Научная статья на тему 'Consolidation model of powder magnetic materials'

Consolidation model of powder magnetic materials Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
89
47
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
POWDER / MAGNETIC MATERIALS / MATHEMATICAL MODEL / DIE / DENSITY / VELOCITY / EQUATION OF MOTION / ПОРОШОК / МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ПРЕСС-ФОРМА / ПЛОТНОСТЬ / СКОРОСТЬ / УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Barkov L.A., Samodurova M.N., Latfulina Yu.S.

Known models of deformation processes of powder materials in a die compaction are based on a decision of partial differential equilibrium equations. This paper presents the mathematical model of the die powder compaction process which is based on the decision of partial differential equations of motion. The equations for an elastic-plastic isotropic powder hardening material are used as rheological ones. A quasi-continuous powder medium has an irreversible volumetric and shear deformation. Numerical calculations of the die compaction are fulfilled for ferrite, Sm-Co, Nd-Fe-B magnets using Lagrange’s method by means of the difference scheme of continuous calculation of Wilkins’ type. Boundary conditions are assigned by a friction low on lateral surfaces of the die. Pressed articles have the form of rings.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Consolidation model of powder magnetic materials»

Порошковая металлургия, композиционные материалы и покрытия

DOI: 10.14529/met180106

CONSOLIDATION MODEL OF POWDER MAGNETIC MATERIALS

L.A. Barkov, barkovla@susu.ru,

M.N. Samodurova, samodurovamn@susu.ru,

Yu.S. Latfulina, latfulina174@gmail.com

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

Known models of deformation processes of powder materials in a die compaction are based on a decision of partial differential equilibrium equations. This paper presents the mathematical model of the die powder compaction process which is based on the decision of partial differential equations of motion. The equations for an elastic-plastic isotropic powder hardening material are used as rheo-logical ones. A quasi-continuous powder medium has an irreversible volumetric and shear deformation. Numerical calculations of the die compaction are fulfilled for ferrite, Sm-Co, Nd-Fe-B magnets using Lagrange's method by means of the difference scheme of continuous calculation of Wilkins' type. Boundary conditions are assigned by a friction low on lateral surfaces of the die. Pressed articles have the form of rings.

Keywords: powder, magnetic materials, mathematical model, die, density, velocity, equation o] motion.

Introduction

There are two basic approaches when modelling powder materials behavior under dynamic loadings. The first, heterogeneous one, considers the porous material to be the mixture of a compressible solid phase with a gas phase, the behavior of the material being modelled with interpenetrating and interacting continuums [1].

The second approach is based on representation of the multi-phase material as a quasiconti-nuum possessing joint integral properties of constituting phases [2-5]. In the case of negligible inertia effects the models of powder material compactness depend on the solutions of approximate differential equations of equilibrium.

The proposed models of die pressing powder magnetic materials are based on the solutions of differential equations of motion of a quasiiso-tropic compressible, elastic-plastic, hardening quasicontinuum with the ability to change both its form and volume.

Main equations

Let us consider the mathematical model of one-side pressing of powder magnetic materials in the form of hollow cylinder with radius R and height H. We will have a cylindrical coordinate

system (r, 9, z) and the following notations: p - density, t - time, v - flow velocity vector, S - stress deviator. In the case of axial symmetry flowing when vQ = 0, the initial values will not depend on 9.

Taking into account the above assumption the main equations of the model for the plane r, z can be written as

- equation of motion

p dvr = dSrr + dSrz + Srr-See + da dt dr dz r dr '

(1)

p dvz = dSrz + dSzz + Srz + do dt dr dz r dz '

- equation of deformation continuity

1 dp + dvL + dv^ = _ Vr (2)

p dt dr dz r '

The components of the flow velocity vector are defined from equations

dr dz

- = Vr, — = V7. (3)

dt dt v '

Differentiation with respect to time of equations (1)-(3) is carried out following the trajectory of motion of a material particle.

Physical equations characterizing the elastic-plastic flow are chosen as rheological ones closing the system of equations. For elastic deformation these equations become:

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.

2018, vol. 18, no. 1, pp. 48-51

Барков Л.А., Самодурова М.Н., Латфулина Ю.С.

