МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI 10.36622/^Ти.2021.17.3.022 УДК 669.66-96:539.214

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Ю.А. Цеханов1, М.Н. Подоприхин1, И.В. Шепеленко2, Я.Б. Немировский2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Центральноукраинский национальный технический университет, г. Кропивницкий, Украина

Аннотация: предложен метод определения пластичности малопластичных материалов. Он заключается в осевом сжатии цилиндрического образца, состоящего из нескольких сопряженных втулок из разных материалов: из исследуемого малопластичного и из высокопластичных. При деформировании в исследуемой втулке создается высокое гидростатическое давление, повышающее ее пластичность и деформируемость. Разработана теоретическая модель сжатия такого составного образца, позволяющая экспериментально достигать пластического разрушения хрупкого материала при высоком гидростатическом давлении. Это достигается как выбором пластичного материала, так и положением втулки из малопластичного материала по отношению к втулкам из высокопластичных материалов. Точность предложенного метода подтверждена сравнением результатов расчетов как по модели, так и с помощью метода конечных элементов. Расчеты, выполненные по разработанной модели, позволяют определять параметры напряженно-деформированного состояния образца из исследуемого малопластичного материала, а также его накопленную до разрушения деформацию при различных отрицательных значениях коэффициента жесткости. Разработанный метод использован для определения пластичности чугуна СЧ20, из которого изготавливаются гильзы двигателей, обрабатываемых с помощью деформирующего протягивания, когда в контактной зоне с инструментов возникают большие гидростатические давления и пластические деформации. В этом случае для оценки качества обработки необходимо рассчитывать ресурс использованной пластичности с помощью диаграммы пластичности чугуна. В экспериментах достигнуты значительные деформации хрупкого чугуна. Полученные результаты позволили построить диаграмму пластичности чугуна в области высокого гидростатического сжатия

Ключевые слова: теоретическая модель, напряженно-деформированное состояние, чугун, пластичность, деформа-

ция

Введение

Актуальность исследований

Наметившиеся тенденции в производстве и эксплуатации машин и механизмов направлены на существенное улучшение их эксплуатационных свойств, прежде всего за счет повышения качества рабочих поверхностей деталей [1]. В соответствии с современными представлениями качество поверхностного слоя - комплексное понятие, определяемое совокупностью геометрических характеристик и физико-химических свойств как результат технологического воздействия на данную поверхность.

Качество поверхностного слоя достигается на стадии получения заготовок при их дальнейшей обработке и зависит, прежде всего, от технологического метода обработки поверхности, обеспечивающего получение оптимальной шероховатости в зоне контактирования и необходимых физико-механических свойств рабочих поверхностей детали [2].

© Цеханов Ю.А., Подоприхин М.Н., Шепеленко И.В.. Немировский Я.Б., 2021

В настоящее время, кроме вышеперечисленных параметров, для оценки качества обработанной детали используют параметр, характеризующий способность материала деформироваться без разрушения или значительного накопления внутренних дефектов, - пластичность [3, 7]. Следует отметить, что при обработке деталей первыми браковочными признаками являются микротрещины, возникающие из-за исчерпания материалом заготовки своего ресурса пластичности. С этой точки зрения особенно важной задачей технолога является разработка расчетных схем и методик, позволяющих оценить как величину использованной, так и остаточной пластичности обрабатываемого материала, тем самым прогнозировать и обеспечивать технологическими методами этот параметр качества обработки. Следовательно, исследования пластичности как одной из важных характеристик качества обработанной детали и ее работоспособности являются актуальными и своевременными.

Как известно [1, 2], возможности пластического формоизменения металлов ограничены

их разрушением. Особенно этот вопрос актуален при обработке изделий из малопластичных материалов, к которым относятся детали из чугуна [13]. Например, при деформирующем протягивании отверстий в чугунных гильзах двигателей. При этом особенно важным становится изучение показателей пластичности такого конструкционного материала, как графитсо-держащий чугун, возможности пластического формоизменения которого ограничены разрушением.

Для этого используется такой параметр качества, характеризующий дефектность поверхностного слоя, как ресурс использованной пластичности ^[1, 3, 4].

