На правах рукописи

Ермоленко Анатолий Николаевич

ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ

НАНОМАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ

ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ

УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ

Специальность 01.02.06 – «Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель доктор техн. наук, проф., ЖЕРНАКОВ Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты доктор физ.-мат. наук, проф., ГРЕШНОВ Владимир Михайлович кандидат физ.-мат. наук, доц., ХАКИМОВ Аким Гайфуллинович

Ведущая организация Государственное унитарное предприятие инновационный научно-технологический центр «Искра» Республики Башкортостан

Защита состоится «24» сентября 2009 г. В 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288. при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ

Автореферат разослан « » июня 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. Бакиров Ф. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы большое внимание уделяется развитию нанотехнологий, которые были определены наиболее приоритетными направлениями развития в науке и технике. На государственном уровне нанотехнологии были обозначены национальной программой развития данной научной отрасли. Значительно вырос интерес к получению объемных наноматериалов с помощью различных методов интенсивной пластической деформации (ИПД), с помощью которых можно произвести существенное измельчение микроструктуры металлов и сплавов до наноразмеров, когда средний размер зерна будет измеряться десятками нанометров. Объемные наноматериалы, полученные методами ИПД при равноканальном угловом прессовании (РКУП), характеризуются уникальными физико-механическими свойствами, например, повышением предела прочности в 1,5-2,5 раза, при сохранении достаточной пластичности (около 10-15%).

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) при РКУП является сложным для его описания методами математического моделирования, поскольку поведение материалов в данном случае является нелинейным многофакторным процессом. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо получить корректное описание процесса РКУП в зависимости от параметров и режимов деформирования. Неравномерность накопленных пластических деформаций по объему заготовки, многопроходная схема деформирования и ряд других факторов требуют более полного теоретического исследования этого процесса, которое возможно с применением современных численных методов, способствующих уменьшению затрат на проведение дорогостоящих экспериментов.

Несмотря на то, что в области РКУП отечественными и зарубежными учеными выполнено значительное количество исследований по изучению свойств объемных наноматериалов, проблема исследования НДС и свойств данных материалов при переменных напряжениях остается актуальной по сей день. Детальное теоретическое изучение процесса позволяет выработать рекомендации по изменению параметров ИПД, при которых можно получать объемные наноматериалы с более равномерным распределением полей пластических деформаций по объему и учитывать историю нагружения при многопроходности исследуемого процесса. Исследование свойств материалов при переменных напряжениях, влияния концентрации напряжений в деталях из объемных наноматериалов позволят выработать рекомендации по использованию данных материалов вместо дорогостоящих сплавов.

Работа была выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)».

Цель работы. Целью работы является разработка методики расчета полей пластических деформаций в деталях из объемных наноматериалов, полученных при РКУП, и выявление их влияния на усталостную прочность при наличии концентраторов напряжений.

Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику расчета полей накопленных пластических деформаций в объемных наноматериалах при многократном деформировании заготовок различных поперечных сечений путем РКУП.

2. Установить влияние конструктивных параметров штампа при РКУП на распределение полей пластических деформаций. Выявить влияние масштабного фактора на равномерность распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки.

3. Выявить влияние концентрации напряжений в деталях на распределение напряжений и деформаций, с учетом истории нагружения в объемных наноматериалах, полученных при РКУП, при переменных напряжениях.

4. Установить закономерности чувствительности деталей из объемных титановых наноматериалов к концентрации напряжений при переменных напряжениях.

Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту:

1. Методика расчета полей накопленных пластических деформаций в объемных наноматериалах при многократном деформировании заготовок различных поперечных сечений путем РКУП.

2. Влияние конструктивных параметров штампа при РКУП на распределение полей пластических деформаций.

3. Влияние масштабного фактора на равномерность распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки.

4. Влияние концентрации напряжений в деталях из объемных наноматериалов, полученных при РКУП на распределение напряжений и деформаций, с учетом истории нагружения при переменных напряжениях.

