Теория и моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материалов

Научно-технический прогресс неразрывно связан с появлением новых способов получения материалов и изделий, в том числе с заданными или уникальными свойствами, с созданием и внедрением прогрессивных ресурсосберегающих технологий и новой техники. К новым материалам в частности относят пористые материалы, композиты. Изделия из таких материалов применяются в авиационной и космической технике, теплоэнергетике, специальном машиностроении, автомобильной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Основной стадией, предшествующей проектированию новых процессов и машин, является математическое моделирование. Заметим, что реальные металлические материалы обладают неоднородной структурой. Поэтому при математическом моделировании процессов изготовления и эксплуатации материалов с заданными или принципиально новыми свойствами, разработке основ технологий производства таких материалов, традиционных подходов механики сплошной среды, в частности, с привлечением гипотезы об однородности деформируемой среды, во многих случаях оказывается недостаточно. В этом случае необходимо использовать методы механики структурно-неоднородных (гетерогенных) сред. В значительной степени это относится к процессам динамического деформирования, обладающих рядом особенностей по сравнению с квазистатическими, связанных с необходимостью учета не только неоднородности структуры материала, но и изменения характера указанной неоднородности в процессе деформирования.

Многообразие и взаимовлияние эффектов неоднофазности, таких как фазовые переходы, химические реакции, теплообмен, капиллярные эффекты, диффузия, хаотическое движение частиц и т. д. с одной стороны и обстоятельств, в которых указанные эффекты проявляются, с другой, приводит к некоторой разобщенности исследований в данной области (Р.И. Нигматулин). В настоящее время существует ряд работ, в которых рассмотрены и обобщены основные положения, используемые при решении задач механики структурно-неоднородных материалов, построены замкнутые системы равнений движения смесей при заданных физико-химических свойствах фаз. Однако проблема количественного описания всего многообразия процессов деформирования гетерогенных сред, в том числе в прикладном аспекте не может считаться окончательно решенной.

Первые работы в области механики твердых структурно-неоднородных сред относятся к концу двадцатых годов 20-го века, когда В. Фойгт и А. Рейсс предложили вычислять эффективные модули микронеоднородных материалов по правилу механического смешивания. В 1946 г. И. М. Лифшиц и Л. Н. Розенцвейг предложили метод расчета макроскопических свойств поликристаллов на основе решения стохастической краевой задачи теории упругости. Метод получил развитие в работах В. В. Болотина, С. Д. Волкова, В. А. Ломакина, Т. Д. Шермергора, Дж. Сендецки и др. Б. Розеном, 3. Хашиным, С. Штрикманом, Р. Хиллом и другими разрабатывался подход, связанный с применением вариационных методов для вычисления границ эффективных модулей гранулированных и волокнистых композитов. Для уточнения этих границ широкое распространение получили различные упрощенные модели структурно-неоднородных сред, не учитывающие в полной мере взаимодействия между элементами структуры, но позволяющие получить достаточно простые аналитические выражения для макромодулей. В разрешающих системах уравнений фигурирует множество внутренних параметров и характеристик, которые описываются в статистическом смысле. Указанное обстоятельство в ряде случаев может привести к значительным вычислительным трудностям.

Следует заметить, что во многих случаях при исследовании процессов деформирования структурно-неоднородных материалов могут быть использованы модели сред с регулярной структурой.

В качестве материалов с упорядоченным расположением составляющих элементов можно рассматривать порошковые (гранулированные) материалы, представляющие собой типичную микронеоднородную (неоднофазную) среду с многоуровневой иерархической структурой, которая подобна структуре, рассматриваемой для компактных материалов.