Обзор литературы

Пластичность металла зависит от ряда факторов, среди которых, кроме природы самого материала, наиболее важными являются термомеханические параметры процесса обработки: вид напряженного состояния, температура, скорость деформирования, история деформирования и др. [4, 6]. Зависимость пластичности от вида напряженного состояния характеризуется диаграммой пластичности, являющейся механической характеристикой материала [5]. Диаграмму пластичности представляют в координатах: «коэффициент жесткости напряженного состояния п - накопленная до разрушения деформация ео»

Обычно для пластичных материалов при построении диаграммы пластичности используют результаты испытаний материала на растяжение, сжатие, изгиб и кручение [6]. В работе [7] помимо указанных испытаний производили растяжение образца с выточкой, растяжение с наложением гидростатического давления, выдавливание образцов жидкостью высокого давления. Следует отметить, что практически все исследования касались обработки пластичных материалов для случаев п> 0 и только в некоторых случаях программа испытаний обеспечивала 0>п>-1 [8].

В то же время для малопластичных материалов этот вопрос изучен недостаточно. Последнее связано с тем, что обработка изделий из малопластичных материалов холодным пластическим деформированием традиционно считалась неосуществимой. Однако данные ряда работ [9, 10] указывают на возможность и перспективность исследования в этом направлении. В [9] показано, что при деформирующем

протягивании с малыми натягами, в том числе и чугунных заготовок [13], в зоне контакта возникает сильное объемное сжатие, которое повышает пластичность чугуна, что обеспечивает его большие пластические деформации. Научная основа для пластической обработки малопластичных материалов сформулирована в работе [11], где указано, что при создании определенных условий (близких к всестороннему сжатию) даже хрупкие материалы могут вести себя как пластичные, то есть иметь определенные остаточные деформации.

В работе [12] экспериментально показано, что при совместном сжатии пластичного и малопластичного материалов появляются возможности влиять на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС), а также на гидростатическое давление и показатели жесткости напряжённого состояния. Следовательно, возникает необходимость в разработке теоретической модели деформирования составного образца в комбинации материалов «малопластичный - пластичный».

Вышеприведенные данные указывают на возможность применения пластической деформации изделий из чугуна СЧ20, например, гильз двигателей внутреннего сгорания. Но для расчета технологических параметров, обеспечивающих качество изделия по параметрам использованной и остаточной пластичности, необходимо построить диаграмму пластичности для этого материала.

Для построения диаграммы пластичности следует выполнить механические испытания исследуемых материалов в условиях простого нагружения и деформирования, когда напряжения и деформации изменяются пропорционально одному параметру. Для такого малопластичного материала как чугун испытания на одноосное и двухосное растяжения показали практически полное отсутствие пластической деформации, при этом имело место хрупкое разрушение образцов [13]. В то же время при испытаниях на кручение и на сжатие, где показатель напряженного состояния соответственно п = 0 и п = -1, была зафиксирована незначительная пластическая деформация (при одноосном сжатии до 12%). Данных о пластичности чугуна в условиях объемного сжатия в доступной литературе нет. Поэтому определение пластичности такого малопластичного материала как чугун СЧ20 в условиях высоких гидростатических давлений является актуальной научной и технологической проблемой.

Целью представленной работы является разработка метода определения пластичности малопластичных материалов и исследование пластичности чугуна СЧ20 в условиях высокого объемного сжатия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать метод получения значительных деформаций малопластичных материалов. Для этого следует разработать теоретическую модель испытаний образца из малопластичного материла, позволяющую учитывать влияние его конструктивных параметров и степень его деформирования на значения гидростатического давления и показателя жесткости напряженного состояния;

- выполнить экспериментальные исследования сжатия чугуна при различных отрицательных значениях показателя жесткости напряженного состояния образца;

- построить диаграмму пластичности чугуна СЧ20 в области высокого гидростатического давления.