5. Закономерности чувствительности деталей из объемных титановых наноматериалов к концентрации напряжений при переменных напряжениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика численного моделирования расчета полей пластических деформаций при РКУП, заготовок различных поперечных сечений с учетом взаимодействия со стенками штампа, перестроения сетки конечных элементов (КЭ), увеличения количества элементов в местах большого градиента деформаций, учитывающая историю нагружения, при многократном деформировании заготовок в трехмерной постановке задачи. Данная методика в отличие от имеющихся, позволила дать более качественное описание НДС заготовок для последующего выявления влияния процесса РКУП на прочность деталей полученных из объемных наноматериалов.

2. Выявлено влияние формы сечения заготовки и масштабного фактора на распределение полей пластических деформаций при РКУП, установлен диапазон оптимальных размеров канала штампа, с точки зрения распределения накопленных пластических деформаций в заготовке. Полученные результаты численных исследований процесса РКУП позволили установить, что:

– конструктивные параметры штампа процесса РКУП оказывают существенное влияние на характер распределения накопленной пластической деформации в заготовках. Установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения уровня и распределения накопленных пластических деформаций являются наружные радиусы сопряжения каналов штампа, составляющие 6-20%, и внутренние радиусы 3-15% характерного размера поперечного сечения заготовки. С увеличением трения происходит снижение максимального уровня накопленных пластических деформаций по объему заготовки;

– на распределение накопленных пластических деформаций значительно влияет жесткость и пластичность материала;

– выработаны рекомендации по назначению конструктивных параметров штампа РКУП, при которых достигается наибольший уровень и равномерность накопленной пластической деформации по объему заготовки в зависимости от масштабного фактора. Установлены наиболее оптимальные размеры канала штампа РКУП для заготовок круглого и квадратного поперечного сечений.

3. Впервые была исследована усталостная прочность образцов из объемного наноструктурного титана в зависимости от полей накопленных пластических деформаций без и при наличии концентрации напряжений. Выявлено, что предел выносливости наноструктурного титана возрастает на 50% в сравнении с исходным состоянием. Установлено, что наноструктурный титан имеет повышенную чувствительность к надрезу (q=0,330,53) в сравнении с обычным крупнозернистым (КЗ) аналогом (q=0,240,39). Однако, в сравнении со сплавом ВТ-6, наноструктурный титан является более прочным и долговечным.

4. Показана возможность использования более дешевого наноструктурного чистого титана вместо титанового сплава для изготовления резьбовых деталей.

Методы исследований основаны на использовании:

– известных уравнений теории упругости и пластичности;

– стандартизованных методов исследования малоцикловой и многоцикловой усталостной прочности материалов;

– экспериментальных данных, позволяющих исследовать пластичность и разрушение металлов при произвольных законах изменения скорости деформирования, трения и геометрических характеристик канала.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, основывается на фундаментальных положениях, корректном использовании современных экспериментальных и численных методов деформирования твердого тела и подтверждается:

– решением большого числа тестовых задач;

– сравнением получаемых решений с известными численными и экспериментальными результатами;

– сравнением получаемых решений с известными результатами моделирования численными методами на основе других систем уравнений.

Практическая ценность работы. Разработанная методика моделирования процесса РКУП позволяет на основе расчетных и экспериментальных исследований прогнозировать формирование и однородность распределения полей накопленных пластических деформаций по объему заготовок.

Численные результаты исследования НДС заготовки в процессе РКУП, полученные автором, позволили произвести оптимизацию параметров процесса РКУП, а так же дали возможность предсказывать распределение полей накопленных пластических деформаций в деталях из объемных наноматериалов, что, в свою очередь, позволило определить рациональные силовые и конструктивные параметры оснастки для РКУП, используемой в УГАТУ.

Результаты моделирования процесса получения объемных наноструктурных материалов путем РКУП могут быть использованы для определения НДС в заготовках и, как следствие, предвидения структурного состояния материалов, отрабатывать новые схемы деформирования без проведения дорогостоящих экспериментов, при получении данных материалов.

