Теория и моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материалов

Определим степень неупругой деформации за цикл нагружения рабочей камеры. Для расчета давления примем исходные данные, которым соответствуют наибольшие значения числа циклов : , . Предел текучести поликристалла при плоской деформации определим по формуле , где - напряжение начала скольжения в поликристалле. Формула справедлива при . Результаты представлены на рис. 18.

Видим, что при изменении радиуса от 110мм до 120мм и температуры от 830°С до 850°С величина , вызванная различием свойств слоев, составляет при и при . Это 8-10% от степени деформации за цикл нагружения при и 1, 0-1, 5% при . Указанный результат соответствует данным В.Т. Трощенко, согласно которым величина относительной неупругой деформации за цикл нагружения при напряжениях, соответствующих пределу выносливости на базе циклов для различных материалов составляет .

При высоких эксплуатационных температурах необходимо также учитывать влияние изменения свойств материала, вызванного фазовыми превращениями. Считаем границу раздела фаз поверхностью сильного разрыва. По аналогии с предыдущей задачей различие свойств фаз на границе раздела эквивалентно величине :

, (11)

где и - разность давлений и скоростей теплового расширения фаз.

Второе слагаемое в правой части (11) существенно влияет на величину при малой толщине стенки цилиндра и высоких скоростях нагрева - охлаждения. В большинстве случаев значение будет определяться только величиной скачка . Формула (11) определяет напряжение для текущего положения границы раздела фаз. Интегрируя (11) вдоль траектории движения межфазной поверхности определим работу напряжений и соответствующее напряженное состояние. Для точек наружной поверхности цилиндра это напряженное состояние эквивалентно напряженному состоянию, создаваемому давлением . Для точек внутренней поверхности можно определить давление :

, (12)

где ,

, ,

, - средняя разность температур по сечению цилиндра в момент прохождения волны фазовых превращений, ; - модуль Юнга и коэффициент Пуассона; - коэффициент линейного расширения.

В формулах (12) для расчета скачка характеристики материала по обе стороны границы раздела фаз следует принять соответствующими его характеристикам до и после фазового превращения. Пренебрегая изменением , оценку скачка получим по формуле Барбера: , где , - эмпирический коэффициент.

Определим степень неупругой деформации за цикл нагружения для материала наружного слоя рабочей камеры при значениях геометрических и эксплуатационных характеристик, использованных для расчета величины , вызванной различием свойств слоев цилиндра. Максимальное значение указанной величины за цикл нагружения вследствие фазовых превращений достигает при и при , т.е. на том же уровне, что и величина , вызванная различием свойств слоев.

Для компьютерного моделирования процесса циклического термосилового нагружения деталей цилиндрической формы разработана программа TFLife, позволяющая: определять НДС цилиндра при термоциклировании; зоны вероятного разрушения; прогнозировать долговечность предварительно напряженного составного цилиндра в зависимости от натяга и условий нагружения.

Основные выводы

1. Для модели пластически сжимаемой пористой среды при условии текучести цилиндрического типа и связанных с ней определяющих соотношений, определены структурные параметры, позволяющие учесть разнообразную геометрию пор и ее изменение в процессе деформирования. Достоверность модели подтверждается сравнением результатов решения задачи прессования пористой заготовки в цилиндрической пресс-форме с известным из литературы решением и данными эксперимента. По результатам математического моделирования процесса с различной начальной формой пор, показано, что форма пор и ее эволюция в процессе деформирования могут существенно влиять на энергосиловые параметры.

2. Вычислена скорость диссипации мощности на поверхности сильного разрыва с учетом скачка плотности деформируемой среды при течении ее через указанную поверхность. Выражения для скорости диссипации мощности при условиях текучести пористых тел цилиндрического и эллиптического типа получены через инварианты тензоров напряжений и скоростей деформации в форме удобной для практического использования при решении краевых задач деформирования пористых материалов.

3. Модель пластически сжимаемой пористой среды при условии текучести цилиндрического типа и связанные с ней определяющие соотношения применены к решению задач выдавливания некомпактных материалов. Получено решение задачи выдавливания некомпактной заготовки в плоской и осесимметричной постановке с использованием схемы жестких блоков, предполагающей использование условий на поверхностях сильных разрывов в пластически сжимаемой среде. Решение позволяет оценить давление и остаточную пористость в широком диапазоне изменения условий деформирования: начальной пористости, угла конусности, коэффициента трения заготовки о стенки пресс-формы.

