CC BY
7
ЭНЕРГИЯ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПРИ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ Чемезов Денис Александрович
магистр техники и технологий, член-корреспондент Международной Академии теоретических и прикладных наук (США, Швеция, Казахстан),
преподаватель Тюрина Светлана Ивановна, преподаватель Владимирский индустриальный колледж, г. Владимир, Россия
В статье представлено теоретическое и математическое описание зависимостей энергий пластической деформации образца из титанового сплава ВТ6 круглого поперечного сечения от времени процесса при равноканальном прессовании под углом 90°.
Титан и титановые сплавы, обладая высокими прочностными характеристиками и антикоррозионными свойствами, применяются для изготовления ответственных деталей технологического оборудования в различных областях: от химического производства до ракетостроения.
Подвергая заготовки из титанового сплава пластическому деформированию можно получать структуру материала, отличительную от исходной структуры. Одним из прогрессивных методов получения мелкозернистой структуры сплава является равноканальное угловое прессование (РКУП). Метод заключается в продавливании образца, имеющего круглое или квадратное поперечное сечение, через два канала одинакового диаметра (допускается изготавливать выходной канал с занижением диаметра на 1 мм) расположенных по следующим схемам (угол пересечения каналов): под 90°; под 90° с радиусом закругления в месте пересечения; более 90°.
Процесс деформации образца, т. е. изменения формы, сопровождается возникновением в напряженном материале потенциальной энергии. Трактовка механизма пластической деформации материалов представлена в работе Губер-Генке-Мизес [1]. Пластическая деформация материала всегда возникает только после упругой деформации. Упругая деформация в материале происходит в трех направлениях 8], 82, 83 и определяется по закону Гука [2]. Полная потенциальная энергия упругой деформации материала А с учетом модуля Юнга Е, коэффициента Пуассона г, и главных нормальных напряжений а], о2„ о3 состоит из двух потенциальных энергий - энер-
] -
гии, направленной на изменение объема А0 = 6Е (а]+а2+а3)2 и энергии,
1 + 2 —-2о"ф
направленной на изменение формы АФ = 6Е (где аф = а] при линейной схеме деформации).
Энергетическое условие пластичности (1) выражается путем приравнивания уравнений
(О! - 02)2+(02 - 03)2+(03 - о) = = C°nSt (1)
Целью исследования являлось определение энергетического условия пластичности титанового сплава ВТ6 в результате интенсивной пластической деформации методом РКУП используя программную среду моделирования явной динамики физических процессов LS-DYNA.
Для реализации эксперимента была построена твердотельная объемная модель образца и заданы физико-механические свойства титанового сплава
5 3
ВТ6: E = 1,1 х 10 МПа; плотность р = 4540 кг/м ; ц = 0,3; предел текучести sT = 280 МПа.
По условию задачи модель образца перемещается из приемного канала в выходной канал модели матрицы. Матрица принята жестким телом, поэтому деформации каналов в расчете не учитывались. Диаметры приемного и выходного каналов матрицы - 25 мм, угол пересечения каналов - 90°. Длина исходной модели образца 50 мм, длина каждого канала - 120 мм. Принятое давление на прессуемый образец 50 МПа, коэффициент трения - 0,68. Образец деформировался в холодном состоянии. Установленное время имитационного моделирования процесса прессования образца - 16 мс.
Результаты моделирования представлены зависимостями кинетической энергии (рис. 1), внутренней энергии (рис. 2), перемещения пуансона (рис. 3), энергии «Hourglass» (рис. 4), отношений энергий (рис. 5) и работы сил трения (рис. 6) от времени процесса прессования образца из титанового сплава.
Время, с
Рисунок 1 - Зависимость кинетической энергии деформации образца от
времени процесса
Кинетическая энергия деформации пропорциональна массе и квадрату скорости перемещения образца. Так как масса и скорость перемещения образца малы (масса порядка сотен грамм, скорость порядка мм/с), то кинетическая энергия процесса деформации на много меньше и
внутренней и внешней энергий, поэтому при расчетах ею можно пренебречь.
0.015
Время, с
Рисунок 2 - Зависимость внутренней энергии деформации образца от
времени процесса
При постоянном объёме, внутренняя энергия процесса РКУП равна энергии деформации формы и равна скалярному произведению напряжения на деформацию по осям X, У и 2.
Поскольку кинетическая энергия и работа сил трения на много меньше внешней и полной энергий деформации образца, то зависимости внешней и полной энергий будут идентичны зависимости внутренней энергии от времени процесса.