Результаты исследования усталостной прочности деталей с концентраторами напряжений из объемных наноструктурных материалов могут быть использованы при расчете долговечности элементов конструкций из наноструктурных материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: 20-22 марта 2006 г., Российская научно-техническая конференция Мавлютовские чтения, г. Уфа; 8 декабря 2006г., Проблемы машиноведения и критических технологий в машиностроительном комплексе Республики Башкортостан, г. Уфа; 14-18 августа 2007г., Международная научно-практическая конференция «Объемные наноструктурные материалы 2007: от науки к инновациям (BNM 2007)», г. Уфа; 24 декабря 2008г., Проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 9 печатных работах, в том числе 3 в рецензируемых из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Содержит 140 страниц машинописного текста, включающего 100 рисунков, 4 таблиц и библиографический список из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, направления исследований и основные научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, достоверность и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ опубликованных работ в области получения объемных наноматериалов при различных сочетаниях методов интенсивной пластической деформации (ИПД).

В последнее время в мире наблюдается значительный интерес к объемным наноматериалам, полученным с использованием методов ИПД и характеризующимся уникальными свойствами, особое место среди которых занимают их механические свойства. В результате данных видов ИПД прочность таких материалов возрастает в 2-3 раза в сравнении с исходным состоянием (Валиев Р.З.). При этом практически не уменьшается пластичность, что обычно наблюдается в случае увеличения прочности металлических материалов. В ходе исследований, полученных в работах Валиева Р.З., Александрова И.В., Исламгалиева Р.К., Morris D.G., G. Krallics, Y. Iwahashi, J. Wang, Gleiter H., выявлены изменения в фундаментальных структурно-нечувствительных характеристиках наноструктурных материалов, полученных ИПД, таких, как модуль упругости, температура Кюри и Дебая, намагниченность насыщения, процессы диффузии и ряд других характеристик. В настоящее время экспериментально изучаются механические свойства объемных наноматериалов, полученных наиболее простым в технологическом отношении и имеющим широкое распространение методом РКУП. Так, например, предел текучести наноструктурного титана достигает 960-1060МПа, а предел прочности пч – 1080-1380МПа в сравнении с исходным состоянием 0,2=840МПа и пч=940МПа.

При экспериментальном изучении объемных наноматериалов, полученных РКУП, наблюдается неоднородность распределения пластических деформаций по объему заготовки, от которых напрямую зависит распределение структур в материале. Данная неоднородность зависит от конструктивных характеристик оснастки и ряда энергосиловых параметров. Исследования НДС, выполненные в работе Смолякова А.А., показали возможность моделирования процесса РКУП в трехмерной постановке, однако в ней при численном моделировании использовался программный пакет, предназначенный для динамических исследований, который не позволяет в полной мере учесть ряд технологических факторов, присущих процессу, а также отсутствовали исследования влияния концентрации напряжений на усталостную прочность объемных наноматериалов. В работах Будилова И.Н., Лукащука Ю.В. были показаны первые исследования образцов круглого поперечного сечения, однако в них отсутствовали качественное исследование НДС данных заготовок при различных размерах поперечных сечений, а также детальная картина НДС, которая в полной мере может быть сопоставлена с реальными заготовками, полученными РКУП.

На основании обзора научно-технической информации и имеющихся данных об опытах численного моделирования процесса с учетом того, что имеющиеся модели не могут претендовать на полноту описания данного процесса, были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изложены основные положения численной методики расчета НДС и полей пластических деформаций и результаты ее тестирования.

Численное решение задачи моделирования процесса РКУП было достигнуто с помощью метода конечных элементов (КЭ), реализованного в трехмерной объемной постановке задачи с использованием современного программного пакета Deform-3D. В ходе моделирования оснастка, состоящая из пуансона и штампа РКУП, представляла собой абсолютно жесткие тела, а заготовка – пластичное тело разбитое сеткой КЭ в виде тетраэдров с заданием модели материала и граничных условий.