По результатам моделирования процесса прямого выдавливания пористой заготовки с использованием схемы жестких блоков показано, что независимо от условий деформирования уплотнение материала происходит до входа материала в формующую часть матрицы.

4. Определены условия деформирования, обеспечивающие минимальное усилие выдавливания и наиболее однородную деформацию частиц материала в зоне вблизи оси прессования и зоне, прилегающей к формующей части матрицы. В зависимости от редукции оптимальное значение угла конусности меняется от до .

5. Построена математическая модель динамического прессования пористой заготовки в цилиндрическом контейнере, позволяющая в зависимости от начальной пористости, размеров заготовки, массы и скорости инструмента, сил трения определять величину и характер распределения остаточной пористости. Достоверность модели подтверждается сравнением с экспериментом. Показано, что в случае прессования массивным ударником при плотности близкой к теоретической остаточная пористость распределена по высоте практически равномерно независимо от условий деформирования. В то же время для заготовок с остаточной пористостью порядка 0, 1 и более, неравномерность пористости по высоте, обусловленная динамикой процесса и/или трением достигает 0, 060, 08. При высоких начальных скоростях инструмента, порядка и более остаточная пористость по высоте заготовки распределена неравномерно даже при отсутствии трения в силу волнового характера процесса. С увеличением начальной скорости инструмента зона с минимальной остаточной пористостью из области контакта заготовки с донной частью контейнера “смещается” в область контакта с инструментом. Это обусловлено тем, что с увеличением начальной скорости инструмента резко возрастает уплотнение в зоне контакта.

6. Получено аналитическое решение задачи ударного выдавливания несжимаемого материала через коническую матрицу, позволяющее определить начальную скорость ударника, необходимую для осуществления процесса выдавливания при заданном соотношении масс заготовки и инструмента с учетом сил трения. Построена математическая модель процесса ударного выдавливания некомпактной заготовки через коническую матрицу при условии, что плотности исходной заготовки и пресс-остатка различаются. Решение получено в виде суперпозиции решений задачи о прессовании порошка в закрытой пресс-форме и задачи об ударном выдавливании несжимаемого материала. Показано, что независимо от соотношения масс заготовки и инструмента оптимальное значение угла конусности матрицы, обеспечивающее минимальную начальную скорость инструмента, в зависимости от трения меняется от до . Таким образом, оптимальное значение угла для процесса ударного выдавливания составляет , как и при квазистатическом прессовании.

7. Результаты математического моделирования процесса ударного выдавливания заготовки из порошкового или композитного металлического сырья включены в перечень наиболее важных результатов фундаментальных и прикладных исследований, полученных в 2003 году в научных учреждениях РАН (Отчет о деятельности Российской Академии Наук в 2003 году, М.: 2004, с.52, http://www.ras.ru/scientificactivity/scienceresults/annualreport.aspx).

8. Для компьютерного моделирования процессов динамического прессования некомпактных материалов разработана программа DSPressing. Она позволяет выполнить расчет с одновременным замедленным просмотром процесса распространения ударной волны, графически отображает изменение во времени основных параметров процесса (скорость волны, изменение плотности на ее фронте). Интерфейс программы позволяет быстро задавать и менять исходные данные процесса (начальную плотность порошка, начальную скорость и массу инструмента, коэффициент трения).

9. Результаты диссертационной работы, касающиеся методик и программ расчета энергосиловых параметров, величины и характера распределения остаточной пористости заготовок из порошкового сырья при динамическом прессовании, используются в институте электрофизики УрО РАН в рамках работ по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалов" в соответствии с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденными Президентом РФ (Пр-843 от 21 мая 2006г.). Результаты внедрения указанных методик и программ на ООО "Полимет" (г. Екатеринбург) и ЗАО "Опытный завод огнеупоров" (г. Верхняя Пышма Свердловской области) позволили получить суммарный экономический эффект более 3, 3 млн. рублей (в долевом исчислении), что подтверждается актами внедрения.

10. С использованием феноменологической теории разрушения решена задача определения минимального веса двухслойного цилиндра при обеспечении заданного числа рабочих циклов до его разрушения. Результаты моделирования используются при конструировании рабочей камеры разрабатываемой в ИМАШ УрО РАН установки для одновременного компактирования и спекания структурно-неоднородных пористых материалов.

