Реологические модели как основной элемент моделирования процессов обработки металлов давлением Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.73

Смирнов О.М., Тулупов С.А., Цепин М.А., ЛисунецН.Л., Бегнарский В.В., НгуенЧыонг Ан

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КАК ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ*

Компьютерное моделирование находит все более широкое применение в области разработки и проектирования процессов обработки металлов давлением (ОМД). Этому способствует появление доступной по цене высокопроизводительной ком -пьютерной техники с большим объёмом оператив-ной памяти и новыми разнообразными средствами интерфейса для представления, хранения и передачи информации. Кроме этого на рынке интеллекту-альшй собственности появилось достаточно большое количество компьютерных пакетов прикладных программ и вычислительных систем (ВС) для расчетов формоизменения при упругих, пластических, вязкопластических и вязких деформациях. Среди них при расчетах процессов ОМД хорошо зарекомендовали себя как за рубежом, так и в России такие программные продукты, как QForm («Quantor Soft»), SPLEN («КОММЕК Лтд.»), Deform™ («Scientific Forming Technologies»), MSC. SuperForge («MSC.Software») и др.

При этом механико-математическая основа этих систем, методы, алгоритмы и процедуры решения краевых задач механики деформируемого твердого тела разработчиками систем, как правило, не раскрываются вввду жестокой конкуренции и достаточно высокой стоимости программных продуктов. В то же время специалистам известно, что в их основе для проектирования процессов ОМД используются математические модели неизотермического варианта теории течения Леви-Мизеса, которая устанавливает связь компонент тензоров девиаторов напряже-ний и скоростей деформации через сдвиговую вязкость и определяющие соотношения. Решение

* В настоящей статье приводится расширенное изложение содержания ключевого доклада, сделантго одним из авторов от имени российских специалистов в области обработки металлов давжнием, на международной конференции по физическому и математическому моделированию процессов обработки металлических материалов, проходившей в Китае с 22 по 27 октября 2007 года.

краевой задачи - системы дифференциальных уравнений механики сплошных сред производится числе иными методами на основе вариационного принципа минимизации функционала мощности поверхностных и объемных сил. При этом производится разбиение (дискретизация) сплошной среды на объём ные или плоские конечные элементы (КЭ) в ввде тетраэдров (для трехмерных задач) или треугольников (для плоских и осесимметричных). Метод конечных элементов (МКЭ), по сути, - это метод разбиения и конечно-разностный сеточный метод. Он обеспечивает замену системы ингегрально-диффе-ренциальных уравнений, описывающей поведение каждого отдельного КЭ, системой алгебраических уравнений в конечных разностях. Эта нелинейная система уравнений решается численными методами с помощью линеаризации, пошаговой и итерационной процедур. При этом МКЭ обеспечивает ассамблирование (объединение) решений для всех элементов в единое целое на каждом шаге по времени и соединение частных и общего решений по полному времени всего процесса формоизменения.

Достоинством компьютерного моделирова-ния процессов ОМД с использованием специализированных ВС, основанных на МКЭ является высокая информативность, наглядность, возможность цветовой и псевдо объёмной визуали-зации, использование фото-, видео- и аудиоэффектов , выбор любых поверхностей, сечений, массивов и отдельных точек в деформированной заготовке или полуфабрикате для форматирования и анализа расчетных данных на поверхности и в объёме в ввде таблиц, графиков, диаграмм, полей и т.д. в любой момент времени и на любой стадии процесса. Кроме этого, они позволяют задавать широкий спектр граничных и начальных условий, а также разнообразные зависимости изменения параметров процесса деформации во времени И, наконец, большинство ВС имеют встроенную (или поставляемую отдельно) базу

данных физических и реологических свойств промышленных сплавов. Всё это обеспечивает совершенно иной, качественно более высокий уровень анализа данных моделирования и гиб -кость в выборе и принятия решений по управлению и оптимизации проектируемых традиционных и разрабатываемых новых процессов ОМД.

Общим недостатком большинства ВС для моделирования процессов ОМД является недостаточное знание разработчиками и особенно боль -шинством продвинутых в чисто компьютерном отношении пользователей особенностей реологического поведения металлических материалов в реальных процессах деформирования при ОМД. Это снижает эффективность работы и перспективы развития ВС в правильном направлении с точ-ки зрения их практического применения. Цель на -стоящей публикации - дать представление об основах реологического анализа тем, кто использует в своей работе не традиционные методы механики сплошных сред, а компьютерное конечно-элементное моделирование.

Классификация видов деформации в зависимости от температурных режимов

Температура деформации, как известно, является одним из самых важных факторов, определяющих вид необратимого формою -менения, и связана с механизмом деформации, который, в свою очередь, определяет реологическое поведение деформируемого материала. Принято различать четыре основных вида деформации, существующей в определенных температурных диапазонах. Примерные температурные диапазоны видов деформации, типичных для металлических материалов в процессах обработки металлов давлением (ОМД), представлены в табл. 1 по отношению к температуре плавления Тпл в градусах К.