Для определения НДС заготовки при РКУП при математическом моделировании в программном пакете Deform-3D применялся способ получения системы разрешающих уравнений с использованием вариационного принципа Лагранжа. В соответствии с данным принципом, если u, v, w – действительные перемещения точек тела, то они обращают в нуль вариацию полной потенциальной энергии на любых возможных перемещениях точек тела от положения равновесия, т.е. действительному полю перемещений точек тела соответствует минимум полной потенциальной энергии Э. Для КЭ модели полная потенциальная энергия равна сумме:

где Э – энергия некоторого n-го элемента, NЭ – число КЭ. Выразив энергию Э(n) через узловые перемещения и используя условия стационарности:

приходим к системе уравнений:

где [K] – квадратная матрица жесткости всей системы, имеющая размерность 3Nу3Nу, где Nу – количество узлов; {U} – вектор-столбец искомых узловых перемещений, содержащий 3Nу элементов; {P} – вектор фиктивных узловых сил той же структуры. Решив данную систему, можно найти искомый вектор {U}, а затем – напряжения и деформации в любой точке заготовки.

В ходе тестирования модели была решена задача о распределении полей накопленных пластических деформаций в образцах из чистой меди и титана в сравнении с результатами, полученными в экспериментах во ВНИИЭФ и УГАТУ. Модель материала с изотропным упрочнением была задана на основе диаграмм деформирования, полученных для меди и титана после каждого прохода РКУП соответственно:

девиаторная компонента деформации, скорость эффективной дегде формации, T – температура.

Расчетная схема процесса, модель материала и граничные условия при моделировании были выбраны в соответствии с данными УГАТУ и ВНИИЭФ.

На рис.1 показано сравнение экспериментальных результатов, полученных во ВНИИЭФ, УГАТУ и рассчитанных автором с использованием программного пакета Deform-3D. Установлено, что расчетные данные при сравнении накопленных пластических деформаций, энергетического параметра – силы необходимой для деформирования в процессе РКУП, распределений напряжений в заготовке демонстрируют соответствие предшествующим экспериментам и позволяют применить описанную методику численного математического моделирования для последующих исследований процесса РКУП.

Рисунок 1 – Характер распределения деформаций при наличии трения:

а) эксперимент ВНИИЭФ, б) эксперимент УГАТУ, в) расчет Deform-3D.

В третьей главе описан детальный подход к построению физической и математической моделей процесса РКУП, учитывающий многофакторность данного процесса.

Установлено, что структурообразование, происходящее в заготовке при РКУП, зависит от многих факторов, характеризующих этот процесс. Существенную роль в равномерности распределения накопленных пластических деформаций по сечению заготовки играют ее трение о стенки штампа, геометрия зоны пересечения каналов, внешний и внутренний радиусы сопряжения каналов. Корректный учет данных факторов при трехмерном моделировании процесса РКУП важен при дальнейшем построении расчетной схемы. В ходе моделирования было выявлено значительное искажение КЭ сетки, поэтому, для получения достоверных результатов, в расчете использовался алгоритм перестройки сетки, в ходе которого данные из «старой» сетки интерполировались в «новую» при достижении критерия максимального искажения формы элементов. Точность интерполяции зависит от множества факторов, в том числе и от размеров КЭ, при этом перестроение сетки КЭ и ее сгущение особенно важны в зонах с большим градиентом деформаций.

Для определения оптимального числа и размеров КЭ, обеспечивающих качественное решение, были проведены эксперименты на заготовках круглого поперечного сечения. В ходе экспериментов было установлено, что оптимальный линейный размер элементов, обеспечивающий наиболее полное описание процесса РКУП при приемлемом времени счета и отсутствии значительных погрешностей вычислений применительно к условиям процесса РКУП, находится в диапазоне 2,5-5,0% от поперечного размера заготовки, при этом исходная сетка КЭ насчитывает 15000-21000 элементов.

При исследовании влияния наружного и внутреннего радиуса сопряжения каналов (поперечные размеры заготовки 8х8мм) установлено, что с увеличением наружного радиуса с 2 до 6мм происходит снижение на 6-9% общего уровня накопленных пластических деформаций, а также возрастает на 10-15% неравномерность их распределения в нижней части заготовки в выходном канале штампа. Увеличение внутреннего радиуса приводит к смещению зоны с максимальным уровнем пластических деформаций (на 16-26% относительно высоты сечения) от верхней части заготовки. Установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения распределения пластических деформаций являются наружные радиусы, составляющие R=0,06-0,2t, и внутренние радиусы r=0,03t, где t – характерный размер поперечного сечения заготовки (для образцов квадратного поперечного сечения это ширина заготовки, а круглого – диаметр).