Начало систематических исследований в области порошковой металлургии было положено в работах М. Ю. Балынина, идеи которого были развиты в работах Ю. Г. Дорофеева, Б. А. Друянова, Г. М. Ждановича, М.С. Ко-вальченко, A.M. Лаптева, В. Е. Перельмана, О. В. Романа, В. М. Сегала, В. В. Скорохода, М. Б. Штерна и многих других. Первоначально использовалась дискретно-континуальная теория сыпучей среды, в частности подходы, используемые в механике грунтов. Затем стали применяться более сложные теории, в том числе феноменологическая и структурно-феноменологическая. В рамках первого подхода используют континуальные представления, согласно которым деформируемый материал может быть представлен как пластически сжимаемый изотропный, удовлетворяющий известной системе уравнений теории течения. При этом реологические характеристики материала определяются экспериментально. Дальнейшее развитие исследований в области пластического течения некомпактных материалов связано с применением механики структурно-неоднородных сред и структурно-феноменологического подхода. Характеристики среды в данном случае могут быть получены из анализа элементов структуры. Здесь в первую очередь следует упомянуть работы Р. И. Нигматулина, предложившего модель пористой среды в виде жесткого каркаса, насыщенного газовой фазой.

К настоящему времени предложены различные модели пористых сред, выполнены теоретические и экспериментальные исследования большого количества процессов формования порошковых материалов и установлены их основные закономерности. Важное место среди этих процессов занимают процессы динамического формования, которые с одной стороны относятся к порошковой металлургии, с другой используют преимущества взрывных технологий, широко применяемых в настоящее время.

Порошковая металлургия занимает особое место среди разнообразных способов обработки металлов, поскольку позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые иногда очень трудно или невозможно получить иным путем. Эти материалы могут обладать уникальными свойствами, в ряде случаев существенно повышаются экономические показатели производства. В частности, возможность изготовления изделий непосредственно из порошков имеет важное значение как с точки зрения эффективности собственно технологии, так и в качестве способа получения материалов с заданными или принципиально новыми свойствами.

Широкое применение при формовании изделий методами порошковой металлургии нашли методы высокоскоростного (динамического, импульсного) прессования. Обработка металлов методами импульсного нагружения обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными статическими способами, поскольку позволяет отказаться от использования крупногабаритного и дорогостоящего оборудования, повысить производительность процесса и т. д. При этом применяются как непосредственно взрывные технологии, так и близкие к ним по характеру воздействия на прессуемый материал, но с другим энергоносителем (электрический разряд, импульсное магнитное поле, сжатый газ).

Исследования в области физики и химии ударных волн открывают большие возможности управления процессами происходящих при этом превращений, позволяют существенно изменить/улучшить свойства материалов, также создавать новые материалы, обладающие уникальными свойствами.

Несмотря на сложность процессов, протекающих при ударно-волновом нагружении вещества, практическое использование энергии взрыва для обработки существующих материалов или же получения материалов с принципиально новыми свойствами началось еще в 19-ом веке. Чарльз Монро использовал заряды взрывчатых веществ при выдавливании сложных узоров на железных плитах (гравировка взрывом). В тридцатые годы прошлого столетия была освоена мелкая взрывная вытяжка толстых артиллерийских стальных плит. Однако наиболее интенсивно исследования в области взрывных технологий стали развиваться с 60-х годов 20-го века в основном применительно к обработке металлов, в частности к таким процессам как штамповка, прессование порошков, сварка, поверхностное упрочнение, резка.

Наиболее отчетливо преимущества взрывных технологий проявляются при штамповке и калибровке металлических деталей. Традиционно эта задача решается с использованием прессов большой мощности, однако для штамповки крупногабаритных изделий требуются и большие усилия пресса. Это приводит к значительным затратам на проектирование, создание и эксплуатацию такого оборудования. При взрывной штамповке взрывчатое вещество заменяет силовую часть оборудования, позволяя добиться эквивалентных условий нагружения, в частности на длинномерных деталях и изделиях сложной формы, что очень сложно или невозможно реализовать на прессе. Эти технологии нашли широкое применение в авиационной и космической технике, например, при изготовлении головок ракет, корпусов ракетных двигателей и других корпусных деталей сложной формы.

Указанные преимущества взрывных технологий в полной мере относятся к процессам прессования порошков, позволяя с успехом решать ряд актуальных проблем порошковой металлургии. Это связано с необходимостью создания высоких давлений при уплотнении порошков, для чего требуются мощные крупногабаритные прессы и высокопрочный рабочий инструмент. При этом трудно соблюсти высокие требования к точности изготовления вследствие деформации штампового инструмента, матрицы и иных деталей оборудования. Взрывные методы прессования позволяют решать эти и многие другие вопросы.