5-
! 4-
а
я
о
о
Я з-0* >1 С о В
Я 2-о
в
о
2 (а
а. 1
0.005
0.01
0.015
Рисунок 3 - Зависимость перемещения пуансона от времени процесса
Согласно графику, скорость перемещения пуансона в приемном канале матрицы не изменяется, т. к. зависимость линейная (и - скорость перемещения пуансона, мм/с; ? - время перемещения пуансона, с).
Работа внешних сил приравнивалась к работе активных сил Аа и работе сил трения: АвНеШ. = Аф = Аа - Afr..
Работа активных сил равна произведению постоянного давления Р на перемещение пуансона. Таким образом, можно найти давление пуансона, действующее на образец
р=1
h (АФ+А/Г), (2)
где h - перемещение пуансона в приемном канале матрицы за весь временной диапазон, h = 4,5 мм; Аф = 0,105 х 106 Дж; А/г = 630 Дж.
Р = — х 103
45 (0,105 х 106 + 630) = 23,1х106 Па = 23,1 МПа. В моделируемом процессе, давление пуансона принималось величиной 50 МПа. С учетом расчетного значения, это давление можно уменьшить примерно в два раза, что существенно уменьшает энергетические затраты процесса прессования.
Зависимость энергии «Hourglass» от времени показывает искажения полной энергии процесса прессования образца. В соответствии с графиком, энергетические искажения в исследуемом процессе
минимальные.
200
3
S X
X и S
h э о
я
к
S
X
л
150
100
50
- у
- У / /
- 1
0.005
0.01
0.015
Время, с
Рисунок 4 - Зависимость энергии «Hourglass» (искажение) от времени
процесса
В начальный момент времени, внешняя энергия деформации равна внутренней. В результате приложения усилия на образец (1 участок), внешняя энергия больше внутренней, на 2 участке - внутренняя энергия возрастает и становится больше внешней за очень короткий промежуток времени прессования. Выравнивание энергий наблюдается на 3 участке. На 4 участке - значения внешней и внутренней энергий практически одинаковы. На 5 участке - внутренняя энергия преобладает над внешней, что соответствует процессу пластической деформации образца.
1.002
а.
а> В п а> В В в
э
о
в
н О
0.999
0.998
0.015
Рисунок 5 - Зависимость отношений энергий от времени процесса
Так как прессуемый образец упрочняется, то интенсивность напряжения равна интенсивности деформации. Тогда определение значения силы трения расчетным методом затруднительно. Характер изменения работы сил трения процесса прессования образца описывается возрастающими (убывающими) нелинейными функциями на всем временном диапазоне. Наибольшая величина работы сил трения отмечена на 15 мс процесса РКУП.
700
600-
>1
к
в в
500
ч 8
« 200 а н о
Ю 100
■100
0 005
0.Й1
0 015
Рисунок 6 - Зависимость работы сил трения деформации от времени
процесса
Выполнена проверка энергетического условия пластичности в контрольной точке А на 16 мс процесса РКУП образца из титанового сплава, путем подстановки в левую и правую части равенства (1) значений напряжений действующих на плоскостях ХУ, У2 и 2Х(рис. 7) ош = 90,5 МПа; о2У2 = -4 МПа; а32Х = -0,9 МПа.
(90,5 - (-4))2 + (-4 - (-0,9))2 + (-0,9 - 90,5)2 = 17308,22 МПа;
2 х 90,52 = 16380,5 МПа. Расхождение в результатах составило 5,5%, т. е. энергетическое условие пластичности процесса прессования выполняется на 94,5%.
г
t а
в
ч
100- 1 /
а / /
1 1
1 1 А - / -
1- Г. j/hp \ \
1 \1
-
V
i/. ■ м 1S
/1
У М
л
А /1 1
^/ЧЬу^ л . -V--1 "
Рисунок 6 - Характер изменения напряжения материала
деформируемого образца на плоскостях от времени процесса РКУП (A, B, C - конечное расположение контрольных точек на деформированном
образце)
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. С учетом расчетного значения, определено оптимальное давление пуансона на прессуемый образец.
2. Энергетическое условие пластичности выполняется на 94,5%, а это значит, что достоверность полученных результатов высокая.
Список литературы
1. Критерии пластичности [Электронный ресурс] URL: http://mysopromat.rU/uchebnye_kursy/istoriya_soprotivleniya_materialov/teorii_prochnosti/k riterii_plastichnosti/ (дата доступа: 09.04.2015).
2. Горшков А. Г., Старовойтов Э. И., Тарлаковский Д. В. Теория упругости и пластичности: Учеб. для вузов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - С. 43 - 45.