Модель уплотнения порошковых магнитных материалов

dSrr _ 2n(dVr + — ^ dt ^Vdr Зр dt J'

dszz _ 2u(dVz I 1 dt ^Vdz 3p dt/'

dt ^Vr 3p dt/' äSrz _ 2l fdvr + dvz\ dt 2lVâz dr)'

(4)

do _ K dp

dt p dt'

where K and ^ are modules of three-dimensional compression and shear respectively; o is the average normal stress.

Equations (1)-(4) allow to consider the stressed-deformed state of the material relative to the current location of points, i.e. with deformation and stress increment parameters where derivatives of stress tensor components with respect to time are understood in terms of Yauman.

In the general case the condition of plasticity is

F(r, o, Os, ai, ..., an) = 0, (5)

where

T _

Srr + Szz + Sqq + 2Srz

is the intensity of tangent stress; os is the yield limit of solid-phase material; ai are hardening parameters.

Mathematic model and results

The mathematic model has been derived and implemented for one-side die pressing of powder magnetic materials such as barium ferrites, Sm-Co and Nd-Fe-B intermetallides by the punch acting with the applied force P.

Fig. 1 shows the results of calculations when determining the field of density distribution in Nd-Fe-B material after its die pressing.

The formulation of mathematic problem reduced to finding the solutions of the differential equations (1)-(5) which must satisfy the following initial and boundary conditions:

- if t = 0, then p = po, Srr = See = Szz = SrZ = 0, o = 0, vr = vz= 0;

- if t > 0, then the normal stress oZZ = -p0 is given for the working surface of the punch and the condition of adherence is assumed; the tangent stresses are given for the side surface of the die and the condition of nonpenetration is specified; for the bottom die surface the condition of adherence is assigned.

The solution of the problem stated is carried out with the difference scheme of continuous calculation like the Wilkins' one [6]. The condition of plasticity (5) can be written as follows

^r2+/1(p)a2_(/2(p)/3(^)as)2'

(6)

Fig. 1. Field of density distribution in Nd-Fe-B material after its pressing under po = 8 t/cm2, po = 2,76 g/cm3

where p is relative density,

/1(p) = 61(1-p)ni,

/2(P) = P"2,

/3© = + L

Friction forces acting on the side surfaces of the die have been specified in the form of friction law t = fp. The coefficients b1, b2, n1, n2 and n3 have been calculated from the experiments.

Conclusion

In this paper the process of pressing powder magnetic materials such as barium ferrites, Sm-Co and Nd-Fe-B intermetallides has been described by mathematic model basing on differential equations of motion of the compressible quasicontinuum, subjected to irreversible three-dimensional and shear deformations. The equations characterizing elastic-plastic, quasiisotropic, porous, hardening material were used as rheolog-ical ones. Numerical realization of the problem of die pressing powder magnetic materials into the form of hollow cylinders has been carried out with the help of difference scheme of continuous calculation as a Wilkins' one.

References

1. Nikolaevskiy V.N., Basniev K.S., Gor-bunov A.T., Zotov G.A. Mekhanika nasyshchen-nykh poristykh sred [Saturated Porous Material Mechanics]. Moscow, Nedra Publ., 1970. 339 p.

2. Lyakhov G.M. Volny v gruntakh i poristykh mnogokomponentnykh sredakh [Waves in

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2018. Т. 18, № 1. С. 48-51

Порошковая металлургия, композиционные материалы.

Grounds and Porous Multi Component Mediums]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 286 p.

3. Shtern M.B., Serdyuk G.G., Maksimen-ko L.A. et al. Fenomenologicheskie teorii presso-vaniya poroshkov [Phenomenological Theories of Pressing Powders]. Kiev, Naukova Dumka, 1982. 139 p.

4. Shima S., Oyane M. Plasticity theory for porous metals. International Journal of Mechanical Sciences, 1976, vol. 18, iss. 6, pp. 285-291. DOI: 10.1016/0020-7403(76)90030-8

5. Sokolov L.N., Laptev D.N., Malyuskiy V.L.

[Theory of Plasticity of Porous Bodies and Its Application to Calculations of Hydrostatic Treatment of Powders and Sintered Materials]. Fizika i tekhnika vysokikh davleniy [Physics and Engineering for High Pressures], 1983, iss. 11, pp. 38-41.