Процесс высокоскоростной деформации по сравнению со статическим обладает рядом особенностей, определяемых его ударно-волновым характером. При разработке технологических параметров динамического прессования некомпактных материалов следует обеспечить режим нагружения, позволяющий получить заготовку с заданными свойствами. Поэтому при математическом моделировании следует рассматривать влияние на процесс нагружения таких параметров как размеры и исходная пористость заготовки, давление на фронте ударной волны, массовая скорость вещества, изменение предела текучести материала и его структуры в процессе деформации, трение заготовки об инструмент и других. Указанные параметры существенным образом определяют как энергосиловые показатели процесса, так и величину, и характер распределения остаточной пористости. В настоящее время их учет осуществляется, как правило, не в полной мере, во многих случаях остаточную пористость считают постоянной, трение не учитывают, что может существенно повлиять на результат. Остается в стороне вопрос о совместном влиянии скорости нагружения и сил трения заготовки о пресс-форму.

Важным моментом при математическом моделировании процессов деформирования порошков является учет соотношения характерных размеров элементов с различными свойствами, составляющих представительный объем и их взаимного расположения на напряженное состояние. Этот вопрос пока недостаточно исследован, определяющие соотношения для пористых материалов строятся на простейших геометрических моделях (цилиндр, сфера).

Кроме того, при построении математических моделей процессов деформирования некомпактных материалов с разрывными полями скоростей не учитывается влияние изменения плотности материала при переходе через поверхность разрыва на величину его пластических модулей, что существенно влияет на точность вычисления скорости диссипации мощности.

Перечисленные обстоятельства существенно влияют, прежде всего, на энергосиловые параметры процессов прессования пористых материалов.

Важной задачей также является обеспечение возможно более однородной деформации материала. Известно, что механические свойства материалов (особенно пористых, композитов) существенно зависят от степени деформации тела. Неоднородная деформация различных областей заготовки или изделия ведет к разбросу свойств и накоплению остаточных напряжений, а в ряде случаев и к появлению трещин. При этом разброс эксплуатационных свойств материала и зависимость прочностных и иных характеристик от координаты точки тела ведет к снижению качества получаемой продукции, а также (если изделие используется как заготовка для последующей обработки) к увеличению отходов.

Модели сред с регулярной структурой могут быть применены не только для исследования процессов деформирования собственно пористых материалов и накопления поврежденности в заготовках и изделиях из них. Они могут быть использованы и для расчета многослойных конструкций в форме тел вращения или материалов, испытывающих фронтальные фазовые превращения в твердой фазе, являющихся элементами оборудования, предназначенного для горячего прессования порошковых и композиционных материалов, синтеза новых материалов при высоких температурах и давлениях и т. д. Важным является вопрос исследования процессов деформирования и накопления повреждений в этих материалах с учетом неоднородности их свойств.

Следует отметить, что большое количество материалов, используемых в современной технике, испытывают фазовые превращения либо в процессе изготовления, либо в процессе эксплуатации. С другой стороны многие ответственные элементы машиностроительных конструкций имеют форму тел вращения и находятся под действием периодических нагрузок, которые могут привести к накоплению повреждений в материале с последующим его разрушением. Поэтому с практической точки зрения актуальной является задача создания адекватных и достаточно универсальных моделей процессов их деформирования и разрушения.

В связи с вышеизложенным были предприняты научные исследования, результаты которых нашли свое отражение в диссертационной работе.