При рассмотрении изотропной модели поведения материала (в случае меди и титана) были использованы имеющиеся экспериментальные диаграммы деформирования исходных материалов после первого, второго и последующих проходов. Кроме этого, для геометрического центра заготовки после каждого прохода, существует установленная теоретическая и экспериментально подтвержденная величина приращения степени деформации 2 3 1,15 при угле пересечения каналов штампа РКУП =90°. Установлено, что на НДС заготовок при РКУП существенное влияние оказывает характер упрочнения материала. Материалы, близкие по свойствам к идеально-пластичным, имеют большую неравномерность в распределении пластических деформаций по сечению заготовки (соотношение между максимальным и минимальным уровнем накопленных пластических деформаций составляет eqv max eqv min 6 9% ) в сравнении с менее пластичными материалами ( eqv max eqv min 2 5% ). Однако, выявлено, что идеально-пластичные материалы имеют больший диапазон накопленных пластических деформаций, достигающих или превышающих теоретический уровень приращения степени деформации за один проход, в сравнении с менее пластичными eqv nom eqv 72 95% и eqv nom eqv 38 56% соответственно.

Выявлено, что влияние трения на равномерность распределения деформаций в образце выражается в увеличении «обратного течения» материала, а также в деформирования материала: трения 0,2 – во втором зона «оба) без трения, б) с трением. ратного течения», локальное снижение уровня накопленных пластических деформаций материала увеличиваются с 10% до 23% соответственно. Под воздействием трения происходит существенное сжатие слоев материала в верхней части заготовки вне зоны «обратного течения». Так при факторе трения 0,2 в сравнении с отсутствием трения в канале относительное уменьшение первоначальных продольных размеров заготовки достигло 23%.

При анализе углов пересечения каналов не равных 90° установлено, что при угле пересечения в 120° равномерность распределения пластических деформаций по высоте сечения близка к результатам, получаемым на оснастке с углом пересечения каналов в 90°, однако уровень накопленных пластических дится ниже практически в 2 раза. При угле пересечения каналов в 30° на 80% площади поперечного сечения заготовки в ее «рабочем» участке наблюдается уровень пластических деформаций eqv =1,1-1,5 (после второго прохода РКУП – eqv =2,3-2,8), а на оставшейся площади уровень пластических деформаций на 5pl 15% ниже, чем при угле пересечения каналов в 90°.

В четвертой главе проведен анализ НДС в заготовках с учетом многопроходной схемы РКУП, масштабного фактора и при последующей механической обработки, а также, показана теоретическая оценка концентрации напряжений в объемных наноматериалах.

При численном моделировании многопроходного процесса РКУП по соответствующим маршрутам прессования (рис.3) необходимо учитывать историю нагружения заготовки. Для повторного деформирования заготовки данная операция реализовывалась путем переноса, поворота и повторной ее установки, с последнего шага расчета процесса РКУП, во входной канал штампа. При этом перестроение КЭ сетки отсутствовало.

Рисунок 3 – Маршруты РКУП (а, б, в - маршрут А, В и С соответственно) На рис. 4 показано распределение деформаций в образце круглого поперечного сечения за четыре прохода РКУП. Установлено, что после многократного деформирования увеличиваются зоны неравномерности деформаций в хвостовых частях образцов (примерно в 1,5-2 раза больше размеров поперечного сечения), что приводит к значительному уменьшению «рабочей зоны», в которой наблюдаются достаточно равномерно распределенные по сечению накопленные пластические деформации.

Рисунок 4 – Распределение деформаций в заготовке круглого поперечного сечения: а) первый; б) второй; в) третий; г) четвертый проход РКУП (по объему заготовки и в продольном сечении); д) в поперечном сечении «рабочего»

участка, для четырех проходов соответственно.

Так при длине заготовки в 60 мм доля непроработанных зон может составлять порядка 40%. Теоретический уровень приращения деформаций для геометрического центра заготовки соответствует экспериментальным значениям, однако в ходе деформирования происходит существенное смещение зоны максимальных накопленных пластических деформаций в виду поворота заготовки на 90° относительно своей оси.

