Прочность деталей из объемных наноматериалов, полученных при равноканальном угловом прессовании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Ермоленко, Анатолий Николаевич

• Ермоленко, Анатолий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермоленко, Анатолий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ (РКУП).

1.1 Деформация РКУП.

1.2 Модельные представления больших пластических деформаций.

1.3 Подходы к численному математическому моделированию процесса РКУП.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ РКУП.

2.1 Структура программной реализации методики расчетного комплекса Deform-3D.

2.2 Основные уравнения и метод решения.

2.3 Тестирование.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛАХ, ПОЛУЧЕННЫХ РКУП.

3.1 Особенности расчетов при 3D моделировании.

3.2 Выбор модели материала.

3.3 Выбор расчетной схемы. Влияние маршрута РКУП, размеров заготовки, параметров канала, материала.

3.4 Влияние размера счетной ячейки в расчетах НДС образцов при 3D моделировании.

3.5 Влияние конструктивно-технологических факторов на распределение пластических деформаций.

4. АНАЛИЗ НДС ЗАГОТОВОК ПРИ ОДНОМ И БОЛЕЕ ПРОХОДОВ ПРОЦЕССА РКУП.

4.1 Построение физической модели процесса.

4.1.1 Влияние материала.

4.1.2 Влияние трения.

4.2 Моделирование первого прохода РКУП.

4.2.1 Анализ деформирования образцов квадратного поперечного сечения при РКУП.

4.2.2 Анализ деформирования образцов круглого поперечного сечения при РКУП. .;.

4.2.3 Анализ деформирования образцов с учетом масштабного фактора.

4.2.3 Анализ НДС при углах пересечения каналов не равных 90°.

4.3 Моделирование процесса РКУП для двух и более проходов.

4.4 Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов исследований.

4.5 Оптимальные параметры оснастки при РКУП.

4.6. Расчет теоретических коэффициентов концентрации упругих напряжений в деталях.

5. Исследование усталостных характеристик материала в крупнозернистом и на неструктурном состояниях.

5.1. Влияние поверхностно пластической деформации на величину коэффициента концентрации напряжений.

5.2 Исследование малоцикловой усталости резьбовых деталей.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность деталей из объемных наноматериалов, полученных при равноканальном угловом прессовании»

Актуальность проблемы. 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 многопроходное™ 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. 1

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 i 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 620%, 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 (д=0,33-Ю,53) в сравнении с обычным крупнозернистым (КЗ) аналогом (^=0,24^-0,39). 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 наномате-риалов, что, в свою очередь, позволило определить рациональные силовые и конструктивные параметры оснастки для РКУП, используемой в УГАТУ.

Результаты моделирования процесса получения объемных нанострук-турных 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.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Ермоленко, Анатолий Николаевич

выводы

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 фактос ров, 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 (Авг=1,15).

Для получения максимально возможного равномерного распределения накопленных пластических деформаций по объему заготовки с учетом масштабного фактора при многократном деформировании заготовок круглого и с 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 ат от 3,3 до 4,4 повышается эффективный коэффициент концентрации напряжений Ка=1,9+2,11 и коэффициент чувствительности к надрезу <7=0,39*0,53. При этом УМЗ титан имеет повышенную чувствительность к надрезу по сравнению с обычным крупнозернистым аналогом (<7=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. с

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермоленко, Анатолий Николаевич, 2009 год

1. Валиев, Р. 3. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. / Валиев Р. 3., Александров И. В. // М.: Логос, 2000. - 272 е.: ил. 1.BN 5-88439-135-8

2. Валиев, Р.З. О физической ширине межкристаллитных границ. / Валиев Р. 3., Мулюков Р. Р., Овчинников В. В. Шабашов В. А., Архи-пенко А. Ю., Сафаров И. М.//Металлофизика 1990, Т.12(5), с.124-127.

3. Владимиров, В.И. Дисклинации в кристаллах. / Владимиров В.И., Романов А.Е. // Л.:Наука 1986. - 224 с.

4. Владимиров, В.И. Физическая теория пластичности и прочности. -Л.: Изд. ЛПИ.-1973.-Ч. 1.-120с; 1975.-Ч.2.-152 с.

5. Воробьев, А. 3. Сопротивление усталости элементов конструкций. / А. 3. Воробьев, Б. И. Олькин, В. Н. Стебнев и др. // М.: Машиностроение, 1990, 240 с.