Теоретическая модель сжатия цилиндрического образца

В работе [9] получено решение для деформированного состояния трубных заготовок в процессе их равномерной раздачи, когда их поперечные сечения остаются плоскими и осевые деформации неизменны вдоль оси г (рис. 1):

к

2

+ - ---

к

2

(1)

(2)

где к - относительная осевая деформация, постоянная по всему объему заготовки;

еф - окружная деформация в т. А с координатой г.

Интенсивность деформаций (накопленная деформация)

2

тт

Данное решение можно применить и к случаю осевого сжатия цилиндрического образца, заключенного по наружной поверхности в жесткую цилиндрическую обойму.

При этом, очевидно, на наружной поверхности образца при г=гн окружная деформация

ефн = 0 (3)

После преобразования получаем

к

е = — Ф 2

Г г V

-1

(4)

Поскольку е^к<0, то из условия несжимаемости получаем

е =- к Г Г,

2 I г

Подставляя (5) в выражение (2), находим

е0 = ■

(5)

(6)

Рис. 1. Расчетная схема

Напряженное состояние в сжимаемом образце определяем по известным в деформационной теории пластичности зависимостям [14]:

2 ег , ,

а =-—а (е0 )+а;

3 е0

ар = 1^0 (е0 ) + а; 3 е0

2 к ( ч

(7)

3 е0

где аг, стф, а2 - соответственно радиальное, окружное и осевое напряжения;

а - гидростатическое давление (среднее напряжение), определяемое как

аг .

3

(8)

а0 (е0) - интенсивность напряжений, зависящая для упрочняющегося материала от е0. Эта зависимость определяется экспериментально, а ее график называется кривая упрочнения или кривая течения.

Дополнительным уравнением является дифференциальное уравнение равновесия, которое в случае нашей осесимметричной задачи имеет вид:

^г + аг-аФ = 0

dг г С учетом (7) оно принимает вид:

2 е,

2 е„

-—а0 (е0)--—а0 (е0)

3 е

3 е„

(9)

(10)

г

Интегрируя (10) вдоль радиуса, получаем распределение радиального напряжения по тол-

2

2

г

еФ=| е

г

СТ

0

Ф

ч г у

щине стенки.

Величину гидростатического давления находим из (7):

- 2ег ( \

СТ — СТГ — — СТ0 (е0 ) 3 е0

(11)

и вычисляем напряжения стФ и ст2.

На внутренней поверхности образца при г=гв деформации равны

к

е--

ФВ 2

-1

е- - ^ 1

е 0в

щ

(, V

+ 3

(12)

(13)

(14)

Поскольку на свободной внутренней поверхности стГ=0, то на ней из (7)

ст ■

ст0 (е0в),

3е

(15)

а коэффициент жесткости напряженного состояния

е„;

.( е0)

(16)

Подставляя (5) и (6) в (16), можно вычислить п в любой точке А (рис. 1). В частности, на свободной внутренней поверхности

"Л — —2

|к

■ ——73-

+ 3

1

(17)

+ 3

Здесь в (17) знак минус поставлен с учетом того, что осевая деформация к<0.

В том случае, если образец составлен из нескольких цилиндров из разных материалов, то интегрирование уравнения (10) осуществляется от внутренней свободной поверхности последовательно для каждого слоя.

Разработанная модель деформации трубчатого образца позволила осуществить расчет НДС чугунного образца из СЧ20 при его сжатии в условиях стесненной окружной деформации на его наружной поверхности.

Экспериментально полученную кривую упрочнения чугуна СЧ20 [15] аппроксимировали зависимостью

ст0 — 952,42 • е°'167, МПа . (18)

В качестве примера изменение гидростатического давления и показателя жесткости напряженного состояния вдоль относительного радиуса образца ггв (т.е. для гв =1мм), рассчитанных по

разработанной модели для образца с гн/гв=3 в пределах 1 < г < 3 представлено на рис. 2.

Расчет гидростатического давления выполнялся по (10, 11), а коэффициента жесткости по (16).

