CC BY
54
НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.778
КорчуновА.Г., ЧукинМ.В., Полякова М.А., Емалеева Д.Г.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ*
Важнейшим видом продукции метизной отрасли является стальная проволэка, используемая при производстве канатов ответственного назначения, в элементах железобетонных конструкций, деталей машин, сталемедных изделиях для электрификации железныхдорог.
Как показывает анализ современной нормативнотехнической документации, в настоящее время предъявляются все более жесткие требования к уровню регламентируемых свойств указанных металлических изделий. Традиционные технологии повышения уровня механических свойств стальной проволоки не имеют существенного резерва по таким техникоэкономическим показателям, как рентабельность, энергоемкость, ограниченная возможность оперативного изменения как всего технологического процесса, так и отдельных его параметров. Поэтому разработка технологических мероприятий и технических средств, обеспечивающих комплексное повышение механических свойств стальной проволоки с использованием инновационных способов деформационной обработки, является важной научно-технической проблемой, решение которой позволит усилить конкурентные позиции отечественной науки и бизнеса.
Одним из путей повышения конкурентоспособности и эксплуатационной надежности металлоизделий является использование новых наукоемких технологий, позволяющих получать ультрамел ко зернистые (УМЗ) и наноструктуры в металлах и сплавах. Одним из наиболее перспективных подходов к получению таких структур является применение методов интенсивной пластической деформации (ИПД). Однако широкомасштабное применение существующих способов формирования УМЗ структур деформационным воздейтсвием в условиях массового производства ограничено, главным образом, дискретностью существующих процессов и размером получаемых заготовок. Кроме того, непрерывные способы, позволяющие получать УМЗ структуру в длинномерных металлических изделиях, практически не разработаны, либо они низкотехнологичны [1]. С этой точки зрения существует необходимость разработки инновационных не-
* Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный кон-трактП983).
прерывных схем интенсивной пластической деформации, адаптированных к действующим технологическим схемам обработки длинномерных изделий и открывающих перспективу производства проволоки с УМЗ структурой в условиях массового производства.
В развитие данного направления коллективом ученых ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» разработана схема равноканальной угловой свободной протяжки (РКУПротяжки) проволоки и инструмент для ее реализации (рис. 1) [2, 3].
Суть предлагаемого способа заключается в многократном протягивании стальной заготовки через сборную волоку специального профиля, что вызывает одноосное растяжение и изгиб проволоки одновременно в двух очагах деформации. Заготовка неполностью заполняет рабочий канал инструмента. Схему процесса можно представить следующим образом (см. рис. 1): зона свободного вжда проволоки в инструмент (область I); зона упруго-пластического контакта и изгиба проволоки в области пересечения каналов инструмента (область II); межочаговая область (область III); зона упруго-пластического контакта и изгиба проволоки в области выжда из инструмента (область IV); зона свободного выжда проволоки из инструмента (область V). При этом площадь попереч-
Рис. 1. Принципиальная схема процесса РКУПротяжки:
Р - площадь поперечного сечения обрабатываемой заготовки; Р1 - усилие протяжки; Р2 - усилие противонатяжения;
N - сила нормального давления; т - силатрения
ного сечения заготовки остается неизменной. Обработка заготовки способом РКУПротяжки обеспечивает существенную немонотонность и одновременно высокое значение накопленной степени деформации сдвига в металле, что приводит к эволюции дислокационной структуры, активизации новых систем скольжения, разори-ентации микрообъемов в пределах одного зерна и перестройке сформированных фрагментов в ультрамелкие зерна с неравновесными высокоугловыми границами.
Проведенные исследования экспериментально подтвердили возможность использования РКУПротяжки для формирования УМЗ структуры в длинномерных изделиях, что позволяет применять данный процесс в условиях поточного производства проволоки ответственного назначения на действующем оборудовании волочильных цехов метизной отрасли [4, 5]. Это явилось основой для разработки принципов проектирования непрерывных технологий с использованием данного метода для производства стальной проволоки с ультрамелкозернистой структурой.
