения (Тз = 140±10 єС, Ау - var)

Многими исследованиями показано, что наиболее эффективно процесс формирования УМЗ структуры при РКУП происходит при использовании маршрута прессования Вс. Установлено также, что маршрут Вс обеспечивает крайне немонотонное воздействие при плоской схеме деформации за счет поворота заготовки на 90є перед каждым последующим циклом обработки. При этом эффекты возврата (например, Баушингера) проявляются слабо, и в таких условиях увеличение плотности дислокаций в структуре происходит наиболее интенсивно.

В результате больших разовых деформаций при РКУП и немонотонной по природе самой схемы простого сдвига, частота межфрагментных сдвигов увеличивается, соответственно, увеличивается вклад в деформацию линейных и ротационных мод, что интенсифицирует процесс формирования высокоугловых границ и УМЗ структуры.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что удельная площадь очага деформации и её приращение, являются важными факторами при анализе процессов структурообразования. Эти параметры очага деформации могут быть рассчитаны инженерными методами и использованы при проектировании ИПД технологий и прогнозировании свойств конечного полуфабриката.

Третья глава посвящена расширению номенклатуры получаемых УМЗ материалов, развитию новых схем РКУП и имеет научно-практическую направленность.

Важность таких исследований на современном этапе развития методов ИПД для получения УМЗ материалов, приобретало особую актуальность, связанную инновационным потенциалом таких разработок (см. главу 5). Особое место в данной главе посвящено разработке УМЗ материалов конструкционного применения, таких как титан, его сплавы, вольфрам, которые относятся к труднодеформируемым и малопластичным материалам.

Основной целью исследований было получение бездефектных образцов и заготовок из различных материалов и сплавов при использовании теоретических и технологических рекомендаций, представленных выше.

Наиболее важными задачами являлись: обеспечение немонотонности деформации, создание в очаге деформации повышенного гидростатического давления (ГД) для исключения зон с растягивающими напряжениями и согласование интенсивности накопленной деформации с запасом пластичности за счет создания рациональной геометрии и приложения противодавления. Для этих целей были разработаны и созданы специальные инструменты и устройства.

При создании новых схем РКУП приоритетом служили повышение коэффициента использования материалов, эффективность структурообразования и производительность процесса. Исследования эффективности и технологичности предлагаемых методов обработки были проведены с использованием программного продукта «Deform 3D», что значительно ускорило получение и анализ результатов.

Для решения проблемы получения бездефектных образцов из труднодеформируемых материалов было разработано два типа оборудования. Первый тип включал использование классической схемы с рациональной геометрией, второй - специально созданные установки с осуществлением противодавления вязкопластичной средой и жестким обратным пуансоном (рис. 12).

Очевидно, что повышенное ГД накладывает ряд проблем по обеспечению стойкости создаваемого инструмента, которые были решены путем использования предварительно напряженных конструкций и выработкой рекомендаций в отношении применяемых марок штамповой стали для РКУП.

Рис. 12. Схемы РКУП и ряд созданных установок с противодавлением вязкопластичной средой (а) и жестким обратным пуансоном (б)

Рационализация геометрии при использовании классической схемы РКУП и технологические исследования параметров прессования, таких как: температура обработки, условия трения, вариация маршрутами прессования позволили разработать опытные технологии получения бездефектных образцов УМЗ вольфрама, УМЗ титановых сплавов ВТ6 и нитинола (рис. 13).

Рис. 13. Общий вид образцов труднодеформируемых УМЗ материалов: а -характерный вид дефектных образцов; б, в, г - бездефектные образцы нитинола, сплава ВТ6 и вольфрама, соответственно, полученные по рациональным режимам РКУП

Исследования по влиянию повышенного ГД на деформируемость, структурное состояние и характеристики прочности провели при ГД ~1,4 ГПа на модельном материале меди М1 с использованием специально разработанного оборудования для создания противодавления жестким пуансоном.

Установлено, что в этом случае при прессовании по маршруту Вс и накопленной даже сверх высокой деформации е~30 разрушения заготовок не наблюдается.

При исследовании влияния уровня накопленной деформации также установлено, что после 16 циклов обработки в меди формируется более дисперсная структура зеренного типа. При этом повышается как прочность, так и пластичность, а при создании субзеренных структур (N = 2) - противодавление негативно влияет на пластические свойства (табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства меди М1, подвергнутой РКУП с противодавлением и без

Материал	е	0.2, МПа	в, МПа	2, %*	5, %**
Cu, исходное состояние		100	145	40	30
Cu, N = 2 без противодавления	2,3	300	320	15	3
Cu, N = 2 с противодавлением	2,3	340	350	10	1
Cu, N = 16 без противодавления	18,4	420	440	15	2
Cu, N=16 с противодавлением	18,4	440	460	24	2

*- относительная пластичность; **- равномерная пластичность; N - количество циклов обработки

В главе представлены разработки и исследования новых методов ИПД, имеющих значительный инновационный потенциал. Наиболее перспективным и изученным из этого ряда является метод РКУП-ПК (рис. 14), направленный на получение дискретных УМЗ заготовок с высоким коэффициента использования металла (КИМ) и отношением их длины к диаметру в диапазоне 2-6 и РКУП-К, наиболее полно представленный в данной главе. Основные технические преимущества РКУП-ПК связаны сочетанием параметров эффективности структурообразования, высокого КИМ и производительности.