б)

Рис. 2. Изменение гидростатического давления (а) и показателя жесткости напряженного состояния (б) в зависимости от относительного радиуса заготовки

сгг ег,еу,е0 7

0,5

0 -Ш 0 0 -2 -800 -Ш -0,5

-и -1200 -800 -1

-6 -1600 -1200 -1,5 -2000 -1600 -21

2

\1_

; 2 3 5

3

Ту £

5

Рис. 3. Зависимость деформации, напряжений, гидростатического давления, показателя жесткости напряженного состояния от радиуса г по расчетам, выполненным согласно разработанной модели: 1 - ег; 2 - е0; 3 - еф при гтп; 4 - Ог при Гтйп; 5 - Ог при Гтах, 6 - О при Гтт, 7 - О при Гтах, 8 - П при гтах

Максимальное значение гидростатического давления (более 1 ГПа, рис. 2, а) имеет место на внутренней поверхности образца, а минимальное - на наружной. Коэффициент жесткости напряженного состояния (рис. 2, б) изменяет свое значение по толщине стенки от -2 до п~ -5. Такое изменение указывает на возможность получения различных степеней объ-

2

Ч Гв V

к

н

Ч гв V

2

2

Г

Г

н

н

Г

Г

в

в

4

4

Г

Г

н

н

Г

Г

в

в

емного сжатия изменением толщины стенки образца.

Аналогичные расчеты выполнялись для образцов из чугуна СЧ20 с другими толщинами стенки: 1 < г < 2; 1 < г < 2,5; 1 < г < 5. Результаты расчетов, согласно указанным диапазонам, позволили установить влияние толщины стенки на параметры напряженно-деформированного состояния (рис. 3).

Полученные зависимости (рис. 3) свидетельствуют о том, что параметры ег, еф, е0, ог, о и г) изменяются практически пропорционально радиусу г. Это позволяет управлять этими параметрами, что особенно важно для экспериментального достижения необходимого значения показателя жесткости напряженного состояния

Моделирование сжатия цилиндрического

образца методом конечных элементов

Для оценки точности разработанной аналитической модели сжатие цилиндрического чугунного образца моделировали методом конечных элементов (МКЭ).

1. Методика моделирования

Моделирование осадки чугунных образцов в условиях стесненной окружной деформации по наружной поверхности выполнялось по схеме, представленной на рис. 4, с использованием программного комплекса БеРэгт-ЗБ.

1 - исследуемый образец; 2 - пуансон; 3 - матрица

Исследуемый образец 1 (рис. 4) в форме втулки высотою Н с внутренним круглым отверстием свободно размещался в отверстии матрицы 3, которая основанием жестко закреплена. Пуансону 2 задавалось равномерное перемещение. К образцу 1 через пуансон 2 прикладывалась осевая нагрузка Р. Максимальная степень осадки соответствовала полному закрытию внутреннего отверстия образца. Его начальные наружный и внутренний радиусы

равны 8 мм и 2 мм соответственно. Для повышения точности расчетов при моделировании плотность генерированной сетки расчетных узлов составила 0,25 мм.

Для анализа явлений, имеющих место на поверхности обрабатываемого отверстия, были проставлены точки 1.. .10.

Осадка моделировалась пошагово. Весь диапазон осадки был разбит на 40 шагов. Когда на последнем шаге сила сжатия и величина интенсивности напряжений резко начинали возрастать, процесс симуляции останавливали.

2. Результаты моделирования

Результаты моделирования представлены в виде изолиний и кривых истории параметров для отдельных материальных точек.

На рис. 5 показаны результаты моделирования распределения накопленной деформации е0 и интенсивности напряжений а0 для 10-го шага осадки при осевой деформации сжатого образца 10%.

Распределение интенсивности деформации е0 (рис. 5, а) у наружной поверхности образца, которая контактирует с жесткой матрицей, незначительное и возрастает к внутренней поверхности. Распределение интенсивности напряжений а0 (рис. 5, б), следуя закономерностям е0, также возрастает к центру образца.

Выполненный анализ НДС показывает существенную неравномерность его распределения по объему осаживаемого образца, т.е. отличие схемы осадки с ограничением радиальных перемещений по наружной поверхности образца от известной схемы свободной осадки цилиндрического образца.