Работы по математическому моделированию процессов прессования пористых материалов выполнялись в рамках госбюджетных тем ИМАШ УрО РАН «Моделирование процессов совместной пластической деформации разнородных металлических материалов для разработки экологически безопасных ресурсосберегающих технологий изготовления тончайшей проволоки и композитов» (№ гос. per. 01.960.9 412), «Разработка технологии изготовления микропроволоки для фильтров очистки агрессивных жидкостей и газов волочением ее в пучке с вязким пластическим наполнителем» (№ гос. per. 01.200.110 669), по теме «Разработка теории и основ технологии интенсивной деформации микрои наноразмерных композитов с сотовой структурой для создания новых материалов с уникальными свойствами» (проект ОЭММПУ РАН, госконтракт № 10 002−251ЮЭММПУ-13/079−351/270 704−644 от 18.05.2004 г., госконтракт №ЮЮ4−71/ОЭММПУ-12/079−351/190 905−172 от 19.09.2005 г. и госконтракт №ЮЮ4−34/ОЭММПУ-13/079−351/140 706−053 от 14.07.2006 г.), по гранту РФФИ «Урал» № 01−01−96 465 «Разработка теоретических основ и параметров технологии процесса пластического деформирования композитов с сотовой структурой для изготовления тончайшей проволоки в пучке и фильтрующих элементов», гранту РФФИ № 05−08−1 464 «Системный анализ и компьютерное моделирование динамического взаимодействия деформируемых тел и создание новых образцов машин ударного действия», гранту РФФИ-Урал № 07−01 -96 086-рурала «Экспериментальное и теоретическое исследование прочности и разрушения пористых металлических материалов, подвергаемых деформации» .

В диссертационной работе с применением методологии структурно-феноменологического подхода рассмотрена модель пластически сжимаемой пористой среды при условии текучести цилиндрического типа, введенная А. Г. Залазинским. Применение указанного условия текучести целесообразно при решении краевых задач механики пластического течения некомпактных материалов, если дилатансия отсутствует или влияние этого эффекта несущественно. В развитие модели в определяющих соотношениях рассмотрены и конкретизированы структурные параметры, характеризующие различную геометрию пор и ее эволюцию в процессе деформирования. При вводе физической модели пористого тела использованы результаты натурных исследований периодичности структур гетерогенных материалов с помощью процедуры вейвлетного анализа.

Для введенной модели пластически сжимаемой среды получено выражение для скорости диссипации мощности на поверхности сильного разрыва с учетом скачка плотности деформируемой среды при течении ее через поверхность разрыва, выраженная через инварианты тензора напряжений и скоростей деформации. Полученные результаты в рамках модели пластически сжимаемой пористой среды применены к решению задач бокового и прямого выдавливания пористого материала в плоской и осесимметричной постановке методом верхней оценки. Рассмотрены особенности уплотнения материала, определены оптимальные энергосиловые параметры процессов с учетом различной степени редукции и трения заготовки о стенки матрицы, а также условия деформирования, обеспечивающие наиболее однородную деформацию частиц материала в зоне, прилегающей к оси прессования и зоне вблизи формующей части матрицы.

Построены математические модели процессов получения заготовок из некомпактного металлического сырья методами динамического прессования. Приведены решения задач ударного прессования в цилиндрической пресс-форме и ударного выдавливания заготовки через коническую матрицу.

Определены особенности уплотнения материала в цилиндрической пресс-форме. Показано, что распределение плотности по высоте заготовки является неравномерным, причем характер ее распределения зависит не только от трения, но и от начальной скорости инструмента. При математическом моделировании учтено, что процесс уплотнения практически завершается к моменту начала течения материала через коническую часть матрицы. Это позволило получить осуществить моделирование в виде суперпозиции решений задач о прессовании некомпактного материала в замкнутой пресс-форме и ударного выдавливания несжимаемого материала. Определено оптимальное значение угла конусности матрицы, при котором скорость инструмента, необходимая для осуществления процесса минимальна.

Также рассмотрены вопросы моделирования процессов деформирования и накопления повреждений в многослойных конструкциях в форме тел вращения или материалах, испытывающих фронтальные фазовые превращения в твердой фазе, являющихся элементами оборудования, предназначенного для горячего прессования порошковых и композиционных материалов, синтеза новых материалов при высоких температурах и давлениях и т. д. Решение задачи о накоплении повреждений и усталостном разрушении материалов получено с использованием феноменологической теории разрушения В. Л. Колмогорова, обобщенной на случай, когда макроскопические напряжения и деформации малы и являются упругими.

Цель работы.

Используя модель среды с регулярной структурой, соотношения на поверхности сильных разрывов, осуществить математическое и компьютерное моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материалов. На основе полученных результатов определить основные закономерности уплотнения и оптимальные условия деформирования в зависимости от характера неоднородности и условий нагружения.