Кроме того, установлено, что в заготовках круглого поперечного сечения в отличие от квадратного сечения, проявляется существенная неравномерность деформаций (порядка 12-16% за проход) в приповерхностном слое заготовки, обусловленная трением и геометрией штампа РКУП. Установлено, что уровень накопленной пластической деформации в заготовке круглого поперечного сечения после первого прохода РКУП находится в пределах eqv =0,66-1,18, при этом имеется общая тенденция к снижению неравномерности распределения накопленных пластических деформаций при реализации многопроходной схемы деформирования. Так, неравномерность распределения накопленной пластической деформации после первого прохода составляет 44,1%, а после второго происходит ее снижение до 38,7% ( eqv =1,38-2,25), после третьего – до 29,4% ( eqv =2,52-3,57), после четвертого – до 20% ( eqv =3,75-4,70).

Немаловажным геометрическим фактором, влияющим на распределение пластических деформаций в заготовке, является масштабный фактор процесса РКУП. В экспериментах с заготовками из меди было установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения уровня накопленных пластических деформаций за один проход РКУП и равномерности их распределения в заготовке, при одинаковых конструктивных параметрах оснастки, является диапазон квадратных поперечных сечений 6х6мм – 12х12мм (рис. 5).

получены с заготовками круглого поперечного сечения с соответствующими характерными размерами t.

Рисунок 5 – Относительное распределение деформаций по высоте заготовки из Cu.

Рисунок 6 – Относительное распределение деформаций по высоте заготовки из Ti: а) – г) 1 – 4 проходы РКУП соответственно.

В ходе исследования масштабного фактора для титановых заготовок квадратного поперечного сечения было установлено, что наиболее равномерное ( eqv =0,86-1,17) за первый проход РКУП, распределение и уровень накопленных пластических деформаций соответствуют диапазону сечений от 6х6мм до 12х12мм. С увеличением размеров сечения до 16х16мм происходит снижение уровня деформаций на 10-12% к четвертому проходу РКУП. С уменьшением размеров сечения до 4х4мм наблюдается рост неравномерности распределения накопленных пластических деформаций до 53% ( eqv =0,52-1,11) в первом проpl ходе, однако последующие проходы уменьшают данную неравномерность до 12% ( eqv =3,52-4,01) к четвертому проходу, при этом общий уровень, в сравнеpl нии с сечением 8х8мм, находится на 12-14% ниже.

Для оценки концентрации напряжений и деформаций в деталях из объемных наноматериалов были исследованы кольцевые канавки, полученные шлифованием и обкаткой роликом, после 4 проходов РКУП. Для различных параметров кольцевых выточек (соотношение радиуса впадины и глубины выточки r/f=0,15-0,66, с углом раствора =60°, при диаметрах d – 5мм и 6мм) были подсчитаны коэффициенты концентрации напряжений при растяжении и изгибе при упругих деформациях. Выявлено, что с увеличением отношения r/f коэффициент концентрации напряжений (ККН) снижается на 23% (k =3,74-2,87) и 33% (k =4,41-2,97) при растяжении заготовок диаметром d=5мм и d=6мм соответственно, а при изгибе на 18% (k =3,91-3,22) и 23% (k =4,35-3,34).

В заготовках с кольцевой канавкой, полученной обкаткой роликом, максимальный уровень накопленной пластической деформации составляет eqv =4,7, что свидетельствует об увеличении степени накопленных пластических деформаций на 6,4 % в сравнении с четвертым проходом РКУП. С увеличением нагрузки и переходом в упругопластическую зону коэффициент концентрации напряжений заметно уменьшается (на 25-30%). Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что упругопластические деформации и напряжения в зонах концентрации изменяются непропорционально значениям действующих нагрузок. Результаты расчетов в упругопластической зоне свидетельствуют об уменьшении значений ККН и об увеличении значений коэффициентов концентрации деформаций (в 1,7-1,9 раза) вследствие значительной остаточной пластической деформации, обусловленной процессом РКУП.