й№Г

II

РатТпиищ, "В

.....л ... пн^мяя

я ш&е

<Ш _ И] 1Л' ЬЯ гр

(Р

а)

Рис. 5. Поле распределения накопленной деформации е0 (а) и интенсивности напряжений а0 (б) на 10 шаге и графики их изменения за всю историю деформирования

а, МРа

10 РШ

г®

Ро1ш Т11!к1пв

|Л'.....^.

ни I ,

НГ И'

ГЛ-

б)

Рис. 5. Поле распределения накопленной деформации е0 (а) и интенсивности напряжений ст0 (б) на 10 шаге и графики их изменения за всю историю деформирования (продолжение)

На рис. 6, а, б приведено распределение по толщине стенки гидростатического давления ст и коэффициента жесткости г) для различных степеней осадки k = 0,05 -^0,4. Оно показывает, что величина ) существенно меняется по толщине стенки, что позволяет осуществлять процесс деформирования чугуна СЧ20 при различных значениях ) и использовать полученные результаты для построения его диаграммы пластичности.

В рабочем диапазоне степени осадки k = 0,1 0,4 величина ) у внутренней и внешней поверхностях образца (рис. 7) практически не изменяется, а в середине толщины это изменение составляет порядка 12%, что позволяет при экспериментальной реализации данной схемы осадки поддерживать практически постоянство величины что важно при построении диаграммы пластичности. Существенное отклонение от этого условия для малой степени осадки при k = 0,05 (5%) практически не значимо, т.к. предельная деформация чугуна при сжатии равна 0,12 (12%).

Сравнение результатов моделирования процесса осадки образца с данными, полученными согласно теоретической модели, показало их хорошее совпадение, что подтверждает точность предложенного метода определения пластичности.

-г

-4 -6

в -Ю

-12

^ .г

с" -1 $

1

б)

Рис. 6. Распределение гидростатического давления а по толщине стенки образца (а) и коэффициента жесткости

напряженного состояния) (б) образца при различных степенях его осадки к: 1 - к = 0,05; 2 - к = 0,1; 3 - к = 0,3; 4 - к = 0,4

Рис. 7. Изменение коэффициента жесткости напряженного состояния г/ в зависимости от степени осадки образца к

Экспериментальные исследования сжатия цилиндрического чугунного образца

1. Методика экспериментальных исследований

Выполненные теоретические исследования и данные моделирования позволяют составить программу испытаний составных образцов из чугуна и пластичного материала при различных

отрицательных значениях показателя жесткости напряженного состояния).

Для проведения испытаний разработано и изготовлено специальное устройство (рис. 8, а, б), состоящее из исследуемого образца 2, сопряженного с обоймой 1 для сжатия, а также двух пуансонов 3. Обойма 1 представляет собой втулку с бесконечной толщиной стенки, которая пластически не деформируется и обеспечивает отсутствие окружных пластических деформаций на наружной поверхности образца. Осевое сжатие для уменьшения влияния сил трения выполняется двумя пуансонами 3, перемещающимися навстречу друг другу с усилием Р. Образец 2 при сжатии деформируется в осевом и радиальном направлениях.

В качестве объекта исследования был выбран сборный образец, состоящий из тонкостенной втулки из чугуна СЧ20 и пластичного материала (латунь и медь) (рис. 9).

Для определения предельной деформации до разрушения образец, установленный в специальное устройство, плавно нагружался осевой сжимающей силой. Начало разрушения фиксировалось в момент появления характерного кратковременного хрустящего звука, падением силы посредством следящей стрелки силоизмерителя, а также преобразователем силы и перемещений с самопишущим прибором. Для визуального контроля характера разрушения чугунной втулки составной образец разрезали и изучали под микроскопом.

Рис. 8. Устройство для сжатия образцов: а - схема устройства; б - общий вид устройства

Рис. 9. Размеры составного образца

2. Результаты экспериментальных исследований

Для сжатия составного образца было выбрано следующее сочетание материалов: «чугун СЧ20 - латунь Л63» (рис. 10, а). Следует отметить, что латунь Л63 - упрочняемый материал, эффективно используемый в качестве антифрикционного покрытия.