1. Принцип критериальной оценки возможности получения ультрамелкозернистой структуры в процессе РКУПротяжки.
Исходя из предназначения и физической сущности РКУПротяжки, предполагающей одновременный знакопеременный изгиб и одноосное растяжение при неизменности геометрических размеров заготовки, разработан комплекс критериев оценки возможности получения ультрамелкозернистой структуры, которые можно разделить на две группы.
1.1. Критерии, обеспечивающие достижение необждимой степени и однородности НДС материала обрабатываемой проволоки.
1.1.1. Выполнение условия пластичности Губера-Мизеса:
=°Т , (1)
где Ст - предел текучести проволоки, МПа; о„ - интенсивность напряжений, МПа.
Интенсивность напряжений определяется по известной формуле
В соответствии с данным критерием режимы РКУПротяжки в каждом прожде должны обеспечивать пластическое течение, обусловленное достижением интенсивности напряжений, возникающих при прожждении проволоки через инструмент, предела текучести обрабатываемого материала.
1.1.2. Обеспечение максимальной равномерности распределения интенсивности напряжений по сечению проволоки:
Д = (стииов - а^ентр) ^ ЫШ при апиов ^ МАХ , (3)
где А - градиент интенсивности напряжений, МПа; а™6, стчемія^ - интенсивность напряжений на поверхности и в центре проволоки соответственно, МПа.
Выполнение критерия обеспечивает однородность формируемой УМЗ структуры и свойств по сечению заготовки.
1.1.3. Стремление уровня значений интенсивности деформаций сдвига по сечению проволоки к максимальной величине:
Г ^МАХ, (4)
ГДе Г ) +^&уу ^ +6Му +8^ +В“) - интенсивность деформаций сдвига;
Вхх, %>, £гг - компоненты тензора деформаций.
Выполнение критерия обеспечивает высокий уровень деформаций сдвига, обусловливающих формирование УМЗ структуры проволоки в процессе РКУПротяжки.
1.2. Критерий, обеспечивающий технологическую стабильность РКУПротяжки. Физический смысл критерия заключается в недопустимости превышения значений интенсивности напряжений, возникающих в переднем конце проволоки под действием усилия протяжки, величины временного сопротивления материала. Нарушение условия приведет к обрыву переднего конца проволоки. В качестве такого критерия можно использовать коэффициент запаса прочности материала проволоки К3:
кз , (5)
где ав - временное сопротивление заготовки, МПа.
2. Принцип определения конструктивных особенностей инструмента деформационной обработки способом РКУПротяжки.
Основными конструктивными параметрами инструмента, влияющими на эффективность обработки проволоки, являются (рис. 2):
- диаметр горизонтального (входного) канала инструмента Df,
- диаметр наклонного (выходного) канала инструмента D2;
- угол наклона оси выходного канала инструмента к горизонтальной плоскости а, град (или угол пересечения каналов инструмента Ф=(180°-а));
- толщина пластин, образующих горизонтальный (Lex) и наклонный (Ьвых) каналы;
- радиусы скруглений кромок каналов г.
Другие параметры инструмента подбираются в
зависимости от конструктивных особенностей оборудования, в составе которого используется инструмент.
При определении соотношения исходного диаметра исходной заготовки и диаметра горизонтального канала инструмента Dj необходимо учитывать, что увеличение степени заполнения каналов инструмента положительно влияет на интенсивность упрочнения стали в процессе обработки. Максимально возможный диаметр обрабатываемой заготовки определяется технологической стабильностью процесса РКУПротяжки.
3. Принцип определения количества циклов РКУПротяжки, обеспечивающих достижение требуемого уровня прочностных и пластических свойств проволоки.