6. Wilkins M.L. Calculations of Elastic-Plastic Flow. Methods in Computational Physics. Vol. 3. Numerical Methods in Hydrodynamics. Alder B., Fernbach S., Rotenberg M. (Eds.). New York and London, Academic Press, 1964, pp.211-264.

Received 5 December 2017

УДК 621.762 DOI: 10.14529/met180106

МОДЕЛЬ УПЛОТНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Л.А. Барков, М.Н. Самодурова, Ю.С. Латфулина

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия

Известные модели процессов деформации порошковых материалов при уплотнении в пресс-форме основаны на решении уравнений с частными дифференциальными уравнениями. В настоящей работе представлена математическая модель процесса уплотнения порошка, основанная на решении уравнений с частными производными движения. Уравнения для эластично-пластического изотропного порошкового упрочняющегося материала используются в качестве реологических. Квазинепрерывная порошковая среда имеет необратимую объемную и сдвиговую деформацию. Численные расчеты уплотнения в пресс-форме выполняются для ферритов, Sm-Co, Nd-Fe-B магнитов с использованием метода Лагранжа с помощью разностной схемы непрерывного вычисления типа Уилкинса. Граничные условия задаются минимумом трения на боковых поверхностях матрицы. Спрессованные изделия имеют форму колец.

Ключевые слова: порошок, магнитные материалы, математическая модель, пресс-форма, плотность, скорость, уравнение движения.

Литература

1. Механика насыщенных пористых сред / В.Н. Николаевский, К.С. Басниев, А.Т. Горбунов, Г.А. Зотов. -М. : Недра, 1970. - 339 с.

2. Ляхов, Г.М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах / Г.М. Ляхов. - М.: Наука, 1982. - 286 с.

3. Феноменологические теории прессования порошков / М.Б. Штерн, Г.Г. Сердюк, Л.А. Мак-сименко и др. - Киев: Наукова думка, 1982. - 139 с.

4. Shima, S. Plasticity theory for porous metals / S. Shima, M. Oyane // International Journal o] Mechanical Sciences. -1976. - Vol. 18, iss. 6. - P. 285-291. DOI: 10.1016/0020-7403(76)90030-8

5. Соколов, Л.Н. Теория пластичности пористых тел и ее применение для расчетов гидростатической обработки порошков и спеченных материалов / Л.Н. Соколов, Д.Н. Лаптев, В.Л. Малюский // Физика и техника высоких давлений. - 1983. - Вып. 11. - С. 38-41.

6. Уилкинс, М.Л. Расчёт упруго-пластических течений: пер. с англ. /М.Л. Уилкинс // Вычислительные методы в гидродинамике / под ред. Б. Олдера, С. Фернбаха, М. Ротенберга. - М. : Мир, 1967. - С. 212-263.

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.

2018, vol. 18, no. 1, pp. 48-51

Барков Л.А., Самодурова М.Н., Латфулина Ю.С.

Модель уплотнения порошковых магнитных материалов

Барков Леонид Андреевич, д-р техн. наук, профессор, заместитель по научной работе руководителя Ресурсного центра специальной металлургии, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; barkovla@susu.ru.

Самодурова Марина Николаевна, канд. техн. наук, доцент кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, руководитель Ресурсного центра специальной металлургии, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; samodurovamn@susu.ru.

Латфулина Юлия Сергеевна, инженер-исследователь Ресурсного центра специальной металлургии, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; latfulina174@gmail.com.

Поступила в редакцию 5 декабря 2017 г.

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Barkov, L.A. Consolidation Model of Powder Magnetic Materials / L.A. Barkov, M.N. Samodurova, Yu.S. Lat-fulina // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». -2018. - Т. 18, № 1. - С. 48-51. DOI: 10.14529/met180106

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Barkov L.A., Samodurova M.N., Latfulina Yu.S. Consolidation Model of Powder Magnetic Materials. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2018, vol. 18, no. 1, pp. 48-51. DOI: 10.14529/met180106

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2018. Т. 18, № 1. С. 48-51

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.