Реологическое поведение большинства металлических материалов согласно представленным

ввдам деформации может быть оценено параметром деформационного упрочнения п и параметром скоростного упрочнения т в степенном реологическом уравнении вязкопластической среды с нелинейным скоростным и деформационным упроч-нением (без учета упругих деформаций):

а, = а, + Щетееп, (1)

где ое - эффективное напряжение; а, - условный предел текучести при данной температуре; и ее-эффективные скорость и степень деформации; КТ-константа, зависящая от температуры деформации и имеющая размерность напряжений. При этом подразумевается, что эффективная скорость деформации нормирована к единичной скорости

^1 = 1 [С-1].

Холодная деформация рассматривается как деформация с полным деформационным упрочнением (0,3 < п < 1,0) и отсутствием скоростного упрочнения (т^0). Механизм деформации, называемой в этом случае пластической деформацией, обусловлен внутризеренными сдвигами по пре имуществе иным плоскостям и направле -ниям скольжения кристаллической решетки или двойникованием зерен по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Сдвиги по кристаллографическим плоскостям внутри кристаллической решетки и в объёме зерен происходят при условии превышения каса-тельным напряжением некоторого предела т> к, называемого пластической постоянной и определяющего величину предела текучести на сдвиг т8. Деформационное упрочнение в этом случае происходит в результате действия дислокационного механизма внутризёренного скольжения и накопления дислокаций в объёме и по границам зе-рен Определяющие соотношения для пластической среды с нелинейным деформационным упрочнением при этом принимают вид:

ае = а, + К'т £еп. (2)

При п=1,0 коэффициент К'т пропорционален модулю пластичности второго рода О для перехода твердого тела из упругого в пластическое состояние по энергетическому условию пластичности Мизеса ае = а,, а уравнение (2) описывает линейно упрочняющуюся жестко пластическую среду:

ае = а, + Оее. (3)

Горячая деформация характеризуется практически полным отсутствием деформационного упрочнения металла

Таблица 1

Зависимость видов деформации от температурных режимов ОМД

Вид деформации Температурный диапазон Показатель дефор-мационногоупроч-нения п Показатель скоростного упрочнения т

Холодная <0,3 тпл > 0,3 ^ 0

Теплая (0,3 ... 0,5) Тпл ,3 0, СМ 0, О ,01 0

Полугорячая О ,5 (0 СМ 0, 0, СМ 0, 0,

Г орячая > 0,7 Тпл Ь 1,0ТИЛ) <0,1 н 0) > 0,2 Н 1,0)

(п —^0), а в некоторых случаях и его разупрочне-нием из-за динамической перекристаллизации, в результате которой происходит образование новых зерен, свободных от скопления дислокаций. При этом скоростное упрочнение преобладает (0,2 < т < 1,0) за счет интенсивного протекания диффузионных процессов, обеспечивающих движением точечных дефектов (вакансий и дис-лоцированных атомов), а также движением и переползанием линейных и объёмных дефектов кристаллической решетки - краевых и винтовых дислокаций в объёме и по границам зерен под действием линейных напряжений. При этом скорости перемещения точечных, линейных и объ-ёмных дефектов кристаллической решетки зерен зависят от величины приложенных напряжений. В этом случае необратимое формоизменение и остаточная деформация обусловлены вязким течением материала и называется вязкой деформацией. В предельном случае для температуры горячей деформации равной Тт (т=1) вязкое течение жвдкого металла может описываться уравнением идеальной жидкости Ньютона.

= Л^е, (4)

где Г] - коэффициент вязкости.

Так как для большинства сплавов переход из твердого кристаллического состояния в жидкое аморфше происходит в некотором интервале температур начала Ттн и окончания плавления Ттк, то для описания поведения материала в твердожидком состоянии может быть использовано уравнение нелинейно-вязкой жидкости

ст = К" • Ет . (5)

е т Ъе V /

Соответственно для температурного интервала горячей деформации при отсутствии деформационного упрочнения (п^-0) поведение деформируемого материала может быть описано уравнением вязкопластической среды с нелинейным деформационным упрочнением:

__ _ , тгм ~п%т

=°0 + ' ^е^> е , (6)

где о0- пороговое напряжение, характеризующее некоторый энергетический барьер, который должны преодолеть дефекты кристаллической решетки для начала перемещения.