При данной паре составного образца процесс сжатия происходил устойчиво, осевая деформация до разрушения при этом составила k = - 0,096. Образовавшася трещина в чугунном образце показана на рис.10, б.

Как видно из рис. 10,б, вид разрушения чугунного образца - смешанный. Следует отметить, что наряду с появлением пластических участков исчерпания ресурса пластичности трещина имеет участки хрупкого разрушения.

Расчет накопленной деформации выполнялся по (14), поскольку она не зависит от свойств материала, а только от условия его несжимаемости и от геометрии сжимаемого образца. Гидростатическое давление вычислялась по (10, 11), причем интегрирование (10) велось послойно с учетом пластических свойст разных материалов. Для меди кривая упрочнения описывалась как а0 = 439,92 • е^539 , а для латуни а0 =820+120е0.

Проведенные исследования позволили установить, что при деформировании составного образца «чугун СЧ20 - латунь Л63» накопленная деформация чугунного образца составила е0= 0,39 (39%) при коэффициенте жесткости )= - 1,89.

Следующий опыт был проведен для составленного из трех втулок образца: «медь М1 - чугун СЧ20 - медь М1» (рис. 11, а). Размеры

образца обеспечили деформирование при "= -3,6.

В этом случае была достигнута еще большая пластическая деформация до разрушения е0= 0,78 (78%), при осевой деформации к=- 0,28. Внешнй вид зафисированной трещины представлен на рис. 11, б.

Рис. 10. Общий вид составного образца «чугун СЧ20 - латунь Л63» (а); вид трещины в чугунном образце после сжатия (б)

Рис. 11. Общий вид составного образца «медь М1 - чугун СЧ20 - медь М1» (а), вид трещины в чугунном образце после сжатия (б)

\

\ 40

Рис. 12. Диаграмма пластичности чугуна СЧ20

Анализ трещины в чугунном образце (рис. 11, б) позволил определить вид разрушения -пластический. Отчетливо видна магистральная трещина. При разрезке верхней части медной втулки на поверхности чугунного образца зафиксированы значительные пластические деформации, выражающиеся в появлении большого количества дефектов, предшествующих разрушению.

Полученные данные позволили впервые получить диаграмму пластичности чугуна

СЧ20 при значительных отрицательных значениях коэффициента жесткости напряженного состояния ^ (рис. 12).

Выводы

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:

- разработан метод получения значительных пластических деформаций малопластичного чугуна СЧ20, заключающийся в разработке теоретической модели деформирования чугунного трубчатого образца при его сжатии в условиях стесненной окружной деформации на наружной поверхности, в том числе и совместном, в комбинации с другими материалами. Это позволяет оказывать влияние на значения гидростатического давления и показателя напряженно-деформированного состояния по толщине стенки;

- расчеты, проведенные согласно разработанной методики, позволили определить параметры НДС, а также создать необходимые условия для определения накопленной до разрушения деформации при различных отрицательных значениях показателя напряженного состояния;

- разработана методика моделирования осадки цилиндрического чугунного образца в условиях объемного сжатия с помощью МКЭ с использованием программного комплекса Deform, что позволило осуществить расчет НДС образца при его сжатии при значительных отрицательных значениях коэффициента жесткости напряженного состояния. Сравнение результатов моделирования процесса осадки чугунного образца с расчетными данными показало их хорошее совпадение;

- эксперименты, спланированные согласно разработанной теоретической модели осадки образца, подтвердили результаты расчетов и позволили впервые получить значительные пластические деформации чугуна при значительных отрицательных значениях показателя жесткости напряженного состояния;

- впервые построена диаграмма пластичности чугуна СЧ20, включающая участок, на котором деформирование происходит при значительных отрицательных значениях показателя жесткости напряжённого состояния.

Литература

1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.

2. Рыжов Э.В., Клименко С.А., Гуцаленко О.Г. Технологическое обеспечение качества деталей с покрытиями. Киев: Наукова думка, 1994.

3. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002.

4. Дель Г.Д. Пластичность деформированного металла // Физика и техника высоких давлений. 1983. № 11 С. 28 - 32.