Методика исследования.

Современные подходы в механике структурно-неоднородных сред основываются на идее о том, что гетерогенный материал, не являющийся, по существу, однородным и изотропным, может быть заменен эквивалентной сплошной статистически однородной средой. Согласно методологии структурно-феноменологического подхода исследуемый материал рассматривается как микронеоднородная среда. Это позволяет учитывать наличие границ между однородными элементами структуры с различными механическими свойствами. В соответствии с указанным подходом физико-механические свойства элементов структуры задаются с помощью принятых в механике феноменологических уравнений и критериев. С привлечением гипотезы о статистической однородности образцов, полагают, что усредненные по объему значения физико-механических характеристик совпадают с усредненными по ансамблю. Полагается, что макрохарактеристики (температура, плотность, напряжения и др.) с достаточной точностью совпадают с усредненными по рассматриваемому элементу объёма микрохарактеристиками. Тогда для изучения статистических характеристик достаточно одной представительной реализации. При этом во многих практически важных случаях при исследовании процессов деформирования структурно-неоднородных материалов хорошим приближением являются модели сред с регулярной структурой.

При выборе модели пористого тела использованы результаты натурных исследований структур пористых материалов методом вейвлетного анализа. При расчете структурных параметров, характеризующих геометрию пор, использованы экстремальные теоремы идеальной пластичности.

Для решения краевых задач механики деформирования структурно-неоднородных материалов использованы общие подходы динамики сплошных сред, экстремальные теоремы идеальной пластичности. На основе соотношений механики сплошных сред рассмотрены разрывные поля скоростей и напряжений и вычислена скорость диссипации мощности на поверхности сильного разрыва, с учетом скачка плотности деформируемой среды при течении ее через поверхность разрыва. При этом учтено, что выражение для скорости диссипации мощности в данном случае зависит от скачка его нормальной компоненты, а также скачков инвариантов тензора напряжений: величины среднего нормального напряжения и интенсивности касательных напряжений, являющиеся функциями текущей пористости.

Для моделирования процессов накопления поврежденности и разрушения металлических материалов с кусочно-однородными свойствами применена феноменологическая теория разрушения.

Результаты, выносимые на защиту.

Структурные параметры в определяющих соотношениях для модели пластически сжимаемой среды при условии текучести цилиндрического типа, учитывающие геометрию пор и ее эволюцию в процессе деформирования.

Соотношения для скорости диссипации мощности на поверхности сильного разрыва, учитывающие изменение плотности среды при переходе через поверхность разрыва и их применение к решению задач прессования порошков.

Результаты математического моделирования процесса выдавливания пористого материала, позволяющие определить оптимальные условия деформирования с позиций обеспечения минимума давления и наиболее однородной деформации частиц материала.

Математическая модель процесса динамического прессования порошкового материала в замкнутой цилиндрической пресс-форме, учитывающая ударно-волновой характер нагружения и неравномерность распределения остаточной пористости по высоте заготовки.

Математическая модель процесса ударного выдавливания заготовки из некомпактного металлического сырья.

Математическая модель процесса термоциклирования составного цилиндра, учитывающая различие физических свойств составляющих.

Научная новизна работы.

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 частиц и пор и ее изменение в процессе деформирования.

2. Для условий текучести цилиндрического и эллиптического типа получены выражения для скорости диссипации мощности на поверхности сильного разрыва в пластически сжимаемой среде с учетом изменения ее плотности при переходе через поверхность разрыва.

3. С применением введенных определяющих соотношений для пластически сжимаемой среды осуществлено математическое моделирование процесса выдавливания пористой заготовки в плоской и осесимметричной постановке с использованием схемы жестких блоков и установлены закономерности процесса уплотнения пористого материала при выдавливании.

4. Разработана математическая модель импульсного 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.

5. Разработана математическая модель процесса ударного выдавливания несжимаемого материала через коническую матрицу, позволяющая определить начальную скорость ударника, необходимую для осуществления процесса выдавливания при заданном соотношении масс заготовки и инструмента и силах трения.