Теплая деформация характеризуется неполным деформационным упрочнением и слабым протеканием диффузионных процессов, обеспечивающих скоростное упрочнение. Для полуго-рячей деформации характерно неполное разупрочнение из-за частичной динамической рекри-

сталлизации и более выраженное скоростное упрочнение . В обоих случаях необратимая деформация рассматривается как вязкопластическая, а поведение деформируемого материала может удовлетворительно описываться уравнением (1). Учет влияния температуры деформации в этом случае для температурных коэффициентов в уравнениях (1)-(6) может быть использован экспо не нциа льный м ножиге ль А рре ниус а

Классификация металлических материалов как объектов деформации

Тип структуры деформируемого материала является также существенным фактором, определяющим реологические состояние и рациональные скоростные режимы деформации Чем меньший размер зерна, тем больше вязкая компонента вязкопластической деформации поликристалличе-ских агрегатов при повыше иных температурах. В табл. 2 приведена классификация металлических материалов по типу структуры, приближенно оце-не иной по среднему размеру зерна, для описания их типичного реологического состояния в процес-се деформации при повышенных температурах. Несмотря на достаточно условный характер раз -биения по типам структур и температурноскоростных режимов, она позволяет ориентироваться в вопросах выбора реологических моделей при выборе методов решения краевых задач теории обработки металлов и построения математических моделей процессов формоизменения.

Для монокристаллов и крупнозернистых материалов со средним размером зерна больше 100 мм главный механизм деформации при повышенных температурах - внутризёренное дис -локационное скольжение. Можно считать, что эти материалы относятся к типично пластическим средам и вязкую компоненту можно не учитывать (ш^-0). Соответственно металлы и сплавы с таким типом структуры следует рассматривать с реологической точки зрения как пластичные материалы (ПМ).

Реологическое поведение средне- и мелкозернистых материалов со средним размером зерна от 10 до 100 мкм может быть описано моде -лью вязкопластической среды со значимой долей вязкого компонента (т=0,1...0,2). Поэтому при деформировании в условиях теплой, полугорячей и горячей деформации при скоростях, типичных для большинства процессов ОМД, их целесообразно рассматривать как вязкопластичные материалы (ВПМ).

ЕТ = к ехр

Таблица 2

Структурные особенности температурно-скоростных режимов деформации металлических материалов в

зависимости от их реологического состояния и структуры

Тип структуры материала Среднийразмер зерна, мм Температурныйин-тервал деформации Диапазон скоростей деформации, с-1 Типичное реологическое состояние

М онокристалл Размер монокристалла (0,5 ... 0,9) Тпл 10-1 ... 101 Пластическое

Крупнозернистый > 100 (0,5 ... 0,9) Тпл 10-1 ... 101 Пластическое

Среднезернистый О О О (0,5 ... 0,9) Тпл 10-1 ... 102 Вязкопластическое

Мелкозернистый сЪ о (0,5 ... 0,8) Тпл 10-1 ... 102 Вязкопластическое

Ультрамелкозернистый сЪ СО о (0,5 ... 0,8) Тпл СО <±> о Сверхпластическое

Субмикрозерн истый СО <±> О (0,5 ... 0,9) Тпл 10-3 ... 10-1 Сверхпластическое

Нанокристаллический 10-5 ... 10-4 (0,9 ... 0,99) Тш 10-1 ... 102 Сверхпластическое

Объёмно-аморфный - (0,6 ... 0,8) Тпл 102 ... 105 Вязкое

Ультрамелкозернистые, субмикрозернистые и нанокристаллинеские материалы со средним размером зерна меньше 10 мкм деформируются при повышенных температурах и в определенном диапазоне скоростей деформации как вязкопластинеские среды. Но в этом случае вязкий компонент преоб-ладает (ш> 0.3), поскольку главный механизм де-формации - внутризёренное зерногранинное скольжение и диффузионная ползучесть. Пластический компонент, связанный со скольжением дислокаций контролирует процессы аккомодации (приспособления) границ зерен при их взаимных пово-ротах и изменении формы и вносит небольшой вклад в полную остаточную деформацию. Послед -ние три типа структуры металлических материалов определяют их реологическое поведение как вязкопластическое. Эго также позволяет рассматривать их как сверхпластичные материалы (СПМ), для которых вязкие свойства при деформации являются преобладающими по сравнению с пластическими.

Реологическая модель, описывающая поведения ВПМ и СПМ, показана на рис. 1. Она отражает механизм деформации, характерный для струк-

п

6

Рис. 1. Реологическая Рис. 2. Схема

модель для описания макро-механизма поведения ВПМ и СПМ деформации СПМ

турной сверхпластичности (рис. 2). Этот механизм состоит в развороте зёрен (вязкое межзёренное зернограничное скольжение) со сменой соседей, которые также могут деформироваться пластически (сдвиговая внутрюёренная деформация).