При определении количества циклов РКУПротяжки заготовки необждимо учитывать следующие основные особенности:
- для повышения эффективности процесса РКУПротяжки рекомендуется многократная обработка с поворотом заготовки вокруг своей продольной оси на угол 90° при каждом последующем проходе. Это возможно при изменении в каждом последующем проходе направления изгиба заготовки путем поворота наклонного канала инструмента;
- при РКУПротяжке процесс фрагментации структурных составляющих носит кумулятивный характер, т. е. степень дисперсности зерна от прожда к прожду непрерывно возрастает. Достаточное количество прождов для получения ультрамелкозернистой структуры выбирают в зависимости от требуемого уровня механических свойств проволоки, экономической целесообразности проведения обработки и возможностей технологического оборудования, в составе которого используется инструмент для осуществления РКУПротяжки.
Одним из вариантов осуществления непрерывной деформационной обработки проволэки является совмещение в различных сочетаниях процессов многократной РКУПротяжки с традиционным волочением. При этом состав и режимы традиционных операций производства проволэки не требуют существенных корректировок.
Практическая реализация РКУПротяжки достигается установкой на многократном волочильном стане
необходимого количества комплектов технологического инструмента разработанной конструкции. При таком под-ж де те ХНО ЛО ГИЯ
производства проволоки, включающая обработку способом РКУПротяжки и волочение на необходимый диаметр, обладает высокой степенью технологической развязки, внутренней гибкостью с большим количеством траекторий обработки, мобильностью при смене сортамента, возможностью изготовления партий готовой продукции любой тоннажное™.
Таким образом, РКУПротяжка является перспективным способом деформационной обработки для получения ультрамелкозернистой структуры проволоки. Внедрение разрабатываемого способа в промышленности приведет к созданию новых наукоемких технологий производства высокопрочной стальной проволоки ответственного назначения, исключающих необжди-мость применения дорогостоящих сырья и дополнительных операций термической обработки.
Дальнейшие теоретико-экспериментальные исследования процесса РКУПротяжки будут направлены на повышение однородности структуры и свойств обрабатываемой проволоки, практическую интеграцию результатов научных разработок в действующие производственные процессы.
Список литературы
1. Проблемы получения стальной проволоки с ультрамепкозер-нистой структурой / М.В. Чукин, М.А. Полякова, Д.Г. Емалеева, С.Е. Носков // Мегиз. 2010. № 8(63). С. 19-21.
2. Формирование субмикрокристаллической структуры поверх -ноет ното слоя стальной проволоки методом РКУПротяжки / Г.С. Гун, М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева и др. // Труды седьмого конгресса прокатчиков. Т. 1. М.: Черметинформация, 2007. С. 364-368.
3. Непрерывный деформационный способ формирования ультрамел козернисгей сгрукгурысгапьной проволоки / Чукин М.В., Корчунов А.Г., Полякова М.А. и др // Сталь 2010. № 6. С. 96-98.
4. Исследование формирования субмикрокристаллической сгрукгу-ры поверхносг него слоя сгальнсй проволоки с цепью повышения уровня ее механических свсйсгв / Г.С. Гун, М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева и др // ВесгшкМПУ им. Г.И. Носова. 2007. № 3. С. 84-86.
5. Чунин М.В., Емалеева Д.Г. Влияние термическсй сбрабогм на эволюцию структуры и свсйсгв сгальнсй проволоки в процеосе РКУПротяжки // ВесгникМПУим. Г.И. Носова. 2008. № 2. С. 70-71.
Рис. 2. Принципиальная схема инструмента деформационной обработки проволоки способом РКУПротяжки
Bibliography
1. Problems of steel wire producing with ultrafine grain structure / Chukin M.V., Polyakova M.A., Emaleeva D.G., Noskov S.E. // Hardware. 2010. No. 8(63). P. 19-21.
2. Forming of submicrocrystall structure in the surface layer of steel wire by EPA-broaching method / Gun G.S., Chukin M.V., Emaleeva D.G. et al. // Proceedings of the seventh rollers congress. V. 1. M.: Chermetinformation, 2007. P. 364-368.
3. Continuous deformation method of steel wire forming with ul-
trafine-grain structure / Chukin M.V., Korchunov A.G., Polyakova M.A. et al. // Steel. 2010. № 6. P. 96-98.