6. Газизов, Х.Ш. Исследование НДС матриц для штамповки сложно-профильных осесимметричных деталей / Газизов Х.Ш., Валиев Р.Ш., Ермоленко А.Н. // «Всероссийская конференция «Мавлютовские чтения» Уфа: Изд-е УГАТУ, - 2006. - Т.З. - С. 300-305.

7. Глушак, Б. Л. Исследование прочности материалов при динамических нагрузках. / Глушак Б.Л., Куропатенко В.Ф., Новиков С.А. // Новосибирск: Наука. 1992. - 295 с.

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

9. Жернаков, В. С. Ресурс и надежность резьбовых соединений. / В. С. Жернаков, Е. Н. Петров, Р. Г. Якупов. // М.: Машиностроение, 2003, -292 с.

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

11. Жернаков, B.C. Влияние напряженно-деформированного состояния деталей из объемных наноматериалов на усталостную прочность / Жернаков B.C., Семенова И.П., Ермоленко А.Н. // Вестник УГАТУ. -2009. Т.12, № 1 (30). - С. 76-82.

12. Жернаков, B.C. Влияние материала на характер деформирования образцов квадратного сечения при РКУП / Жернаков В.С, Ермоленко А.Н. // «Всероссийская конференция «Мавлютовские чтения» Уфа: Изд-е УГАТУ, - 2006. - Т.З. - С. 72-78.

13. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / М.: Мир, 1975 -542 С.19. 9 Ишлинский, А.Ю. Математическая теория пластичности. / Ишлин-ский А.Ю., Ивлев Д.Д. // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001, 2003 704с. - ISBN 5-9221-0141-2.

14. Качанов, JI. М. Основы теории пластичности. / М.: ФИЗМАТЛИТ, 1969-420с.

15. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика (Том 7. Теория упругости) // Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. -М.: Наука, 1987. -287с.

16. Ларин, С. А. Влияние роста зерен на деформационное упрочнение сверхпластичных сплавов. / Ларин С. А., Перевезенцев В. Н., Чувиль-деев В. Н.//ФММ, N1, 1990. - с.180-188.

17. Мавлютов, Р. Р. Концентрация напряжений в элементах конструкций. / М.: Наука, 1996. - 240с.

18. Малинин, Н. Н. прикладная теория пластичности и ползучести / М.: Машиностроение, 1975 400 С.

19. Низовцев, П. Н. Макромоделирование равноканального углового прессования технически чистой меди. / Низовцев П.Н., Смоляков

20. А.А., Соловьев В.П., Коршунов А.И. Труды РФЯЦ ВНИИЭФ, выпуск 9, 2005. С. 56-63.

21. Перевезенцев, В. Н. Роль мезодефектов и эволюции структуры, пластическом течении и разрушении сверхпластичных сплавов и керамик. / Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. // Вопросы Материаловедения — №4(32), 2002, С.113-122.

22. Перевезенцев, В.Н. Современные представления о природе структурной сверхпластичности / Вопросы теории дефектов в кристаллах. Л.: Наука, 1987.-176с.

23. Поздеев, А. А. Большие упругопластические деформации: теория алгоритмы, приложения. / Поздеев А.А., Трусов П.В., Няшин Ю.И. // М.: Наука, 1986.

24. Рубцов, А. С. Структурные особенности пластической деформации на стадии локализации течения. / Рубцов А.С., Рыбин В. В. // ФММ, 1977, Т.44, С. 611-622.

25. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М: Металлургия, 1986, 224 с.

26. Серенсен, С. В. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. / Серенсен С.В., Кога-ев В.П., Шнейдерович P.M. // М.: Машиностроение, 1975. 488с.

27. Трощенко, В. Т. Прочность металлов при переменных нагрузках / Киев: Наук, думка, 1978 176 С.

28. Уравнения теории термовязкопластичности с комбинированным упрочнением. Уравнения состояния при малоцикловом нагружении. под ред. Коротких Ю.Г., Угодчиков А.Г. М.:Наука, 1981.

29. Филин, А. П. Прикладная механика твердого деформируемого тела / М.: Наука, Т. 1, 1975-832 С. '

30. Alexandrov, I. V. Simulations of the ECAE Pressing / I. V. Alexandrov, I. N. Budilov, G. Krai lies, H. S. Kim, S. C. Yoon, A. A. Smolyakov, A. I.39