При РКУП-ПК эффективность структурообразования обеспечивается высокими уровнем накопленной деформации за один цикл обработки, отсутствием заметных искажений формы заготовки после прессования (см. рис. 14), а производительность - возможностью создания автоматизированных производств, например, роторных линий в силу удобной ориентации заготовок и сохранения исходной правильной геометрии после деформирования.

Варьируя параметром К (см. рис. 14), характеризующим степень смещения параллельных каналов и углом пересечения каналов Ф, можно активно влиять на напряженно-деформированное состояние заготовок и, соответственно, на эффективность формирования УМЗ структуры, адаптируя их к свойствам обрабатываемого материала. Выявлены закономерности взаимосвязи параметра К и угла Ф с однородностью деформированного состояния. Показано, что с возрастанием этих величин однородность возрастает.

В процессе исследований также решена задача создания рациональной геометрии формообразующей оснастки, которая обеспечивает более однородное деформированное состояние заготовок после обработки. Анализ деформированного состояния методом сеток и компьютерным моделированием позволил определить условия для наиболее высокой однородности структуры в заготовке после одного цикла прессования, когда К = d = 18 мм для угла Ф = 100° и е = 2.

Рис. 14. Схема РКУП-ПК - (а): N - направление сдвига; К - величина смещения каналов; Ф - угол пересечения вертикальных и соединяющего их каналов; б - картина вида очагов деформации, полученная моделированием РКУП-ПК; в - общий вид оснастки РКУП-ПК с Ф = 100°, К = 1, d = 18 мм; г - структура и общий вид заготовки после деформации

Даже в заготовке с отношением длины к диаметру около двух после двух циклов прессования получена однородная УМЗ структура, что исключено при использовании традиционной схемы РКУП. Полученное однородное поле распределение микротвердости в пределах НВ = 1530 20 МПа для продольного и поперечного сечений также свидетельствует о высокой структурной однородности и однородности механических свойств в объеме заготовки. При этом прочность медной заготовки после проведенной обработки возросла со 150 до 420 МПа при пластичности = 15-18%, что сопоставимо со значениями, полученными после 8-12 циклов РКУП меди по общепринятой схеме с углом Ф = 90є.

Оценку сил прессования проводили, используя энергетический анализ

.(5)

где левая часть уравнения - мощность внешних сил, а правая - сил мощности диссипации; - удельная сила прессования; - напряжение контактного трения, - сопротивление деформации металла, - интенсивность скоростей деформации; - площадь контакта заготовки с инструментом; - скорость скольжения металла по поверхности матрицы , - скорость истечения пресс-изделия из канала матрицы; F - площадь поперечного сечения канала, для круглого канала F =d²/4.

В результате решения данного уравнения получена формула расчета удельной силы прессования на пуансоне для равноканального варианта исполнения оснастки:

, (6)

где - исходный предел текучести металла; - коэффициент пластического трения на входном участке матрицы; - длина входного участка матрицы; - коэффициент пластического трения на участке матрицы, ограничивающем очаг пластической деформации; - среднее напряжение течения металла перемещающегося в калибрующем участке матрицы; - коэффициент пластического трения на калибрующем участке матрицы; - длина калибрующего участка матрицы; - коэффициент, определяемый экспериментально или по результатам моделирования; - полугол пересечения каналов.

Учитывая значительные преимущества представленного метода, ниже в главе 5 рассмотрено его успешное применение при разработке ИПД технологий и их практическое использование в технике и медицине.

Четвертая глава посвящена разработке промышленной технологии получения УМЗ длинномерных прутков (полуфабрикатов) из технически чистого титана. Технология была разработана на базе метода РКУП-К и накопленного научно-технического потенциала получения УМЗ металлов. Существует преимуществ этого метода для получения УМЗ материалов в виде прутков или проволоки, среди которых наиболее важными являются: возможность осуществления непрерывности процесса и использование активных сил трения, действующих на гравюре ротора. Это приводит к снижению сил прессования и, соответственно, энергозатрат. Эти два обстоятельства весьма значимы для создания промышленных технологий.

Принципиальная схема процесса РКУП-К показана на рис. 15, а, при этом следует отметить, что рабочий канал прессования образуется гравюрой ротора и рабочими поверхностями прижима (башмака) и упора. Наиболее значимыми параметрами процесса РКУП-К являются: дуга захвата заготовки - L (мм), создающаяся за счет эксцентриситета рабочих поверхностей колеса и башмака; крутящий момент на роторе - М_кр (Н·м); угловая скорость вращения ротора - щ (с^-1); скорость прессования заготовок - V (м с^-1) и угол пересечения каналов - Ф (рис. 15, б).