4. The study of submicrocrystall structure in steel wire surface layer forming with the purpose of improving mechanical properties of wire / Gun G.S., Chukin M.V., Emaleeva D.G. et al. // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2007. № 3. P. 84-86.
5. Chukin M.V., Emaleeva D.G. Influence of heat treatment on structure development and properties of steel wire during EPA-broaching // Vestnik of mStU named after G.I. Nosov. 2008. № 2. P. 70-71.
УДК 620.17: 539.52: 539:374
ЖеребцовЮ.В., Самойлова А.Ю., Загиров Т.М., Еникеев Ф.У
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТЕСТОВЫХ ФОРМОВОК ПРЯМОУГОЛЬНЫХ МЕМБРАН ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ
Явление структурной сверхпластичности (СП) наблюдается в микрокристаллических материалах со средним размером зерен менее 10 мкм в очень узком диапазоне температур и скоростей деформаций [1,2]. Особенностью структурной СП является универсальный характер этого явления: установлено, что широкий круг поликристаллических материалов может быть переведен в состояние структурной СП путем соответствующей подготовки структуры материала, основной целью которой является измельчение зерен до среднего размера 10 мкм и менее [2]. Обработка металлов давлением в состоянии СП позволяет не только добиться получения изделий с минимальным припуском на дальнейшую механическую обработку, но еще и обеспечить в получаемых деталях необждимый уровень функциональных и эксплуатационных свойств [1-3]. Использование СП при обработке металлов давлением во многих случаях обеспечивает снижение деформирующих усилий, повышение коэффициента использования металла, уменьшение числа технологических переходов и улучшение качества деформируемых полуфабрикатов, что обусловливает значительный интерес к изучению этого явления. В этой связи актуальной задачей становится разработка математических моделей технологических процессов обработки давлением микрокристаллических материалов, основанных на постановке и решении краевых задач механики СП.
В последние годы, в связи с бурным развитием информационных технологий, средств вычислительной техники и программного обеспечения, кардинально расширились возможности использования методов компьютерного моделирования. В результате в большинстве организаций и предприятий уже имеются современные программные средства от известных разработчиков, такие как ANSYS, ABAQUS, MARC, DEFORM и др. Таким образом, построение компьютерных моделей технологических процессов сводится сегодня, по сути, к обычным пользовательским процедурам и не представляет серьезной проблемы для квалифицированного инженера-программиста.
Ключевым звеном в постановке краевой задачи являются определяющие соотношения - законы связи между напряжениями и деформациями, которые замыкают систему уравнений, составляющих начальнокраевую задачу механики. По этой причине недостаточно просто взять готовый программный продукт, например MARC, и на этом основании считать проблему построения адекватных моделей технологических процессов практически решенной. И дело не только в том, что необждимо выбрать конкретный вариант постановки краевой задачи механики СП, что само по себе имеет довольно большое, но не определяющее значение. Гораздо более важно осуществить рациональный выбор модели материала и методов ее идентификации. Результатом идентификации выбранной модели материала является набор материальных констант, характеризующих сверхпластические свойства обрабатываемого материала, который вводится в среду имеющегося в распоряжении программного продукта при проведении практических расчетов наряду с граничными условиями, ответственными за приложенные к обрабатываемому телу нагрузки и перемещения.
Основной особенностью реологического поведения сверхпластичного материала считается его повышенная чувствительность к скорости деформации Е, которую характеризуют величиной параметра скоростной чувствительности m, входящего в стандартную степенную модель СП:
а= K m, (1)
где ст - напряжение течения; K - параметр материала, зависящий от среднего размера зерен и других структурных характеристик [1, 2]. Границы СП течения определяют обычно из условия m>0,3. К сожалению, в литературе пока не предложена единая стандартизованная методика определения значений K и m по результатам одноосных испытаний [4]. Соответственно пока не изданы справочники, в которых приводились бы значения этих параметров даже для самых распро-