В пятой главе были проведены исследования усталостных характеристик материала в КЗ и наноструктурном состояниях в зависимости от полей накопленных пластических деформаций.

Рисунок 7 – Образцы для усталостных испытаний.

Усталостные испытания проводились на гладких образцах (рис.7, а) и образцах с надрезом (рис.7, б; параметры канавки – рис.7, в) (по ГОСТ 25.502-79), в условиях симметричного цикла нагружения (R= –1) при изгибе с вращением с контролируемым напряжением и с частотой f=50 Гц, при этом база испытаний составляла Nб=107 циклов. Коэффициенты концентрации упругих напряжений т составляли для каждого вида надреза с радиусом 0,1, 0,2 и 0,3 мм соответственно 4,4, 3,9, 3,3. Выявлено, что предел выносливости наноструктурного титана после отжига при 350оС достигает 610 МПа и превышает предел выносливости КЗ титана почти на 50% за счет значительного измельчения микроструктуры и рекордного повышения прочности – до 1240 МПа в сочетании с повышенной пластичностью – до 13%. Образцы с надрезом, имеющие т=4,4, выдерживают нагрузку без разрушения с максимальным напряжением 220 МПа в течение 107 циклов. С уменьшением коэффициента концентрации т до значения 3,9 и 3,3 максимальное напряжение возросло до 245 и 295 МПа соответственно.

Установлено, что на чувствительность к надрезу УМЗ титана сильное влияние оказывает геометрия надреза: с увеличением коэффициента концентрации упругих напряжений т от 2,8 до 4,4 повышается коэффициент К от 1,59 до 2,77 и q от 0,33 до 0,53 (в сравнении с КЗ титаном q=0,80,9). При этом УМЗ титан имеет повышенную чувствительность к надрезу в сравнении с обычным КЗ аналогом титана (q = 0,24 при т = 2,7). Например, для образцов с надрезом глубиной h=0,729 и = 0,3 мм коэффициент q = 0,52 ( т=2,78). Таким образом, УМЗ титан является и более прочным, и более долговечным в случае надреза, чем сплав.

В ходе испытаний на малоцикловую прочность было установлено, что малоцикловая прочность резьбовых деталей из чистого наноструктурного титана находится незначительно ниже малоцикловой прочности резьбовых деталей из сплава ВТ-6, что показывает возможность использования более дешевого наноструктурного титана. Результаты испытаний по долговечности отличаются при max= 0,76 пч – на 13%, а при max = 0,56 пч – на 30-35%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика численного математического моделирования процесса РКУП, которая позволяет качественно описывать процессы получения объемных наноструктурных материалов в заготовках различных поперечных сечений в трехмерной постановке задачи, учитывая многократное деформирование и историю нагружения.

2. Численное моделирование процесса РКУП позволяет описывать НДС и определять воздействие основных конструкционно-технологических факторов, от которых зависит равномерность полей пластических деформаций в заготовке:

– влияние геометрических характеристик штампа РКУП;

– влияние трения заготовки о поверхность оснастки;

– влияние механических характеристик материала на характер деформирования заготовок при РКУП;

– влияние масштабного фактора при многократном деформировании.

Установлено, что конструктивные параметры штампа РКУП влияют на характер распределения накопленной пластической деформации в заготовках.

Выявлено, что наружные радиусы сопряжения каналов, превышающие 6-20%, и внутренние радиусы 3-15% характерного размера поперечного сечения заготовки приводят к снижению уровня и увеличению неравномерности распределения накопленных пластических деформаций. Установлено, что с ростом трения усиливается «обратное течение» материала, при этом уровень накопленных пластических деформаций по объему заготовки снижается на 17-25%. В материалах близких по свойствам к идеально-пластичным, значительно больший объем на 30-40% в сравнении с малопластичными занимают накопленные пластические деформации, достигшие или превышающие теоретический уровень приращения степени деформации за один проход ( i=1,15).

Для получения максимально возможного равномерного распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки с учетом масштабного фактора при многократном деформировании заготовок круглого и квадратного поперечных сечений рекомендуется использовать заготовки с характерным поперечным размером сечения t = 6-12мм.