5. Grushko A.V. Maps of materials in cold working by pressure. Vinnitsa, 2015.

6. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Вища школа, 1983.

7. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушения. М.: Металлургия, 1970.

8. Ogorodnikov V.A., Kiritsaand I.Yu., Muzyichuk V.I. Plasticity diagrams and peculiarities of their construction // Improving pressure treatment processes and equipment in metallurgy and mechanical engineering. 2006. № 7. Р. 251255.

9. Rosenberg O.A., Tsekhanovand Yu.A., Sheykin S.E. Technological mechanics of deforming broaching. Voronezh, 2001.

10. Grushko A.V. The parameter of the stress state, taking into account the properties of the material and its effect on plasticity // Bulletin of the National Technical University of Ukraine KPI. 2012. 64. Р. 222-226.

11. Бриджмен П.В. Новейшие работы в области высоких давлений. М., 1948.

12. Bogomolov Yu.S., Sedokov L.M. Investigation of the gray cast iron strength under radial compression // Bulletin of the Tomsk Polytechnic Institute, 1975.133. Р. 32 - 36.

13. Chernyavsky O.V., Sivakand I.O., Lopatenko S.G. Determining the limit of process application of deforming broaching in the processing of cast iron, Improving the technical level of agricultural production and engineering. 2016. 34. Р. 82-85.

14. Khachanov L.M. Fundamentals of fracture mechanics. Moscow, 1974.

15. Mechanics of Micro-Cutting Using FANT, Advanced Manufacture Process: Book of Abstracts of the 2 GrabchenkoInternational / Shepelenko et al. // Conference on Advanced Manufacturing Processes. Sumy, 2020. 107.

16. Rosenberg A.M., Rosenberg O.A. Mechanics of plastic deformation in the processes of cutting and deforming broaching. Kiev, 1990.

Поступила 14.04.2021; принята к публикации 21.06.2021 Информация об авторах

Цеханов Юрий Александрович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: tsekhanov@yandex.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1315-8491

Подоприхин Михаил Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: podoprihin1@mail.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8757-0699

Шепеленко Игорь Витальевич - канд. техн. наук, доцент, Центральноукраинский национальный технический университет (25006, Украина, г Кропивницкий, пр. Университетский, 8), e-mail: kntucpfzk@gmail.com, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1251-1687

Немировский Яков Борисович - д-р техн. наук, профессор, Центральноукраинский национальный технический университет (25006, Украина, г. Кропивницкий, пр. Университетский, 8), e-mail: provotorova1951@gmail.com, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8005-8584

METHOD FOR DETERMINING THE PLASTICITY OF LOW-PLASTIC MATERIALS UNDER

HIGH HYDROSTATIC PRESSURE

Yu.A. Tsekhanov1, M.N. Podoprikhin1, I.V. Shepelenko2, Ya.B. Nemirovskiy2

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Central Ukrainian National Technical University, Kropivnitskiy, Ukraine

Abstract: the article proposes a method for determining the plasticity of low-plastic materials. It consists in axial compression of a cylindrical specimen, consisting of several mating sleeves made of different materials: from the investigated low-plastic and high-plastic ones. During deformation, a high hydrostatic pressure is created in the bushing under study, which increases its plasticity and deformability. We developed a theoretical model of the compression of such a composite sample, which makes it possible to experimentally achieve plastic fracture of a brittle material at high hydrostatic pressure. This is achieved both by the choice of plastic material and by the position of the sleeve made of low plastic material in relation to the bushes made of high plastic materials. The accuracy of the proposed method is confirmed by comparing the calculation results both by the model and by the finite element method. Calculations performed according to the developed model make it possible to determine the parameters of the stress-strain state of a specimen from the investigated low-plastic material, as well as its accumulated deformation before failure at various negative values of the stiffness coefficient. We used the developed method to determine the ductility of cast iron SCH20, from which the liners of engines are made, processed using deforming broaching, when large hydrostatic pressures and plastic deformations arise in the contact zone from the tools. In this case, to assess the quality of processing, it is necessary to calculate the resource of the used plasticity using the plasticity diagram of cast iron. In the experiments, significant deformations of brittle cast iron have been achieved. The results obtained made it possible to construct a diagram of the ductility of cast iron in the area of high hydrostatic compression

Key words: theoretical model; stress-deformed state; cast iron; plasticity; deformation

References

1. Suslov A.G. "Quality of the surface layer of machine parts" ("Kachestvo poverkhnostnogo sloya detaley mashin"), Moscow, Mashinostroenie, 2000.