11. Предложена методика определения остаточных напряжений и деформаций в многослойном цилиндре с кусочно-однородными свойствами, обусловленных различием свойств материала слоев. С использованием методики выполнены расчеты и даны рекомендации по выбору материала наплавочного слоя роликов машин непрерывного литья заготовок. Результаты расчетов внедрены при разработке технологии наплавки роликов выпускаемых ОАО "Уралмашзавод", позволяющей увеличить их изностостойкость не менее чем на 30% по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами. Поставка 280 роликов, наплавленных по указанной технологии, на ОАО "Северсталь" осуществлена ОАО "Уралмашзавод" в период с сентября 2006г. по январь 2007г.

12. Построена математическая модель процесса термоциклирования толстостенного цилиндра с учетом фазовых превращений в твердой фазе в процессе нагрева - охлаждения. Она базируется на представлении межфазной поверхности в виде поверхности сильного разрыва. Модель позволяет учесть влияние скорости нагрева - охлаждения и распределения температуры по сечению на величину остаточных напряжений и деформаций, возникающих вследствие различия свойств фаз.

Литература

1. Zalazinskii A.G., Polyakov A.A., Polyakov A.P. Application of the fracture theory for simulation and improving the processes of heterogeneous and non-compact material forming. // EUROMECH Colloquium 418 "Fracture Aspects in Manufacturing", Moscow, Sept. 25-29, 2000. - p.56-57.

2. Зверев В.В., Залазинский А.Г., Новожонов В.И., Поляков А.П. Применение вейвлетного анализа для идентификации структурно-неоднородных деформируемых материалов. // Прикладная механика и техническая физика, 2001. - №2. - с.199-207.

3. Антимонов А.М., Поляков А.П., Залазинский А.Г., Лаптев А.А. Устройство для горячего изостатического прессования жидкостью. // Патент РФ №2170644 RU, МКИ 7 B 22 F 3/15, опубл. 20.07.2001, бюл. №20.

4. Поляков А.П., Залазинская Е.А. Ударное прессование пористой массы. // Тезисы международной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов", Екатеринбург, 2001. - с.63.

5. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Построение разрывного решения для процесса выдавливания пластически сжимаемого тела. // Изв. ВУЗов. Машиностроение, 2001. - №4. - с.43-53.

6. Поляков А.П., Мокроусова М.С. Прогнозирование плотности заготовок полученных из порошков ударным прессованием. // Тезисы Всероссийской конференции "Редкие металлы и порошковая металлургия", М., 2001. - с.74.

7. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Определяющие соотношения пластически сжимаемой среды. // Механика деформирования и разрушения. Сб. науч. тр. Екатеринбург, УрО РАН, 2001. - с.115-125.

8. Поляков А.П. Моделирование процесса ударного прессования порошков. // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Сб. науч. тр. Ч. 1. Тула, ТулГУ, 2002. - с.197-205.

9. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Модель пластически сжимаемого материала и ее применение к исследованию процесса прессования пористой заготовки. // Прикладная механика и техническая физика, 2002. - №3. - с.140-151.

10. Залазинский А.Г., Поляков А.А., Поляков А.П. О пластическом сжатии пористого тела. // Изв. Академии Наук. Механика твердого тела, 2003. - №1. - с.123-134.

11. Поляков А.П., Залазинская Е.А. Ударное прессование заготовки из некомпактного металлического сырья. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2003. - №1. - с.30-35.

12. Шевченко А.С., Поляков А.П. Компьютерное моделирование процесса термоциклирования и разрушения составного цилиндра. // Материалы II Международной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов". Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2003. JSBN 5-7691-1352-8. CD, статья №61.

13. Поляков А.П., Мокроусова М.С. Математическое моделирование процесса динамического прессования порошкового материала. // КШП ОМД, 2004. - №2. - с.20-22, 27-30.

14. Залазинский А.Г., Поляков А.П. Компьютерное моделирование процесса разрушения металлических материалов при термоциклировании. // "Механика микронеоднородных материалов и разрушение". III Всероссийский научный семинар им. С.Д. Волкова. Тезисы докладов. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. - с.32.

15. Поляков А.П. Ударное выдавливание прутковой заготовки через коническую матрицу. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2004. - №4. - с.50-54.

16. Поляков А.П. О схеме жестких блоков в задаче выдавливания пористой заготовки. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2004. - №5. - с.27-34.

17. Залазинский А.Г., Поляков А.П., Колмыков В.Л. Проектирование рабочей камеры устройства горячего изостатического прессования жидкостью. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, 2004. - №11. - с.31-37.

18. Поляков А.П. Исследование периодичности структуры материала методом вейвлетного анализа. // Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения. Сборник докладов третьей Российской конференции. Владивосток - Комсомольск-на-Амуре, сентябрь 2004г. Комсомольск-на-Амуре: ИМИМ ДвО РАН, 2005. - с.25-34.