6. Предложена математическая модель процесса ударного выдавливания некомпактной заготовки через коническую матрицу при условии, что плотности исходной заготовки и пресс-остатка различны. Модель базируется на суперпозиции решений задачи прессования порошка в закрытой пресс-форме и задачи об ударном выдавливании несжимаемого материала.

Практическая значимость работы.

1. В результате математического моделирования процесса прямого выдавливания пористой заготовки с использованием схемы жестких блоков показано, что уплотнение материала происходит до входа материала в формующую часть матрицы. Определено оптимальное значение угла конусности, обеспечивающее наиболее однородную деформацию частиц материала в зоне вблизи оси прессования и зоне, прилегающей к формующей части матрицы. В зависимости от редукции угол меняется от 30° до 40°.

3. Установлены закономерности формирования остаточной пористости заготовки при динамическом прессовании в цилиндрической пресс-форме.

Для схемы прессования массивным ударником показано, что при плотности близкой к теоретической остаточная пористость распределена по высоте практически равномерно независимо от условий деформирования. Для заготовок с остаточной пористостью 0,1 и более, величина скачка пористости по высоте, обусловленная динамикой процесса и/или трением достигает 0,06-Ю, 08 и сравнима с величиной собственно остаточной пористости.

Установлено, что при высоких скоростях инструмента 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.

4. Для процесса ударного выдавливания определено оптимальное значение угла конусности матрицы, при котором скорость инструмента, необходимая для осуществления процесса минимальна. В зависимости от коэффициента трения величина угла составляет 25 н- 40°.

5. Для компьютерного моделирования процессов динамического прессования некомпактных материалов разработан программный комплекс БЗРгезз^. Он 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).

6. Методика и программа расчета энергосиловых параметров, величины и характера распределения остаточной пористости заготовок из порошкового сырья при динамическом прессовании в цилиндрической пресс-форме 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 Российской Федерации (Пр-843 от 21 мая 2006 г.).

Результаты внедрения указанных методик и программ на ООО «Поли-мет» (г. Екатеринбург) и на ЗАО «Опытный завод огнеупоров» (г. Верхняя Пышма Свердловской области) позволили получить суммарный экономический эффект более 3,3 млн. рублей (в долевом исчислении).

7. С применением 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 устройства для одновременного компактирования и спекания заготовок из некомпактного металлического сырья.

8. Разработана методика определения остаточных напряжений и деформаций в многослойном цилиндре с кусочно-однородными свойствами, обусловленных различием свойств материала слоев или фронтальными фазовыми превращениями в твердой фазе. Результаты расчетов по данной методике, касающиеся выбора материала наплавочного слоя роликов машин непрерывного литья заготовок, внедрены при разработке технологии наплавки роликов выпускаемых ОАО «Уралмашзавод», позволяющей увеличить их из-ностостойкость 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 2006 г. по январь 2007 г.

Результаты работы докладывались на EUROMECH Colloquium 418 «Fracture Aspects in Manufacturing» (Moscow, 2000) — Всероссийской научнопрактической конференции «Редкие металлы и порошковая металлургия» (Москва, 2001) — Всероссийских конференциях «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (Екатеринбург, 2001, 2003) — 3-ем и 4-ом Всероссийском научном семинаре им. С. Д. Волкова «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2004, 2006) — XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005), 1-ой Российской научно-технической конференции «Кузнецы Урала» (Верхняя Салда, 2005) — Совещаниях-семинарах по программе ОЭММПУ РАН № 12 (тема «Разработка теории и основ технологии интенсивной деформации микрои наноразмерных композитов с сотовой структурой для создания новых материалов с уникальными свойствами», Москва, 2003;2005) — III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2007).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [8,9,33, 87,90,92−97,99,163,179−192,244,256,309].

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем диссертации 317 страниц, включая 74 рисунка, 2 таблицы и 5 приложений.

Список литературы

состоит из 309 наименований.

Основные результаты научных исследований, полученные в диссертационной работе, приведены в выводах, заключающих каждую главу.