3. Выявлено, что усталостная прочность объемного наноструктурного титана находится выше на 50% в сравнении с исходным КЗ состоянием. Установлены факторы, влияющие на усталостную чувствительность к надрезу УМЗ титана: с увеличением теоретического коэффициента концентрации напряжений т от 3,3 до 4,4 повышается эффективный коэффициент концентрации напряжений К=1,92,77 и коэффициент чувствительности к надрезу q=0,390,53.

При этом УМЗ титан имеет повышенную чувствительность к надрезу по сравнению с обычным крупнозернистым аналогом (q=0,39 и 0,24 соответственно), однако относительно сплава ВТ6 (q = 0,52) он является более прочным и более долговечным в случае надреза.

4. Долговечность резьбовых деталей из чистого наноструктурного титана не уступает малоцикловой прочности резьбовых деталей из сплава ВТ-6, следовательно, для изготовления резьбовых деталей можно использовать более дешевый наноструктурный чистый титан.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Жернаков, В.С. Контактное взаимодействие инструмента и заготовки при штамповке круглых деталей / Жернаков В.С., Газизов Х.Ш., Валиев Р.Ш., Ермоленко А.Н. // Вестник УГАТУ. – 2006. – Т.7, № 1 (14). – С. 192-195.

2. Ермоленко, А.Н. Моделирование процесса обратного выдавливания поршневого пальца / Ермоленко А.Н., Пузырьков Д.Ф., Жернаков В.С. // КШП ОМД. – 2008. – № 12. – С. 37-40, 53.

3. Жернаков, В.С. Влияние напряженно-деформированного состояния деталей из объемных наноматериалов на усталостную прочность / Жернаков В.С., Семенова И.П., Ермоленко А.Н. // Вестник УГАТУ.: серия машиностроение – 2009. – Т.12, № 2 (31). – С. 62-68.

В других изданиях 4. Жернаков, В.С. Влияние масштабного фактора на получение наноструктурной меди и титана при РКУП образцов круглого поперечного сечения / Жернаков В.С, Ермоленко А.Н. // Проблемы машиноведения, технологий в машиностроительном комплексе РБ: сборник научных трудов.

– Уфа: Гилем, 2006. – С. 67-75.

5. Газизов, Х.Ш. Исследование НДС матриц для штамповки сложнопрофильных осесимметричных деталей / Газизов Х.Ш., Валиев Р.Ш., Ермоленко А.Н. // Мавлютовские чтения: всероссийская конференция – Уфа: Изд-е УГАТУ, – 2006. – Т.3. – С. 300-305.

6. Жернаков, В.С. Влияние материала на характер деформирования образцов квадратного сечения при РКУП / Жернаков В.С, Ермоленко А.Н. // Мавлютовские чтения: всероссийская конференция – Уфа: Изд-е УГАТУ, – 2006. – Т.3. – С. 72-78.

7. Жернаков, В.С. Влияние многопроходной схемы деформирования на НДС образцов квадратного сечения при РКУП / Жернаков В.С, Ермоленко А.Н. // Проблемы машиноведения и критических технологий в машиностроительном комплексе Республики Башкортостан, 8 декабря 2006г.:

сборник научных трудов – Уфа: Изд-е УГАТУ, – 2006. – С. 24-28.

8. Жернаков, В.С. Влияние масштабного фактора на получение объемных наноструктурных материалов, полученных РКУП / Жернаков В.С, Ермоленко А.Н. // Объемные наноструктурные материалы 2007: от науки к инновациям (BNM 2007), 14-18 августа 2007г.: материалы международной научно-практической конференции – Уфа: Изд-е УГАТУ, – 2007. – С. 298.

9. Жернаков, В.С. Зависимость усталостной прочности от статической прочности и пластичности объемных наноматериалов / Жернаков В.С., Семенова И.П., Ермоленко А.Н. // Проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий: сборник научных трудов – Уфа: Гилем, 2008. – С. 6-10.

ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ

УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ

Специальность 01.02.06 – «Динамика, прочность машин,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени Подписано к печати.06.2009. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