19. Залазинский А.Г., Новожонов В.И., Поляков А.П. Исследование периодичности структуры проволочных заготовок из порошков на основе железа методом вейвлетного анализа. // Металлы, 2005. - №1. - с.104-108.

20. Поляков А.П., Залазинский А.Г. О деформировании композита с упорядоченной иерархической структурой. // Тезисы XVII Российской научно-технической конференции с международным участием "Неразрушающий контроль и диагностика", Екатеринбург, 2005. - с.204.

21. Поляков А.П., Залазинский А.Г. О разрушении материала при термоциклировании с учетом фазовых превращений. // Материалы XVII Российской научно-технической конференции с международным участием “Неразрушающий контроль и диагностика” (электронный ресурс). Екатеринбург, 2005. ИМАШ УрО РАН, электр. опт. диск, статья №Т5-5.

22. Поляков А.П. О модели пористого материала, учитывающей геометрию пор. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2005. - №4. - с.35-40.

23. Новожонов В.И., Залазинский А.Г., Модер Н.И., Водолазский В.Ф., Поляков А.П. Компактный титан, полученный из губки деформированием и термической обработкой. // Кузнечно-штамповочное производство: Перспективы и развитие. Материалы 1-ой Российской научно-технической конференции "Кузнецы Урала". Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - с.386-388.

24. Антимонов А.М., Залазинский А.Г., Лаптев А.А., Поляков А.П., Шевченко А.С. Прогнозирование долговечности рабочей камеры устройства горячего изостатического прессования жидкостью. // Справочник. Инженерный журнал, 2005. - №11. - с.24-27.

25. Бывальцев С.В., Поляков А.П., Шевченко А.С. О расчете остаточных деформаций в толстостенном цилиндре в процессе термоциклирования с фазовыми превращениями. // Вестник УГТУ-УПИ. Конструирование и технологии изготовления машин: Сборник научных трудов. В 2-х частях. Часть 2. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - №18(70). - с.36-45.

26. Поляков А.П., Поляков П.А. Расчет двухслойного цилиндра работающего в условиях термосилового циклического нагружения. // Вестник машиностроения, 2006. - №1. - с.15-20.

27. Поляков А.П. Методика расчета остаточных деформаций в толстостенном цилиндре при термоциклировании с фазовыми превращениями. // Вестник машиностроения, 2006. - №2. - с.7-12.

28. Поляков А.П. Моделирование процесса разрушения двухслойного толстостенного цилиндра с кусочно-однородными свойствами при термоциклировании. // "Механика микронеоднородных материалов и разрушение". Сборник тезисов докладов IV Всероссийского научного семинара памяти профессора С.Д. Волкова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - с.48.

29. Поляков А.П. Ударное выдавливание заготовки с учетом малой сжимаемости материала. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 2006. - №3. - с.32-37.

30. Поляков А.П. Расчет остаточных деформаций в двухслойном цилиндре с учетом структурных напряжений. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, 2006. - №6. - с.25-30.

31. Поляков А.П. Об исследовании иерархической структуры материала с помощью процедуры вейвлетного анализа. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 2006. - №7. - с.40-44.

32. Поляков А.П., Поляков П.А. Прогнозирование влияния неоднородности деформаций на свойства пористого материала при выдавливании. // Тезисы III Российской научно-технической конференции "Разрушение контроль и диагностика материалов и конструкций", Екатеринбург, 2007. - с.138.

33. Поляков А.П. Энергосиловые параметры процесса ударного выдавливания некомпактной проволочной заготовки. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2007. - №2. - с.52-58.

34. Яковлев В.В., Ярочкин С.В., Шанчуров С.М., Поляков А.П. Изностостойкость и термоусталостная прочность хромистой азотосодержащей стали. // Труды Российской научно-технической конференции "Новое в развитии металлургических и металлообрабатывающих предприятий" и "Металлургия сварки". М.: ОАО НПО ЦНИИТМАШ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 4-5 октября 2007. - с.29-43.

35. Поляков А.П. Расчет неоднородности деформаций при выдавливании пористого материала. // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2008. - №2. - с.44-48.

36. Яковлев В.В., Ярочкин С.В., Шанчуров С.М., Поляков А.П. Служебные характеристики хромистой азотосодержащей стали для наплавки роликов МНЛЗ. // Ремонт, восстановление и модернизация, 2008. - №4. - с.36-40.

Размещено на Allbest.ru