2. Ryzhov E.V., Klimenko S.A., Gutsalenko O.G. "Technological assurance of the quality of coated parts" ("Tekhnologicheskoe obespechenie kachestva detaley s pokrytiyami"), Naukova Dumka, Kiev, 1994.

3. Smelyanskiy V.M. "Mechanics of parts hardening by surface plastic deformation" ("Mekhanika uprochneniya detaley poverkh-nostnym plasticheskim deformirovaniem"), Mashinostroenie, Moscow, 2002.

4. Del G.D. "Plasticity of deformed metal", Physics and Technology of High Pressures (Fizika i tekhnika vysokikh davleniy), 1983, vol. 11, pp. 28 - 32

5. Grushko A.V. "Maps of materials in cold working by pressure", Vinnitsa, 2015.

6. Ogorodnikov V.A. "Assessment of the deformability of metals during pressure treatment" ("Otsenka deformiruemosti metallov pri obrabotke davleniem"), Vishcha shkola, Kiev, 1983.

7. Kolmogorov V.L. "Tensions. Deformations. Destruction" ("Napryazheniya. Deformatsii. Razrusheniya"), Moscow, Metallurgi-ya, 1970.

8. Ogorodnikov V.A., Kiritsaand I.Yu., Muzyichuk V.I. "Plasticity diagrams and peculiarities of their construction", Improving Pressure Treatment Processes and Equipment in Metallurgy and Mechanical Engineering, 2006, no. 7, pp. 251-255.

9. Rosenberg O.A., Tsekhanovand Yu.A., Sheykin S.E. "Technological mechanics of deforming broaching", Voronezh, 2001.

10. Grushko A.V. "The parameter of the stress state, taking into account the properties of the material and its effect on plasticity", Bulletin of National Technical University of Ukraine KPI, 2012, no. 64, pp. 222-226.

11. Bridgman P.V. "Newest work in the field of high pressure" ("Noveyshie raboty v oblasti vysokikh davleniy"), Moscow, 1948

12. Bogomolov Yu.S., Sedokov L.M. "Investigation of the gray cast iron strength under radial compression", Bulletin of Tomsk Polytechnic Institute, 1975, no. 133, pp. 32 - 36.

13. Chernyavsky O.V., Sivakand I.O., Lopatenko S.G. "Determining the limit of process application of deforming broaching in the processing of cast iron", Improving Pressure Treatment Processes and Equipment in Metallurgy and Mechanical Engineering, 2016, no. 34, pp. 82-85.

14. Khachanov L.M. "Fundamentals of fracture mechanics", Moscow, 1974.

15. Shepelenko I.V. et al. "Mechanics of micro-cutting using FANT, advanced manufacture process: book of abstracts of the 2 Grabchenkolnternational", Conference on Advanced Manufacturing Processes, Sumy, 2020, p. 107.

16. Rosenberg A.M., Rosenberg O.A. "Mechanics of plastic deformation in the processes of cutting and deforming broaching", Kiev, 1990.

Submitted 14.04.2021; revised 21.06.2021 Information about the authors

Yuriy A. Tsekhanov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: tsekhanov@yandex.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1315-8491

Mikhail N. Podoprikhin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya, Voronezh 394006, Russia), e-mail: podoprihin1@mail.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8757-0699

Igor' V. Shepelenko, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Central Ukrainian National Technical University (7 Universi-tetskiy prospekt, Kropivnitskiy 25006, Ukraine), e-mail: kntucpfzk@gmail.com, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1251-1687 Yakov B. Nemirovskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Central Ukrainian National Technical University (7 Universitetskiy prospekt, Kropivnitskiy 25006, Ukraine), e-mail: provotorova1951@gmail.com, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8005-8584