Важным этапом разработки технологии было создание специального оборудования - установки для РКУП-К, что позволило реализовать этот метод на практике. Установка включает в себя энергосиловой агрегат, создающий необходимый крутящий момент, деформирующий блок, обеспечивающий заданные условия прессования, и станину.

Энергосиловой агрегат и деформирующий блок укреплены на горизонтальной плите станины. Крутящий момент непосредственно через муфту передается на рабочий вал деформирующего блока. Выбор такой компоновки обеспечивает при передаче крутящего момента высокий КПД, а также свободный доступ при проведении экспериментальных работ и техническом обслуживании основных узлов.

Рис. 15. Принципиальная схема РКУП-К: 1 - ротор с гравюрой; 2 - прижим (башмак); 3 - упор, 4 - заготовка; а - схема действия сил активного - Fa и пассивного трения - Fп; б - наиболее значимые параметры процесса: L - дуга захвата заготовки, Мкр - крутящий момент; щ - угловая скорость

Управление энергосиловым агрегатом осуществляется частотным регулятором с возможностью изменения частоты вращения (скорости прессования) и реверса. Контроль температуры в области очага деформации осуществляется встроенной в упор термопарой, а температура заготовки на выходе контролируется пирометром. Замер крутящего момента проводился путем контроля потребляемой мощности с соответствующей тарировкой и пересчетом на величину крутящего момента. Обработка и управление параметрами процесса РКУП-К осуществлялась специально разработанным программным обеспечением на базе персонального компьютера. На рис. 16 представлен окончательный дизайн опытно-промышленной установки, а её наиболее важные технические характеристики отражены в табл. 2.

Технологические исследования были направлены на разработку параметров деформирования. С использованием компьютерного моделирования определены параметры НДС процесса и наиболее рациональная геометрия силовых формообразующих элементов установки, а также характер течения и величины контактных напряжений. Полученные результаты были использованы для выбора соответствующих этим условиям штамповых марок стали. Также были проведены исследования, направленные на минимизацию размера дуги захвата, что позволило за счет пятикратного уменьшения ее длины снизить уровень пассивных сил трения и обеспечить снижение рабочего момента, контактных сил, температуры деформационного разогрева и износа формообразующих частей инструмента. Исследован эффект деформационного разогрева и влияние температуры обработки на свойства титановых образцов. В процессе технологических исследований выявлены эксплутационные недостатки исходно заложенных технических решений в установке и проведена модернизация отдельных её элементов.

Рис. 16. Опытно-экспериментальная установка для РКУП-К

Таблица 2

Технические характеристики опытно-промышленной установки РКУП-К

Содержание	Параметры
Марка материала обрабатываемых заготовок	Ti, Сu, Ni, Fe , Al и др.
Длина обрабатываемых заготовок, м	до 3
Поперечное сечение, мм2	до ? 7,5Ч7,5
Температура обработки, °С	20 - 400
Скорость обработки, мм с-1	10 - 60
Крутящий момент, Н·м	8400
Мощность привода, кВт	5,5
Регистрируемые и управляемые параметры	Крутящий момент Температура Скорость обработки

В результате комплексных технологических исследований и работ по совершенствованию опытно-промышленной установки РКУП-К была получена партия бездефектных длинномерных высокопрочных образцов УМЗ титана из технически чистых марок отечественного титана (ВТ1-0) и импортного производства (Grade2, Grade4) (рис. 17).

Данные механических свойств для титана марки Grade 4 представлены в табл. 3.

Рис. 17. Общий вид УМЗ титановых длинномерных заготовок, полученных методом РКУП-К по маршруту Вс при температуре 250 °С после 6 циклов обработки (сечение 7,2Ч7.4 мм)

Таблица 3

Механические свойства титана марки Grade 4

Вид обработки	Температура деформирования Т, °С	Накопленная деформация (расчетная), е	Сечение, мм	Прочность ув, МПа	Пластичность д, %
Состояние поставки		0	Ш10	730	26
РКУП	140±10	1,4	9,2Ч9.4	960±10	15
РКУП	140±10	2.8		1100±10	14
РКУП	140±10	5.6		1130±10	14
РКУП +волочение	140±10	8,1	Ш5	1200±10	12
РКУП +волочение	140±10	8,55	Ш4	1250±10	10
РКУП +волочение	140±10	9,35	Ш3	1360±10	9

Используя полученные закономерности по поведению УМЗ материалов при деформационной обработке, разработана комплексная технология ИПД, обеспечивающая получение сверхвысоких прочностных свойств при сохранении повышенной пластичности на уровне д = 9-12 % в длинномерных прутках их УМЗ титана. Комплексная технология включала операции РКУП-К и последующее волочение.

...