В главе 1 выполнен анализ ряда процессов деформирования структурно-неоднородных материалов с регулярной структурой. Основное внимание уделено пористым материалам, Проанализированы применяемые в настоящее время условия текучести и модели пористых тел. Отмечено, что при решении краевых задач они имеют свои преимущества и недостатки. В настоящее время не существует универсальных условий текучести пористых тел, позволяющих с высокой точностью осуществить моделирование различных процессов формования порошковых тел в широком диапазоне изменения пористости. Наиболее часто используется эллиптическое условие текучести. Условие текучести цилиндрического типа целесообразно применять к решению краевых задач механики пластического течения пористых сред, когда дилатансия отсутствует или влияние этого эффекта несущественно. Показано, что при решении краевых задач на точность решения существенно влияет выбор зависимостей, определяющих значения пределов текучести на сжатие и сдвиг пористого тела.

Рассмотрены основные особенности динамических процессов деформирования пористых сред, связанные с ударно-волновым характером процесса, а также существующие подходы к решению задач прессования в закрытой пресс-форме и прямого выдавливания в квазистатической постановке, поскольку их характерные особенности имеют существенное значение при построении математических моделей динамических процессов.

Также рассмотрены вопросы исследования процессов деформирования и накопления повреждений в структурно-неоднородных материалах с осевой симметрией, в качестве которых рассмотрены многослойные конструкции и материалы, испытывающие фронтальные фазовые превращения в процессе нагрева-охлаждения. Сюда могут быть отнесены многие элементы машиностроительных конструкций, в частности элементы оборудования предназначенного для производства изделий из некомпактных материалов или синтеза новых материалов при высоких температурах и давлениях.

В конце главы сформулирована цель диссертации и поставлены основные задачи, которые необходимо решить для ее осуществления.

В главе 2 на основе методологии структурно-феноменологического подхода рассмотрена модель пластически сжимаемой пористой среды при условии текучести цилиндрического типа, разработанная А. Г. Залазинским и связанные с этим условием определяющие соотношения, обеспечивающие независимые механизмы сдвига и уплотнения пористой массы. В развитие модели в определяющих соотношениях рассмотрены структурные параметры, позволяющие учесть различную геометрию пор и ее возможную эволюцию в процессе деформирования. При выборе физической модели пористого тела использованы результаты натурных исследований периодичности структур некомпактных материалов различных по химическому составу, способам получения и операциям термомеханической обработки с помощью процедуры вейвлетного анализа.

В главе 3 рассматривается применение введенной модели пористого материала к решению задач выдавливания некомпактного материала в плоской и осесимметричной постановке с разрывными полями скоростей. Приведены решения задач бокового и прямого выдавливания некомпактного материала методом верхней оценки. Для задач прямого выдавливания основное внимание уделено решениям с использованием схемы жестких блоков. Рассмотрены особенности уплотнения материала и определены энергосиловые параметры процесса с учетом различной степени редукции и трения заготовки о стенки матрицы. Также определены условия деформирования, обеспечивающие наиболее однородную деформацию частиц материала в зоне вблизи оси прессования и зоне, прилегающей к формующей части матрицы.

Для построения разрывных решений вычислена скорость диссипации мощности на поверхности сильного разрыва. При этом учтено, что выражение для скорости диссипации мощности в данном случае зависит от скачка проекции вектора скорости на нормаль к поверхности разрыва.

В главе 4 рассмотрены математические модели процессов динамического прессования заготовок из некомпактного металлического сырья. Приведены решения задач динамического прессования в замкнутой пресс-форме и ударного выдавливания заготовки через коническую матрицу. Для процесса прессования в цилиндрической пресс-форме показано, что плотность по высоте заготовки распределена неравномерно в силу волнового характера процесса, причем характер распределения существенно зависит как от трения, так и от начальной скорости инструмента. При построении математической модели процесса ударного выдавливания пористого материала использованы результаты главы 3, в частности то обстоятельство, что процесс уплотнения практически завершается к моменту начала течения материала через коническую часть матрицы. Это позволило получить осуществить математическое моделирование процесса в виде суперпозиции решений задач о прессовании некомпактного материала в замкнутой пресс-форме и ударного выдавливания несжимаемого материала. Определены оптимальные значения угла конусности матрицы, позволяющие минимизировать начальную скорость инструмента, необходимую для реализации процесса ударного выдавливания некомпактной заготовки.

В главе 5 приведены результаты математического моделирования процессов термоциклирования и методики расчета числа циклов до разрушения деталей цилиндрической формы с кусочно-однородными свойствами. Необходимость решения таких задач связана с тем обстоятельством, что многие элементы машиностроительных конструкций, в том числе элементы оборудования, предназначенного для горячего прессования пористых и композиционных материалов, синтеза новых материалов при высоких температурах и давлениях и т. д., выполненные в виде тел вращения, находятся в процессе эксплуатации в условиях циклического нагружения и нагрева. Неоднородность свойств рассматриваемых цилиндров обусловлена тем, что слои составлены из разнородных материалов, либо связана с фазовыми превращениями в процессе нагреве-охлаждении. При построении математической модели процесса термоциклирования цилиндра с фазовыми превращениями в твердой фазе использованы соотношения на поверхностях сильных разрывов. Установлено, что различие коэффициентов теплового расширения фаз оказывает существенное влияние на величину структурных напряжений.

Вопрос о накоплении усталостных повреждений и разрушении цилиндров при термоциклировании и расчете числа циклов их работы рассмотрен на основе феноменологической теории разрушения В. Л. Колмогорова.

Таким образом, в работе получены следующие научные и практические результаты.

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 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 осесим-метричной 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.

4. При моделировании 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. Указанный факт соответствует экспериментальным данным других авторов.

5. 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 30° до 40°.

6. Построена математическая модель динамического прессования порошковой 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. Для заготовок с остаточной пористостью ОД и более, неравномерность пористости по высоте, обусловленная динамикой процесса и/или трением достигает 0,06-Ю, 08. При начальных скоростях инструмента порядка 150 200м/с 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 обстоятельством, что с увеличением начальной скорости инструмента резко возрастает уплотнение в зоне контакта.

7. Получено аналитическое решение задачи ударного выдавливания несжимаемого материала через коническую матрицу, позволяющее определить начальную скорость ударника, необходимую для осуществления процесса 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 различны. Решение получено в виде суперпозиции решений задачи о прессовании порошка в закрытой пресс-форме и задачи об ударном выдавливании несжимаемого материала.

8. Для процесса ударного выдавливания показано, что независимо от соотношения масс заготовки и инструмента оптимальное значение угла конусности матрицы, при котором скорость инструмента, необходимая для осуществления процесса минимальна, в зависимости от трения меняется от 25-^30° до 35-^40°. Таким образом, оптимальным для процесса ударного выдавливания следует считать угол конусности в диапазоне 25 40°.

9. 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, основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук за 2003 год, с. 52, http://www.ras.ru/scientificactivity/scienceresults/annualreport.aspx).

10. Для компьютерного моделирования процессов динамического прессования некомпактных материалов разработан программный комплекс Б8Ргез8т§. Он 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).

11. Результаты диссертационной работы, касающиеся методики и программ расчета энергосиловых параметров, величины и характера остаточной пористости заготовок из некомпактного сырья при динамическом прессовании в цилиндрической пресс-форме используются в институте электрофизики УрО РАН в рамках работ по приоритетному направлению «Индустрия на-носистем и материалов» в соответствии с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденными Президентом Российской Федерации (Пр-843 от 21 мая 2006 г.).

Результаты внедрения указанных методик и программ на ООО «Поли-мет» (г. Екатеринбург) и на ЗАО «Опытный завод огнеупоров» (г. Верхняя Пышма Свердловской области) позволили получить суммарный экономический эффект более 3,3 млн. рублей (в долевом исчислении).

12. 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 компактиро-вания и спекания структурно-неоднородных порошковых материалов.

13. Предложена методика определения остаточных напряжений и деформаций в многослойном цилиндре с кусочно-однородными свойствами, обусловленных различием свойств материала слоев. С использованием данной методики выполнены расчеты и даны рекомендации по выбору материала наплавочного слоя роликов машин непрерывного литья заготовок. Результаты расчетов внедрены при разработке технологии наплавки роликов МНЛЗ выпускаемых ОАО «Уралмашзавод», позволяющей увеличить их износто-стойкость 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 2006 г. по январь 2007 г.

14. 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.

Заключение

.