Для модели упруговязкопластичной среды, предложенной для описания реологического поведения ВПМ и СПМ и включающей одновременно два пластических элемента для порогового напряжения со и условного предела текучести соответственно, без учета упругой составляющей можно также использовать уравнение ввда

ст = ст.

ТУ '•

°0 + Кг£

(8)

Оно позволяет удовлетворительно описать вязкопластичное течение деформируемого материала , у которого отсутствует деформационное упрочнение, в широком диапазоне скоростей - от ползучести до высокоскоростных процессов ОМД. Зависимость эффективных напряжений от эффективной скорости деформации для этой модели схематически представлена на рис. 3. Коэффициенты К и шу в этом уравнении представляют собой коэффициент пропорциональности и показатель скоростного упрочнения нелинейновязкого элемента модели. Характерно, что использование этого уравнения в определяющих соотношениях теории течения может описать и деформационное упрочнение, если скорость деформации формоизменения увеличивается. В этом случае деформация рассматривается как накопленная, и сеё возрастанием будет увеличиваться и эффективное напряжение.

Исходя из уравнения (8) определяющее соот-ношение для этой реологической модели в виде зависимости эффективной скорости деформации (4) от эффективного напряжения (ае) можно описать уравнением

^ ехР (ств -ст* • г{)

(9)

Обобщенный структурный параметр О. для одно- или двухфазной неравноосной структуры можно определять по формуле

а

4, КГ

3-[Ч/О -V,)]. (ю)

При этом Ь8Г - средний геометрический размер высокотемпературной структурной составляющей (фазы или зерна), определяемый по величинам Ь1, Ь2, Ь3, которые отражают среднестатистические размеры структурных составляющих вдоль, поперек и по высоте заготовки по отношению к направлению предшествующей деформации заготовки (прокатки, прессования, волочения и т.д.); К7 = У7 /(1-Уг) - коэффициент, учитывающий отклонение объемного соотноше-ния фаз от 50/50% по величине объемной доли высокотемпературной фазы Ут

Для однофазной равноосной структуры под параметром О. обычно понимают средний размер зерна Ь в мкм, определяемый с помощью метода случайных секущих или как среднегеометрическое значение размеров Ь1, Ь2, Ь3, если структура не равноосная.

1/3

(11)

Параметры <7^, , <7<Г представляют соот-

ветственно эквикогезивное напряжение, пороговое напряжение и условный предел текучести в МПа при оптимальной температуре СПД - Тр, выраженной в градусах Кельвина; пУ - показатель ползучести для нелинейно-вязкой жидкости, а и р -

■*р

параметры подгонки, определяемые из эксперимента на одноосное растяжение или сжатие.

Температурный множитель 2т, учитывающий отклонение температуры деформации от оптимальной температуры сверхпластичности, выражается параметром Зинера-Холломона:

1Т = ехр

&

Я

\

(12)

где Я — универсальная газовая постоянная; & -кажущаяся энергия активации структурных изменений или так называемой структурной эволюции.

Соотношения (6)-(8) в достаточно широком температурно-скоростном диапазоне хорошо описывают поведение ВПМ и СПМ с термически стабильной в процессе деформации исходной ультрамелкозернистой и мелкозернистой структурой со средним размером зерна < 10-15 мкм.

Для большинства промышленных сплавов в реальных технологических процессах ОМД структура существенно изменяется. При этом изменяется фазовый состав, увеличиваются размеры фаз и зёрен Поэтому при математическом моделировании и расчетах технологических параметров процессов сверхпластического деформирования представляется наиболее перспективным объединение физического и феноменологи -ческого подходов при построении моделей СП. То есть в определяющие соотношения (1)—(3) необходимо вводить дополните ль ные кинетиче -ские уравнения, учитывающие эволюцию структуры при СПД, например, с помощью скорости роста обобщенного структурного параметра:

о

а°, а

(13)

Рис. 3. Зависимость напряжений течения от скорости деформации СПМ и ВПМ по уравнению (8)

где Е,е — эффективная скорость деформации; О,0 — начальный размер обобщенного структурного параметра в момент времени т0 к началу процесса формоизменения после нагрева; а — параметр термической активации На основе обработки большого объема экспериментальных данных по исследованию структурных изменений при изотермическом нагреве и деформации в листах и прутках из алюминиевых, титановых, медных сплавов и сталей с ультрамелким зерном (менее 10 мкм), выполненных в научноисследовательской лаборатории деформации сверхпластичных ма-

териалов (НИЛ ДСПМ) ГТУ «МИСиС», был предложен следующий ввд уравнения структурной эволюции:

— С О1-а

ат

exp

(1 + Л£ ), (14)

где Са - начальная скорость роста зерна; й - показатель степени, учитывающий влияние текущего размера структурного параметра; А, Ь - коэффициенты, зависящие от химического состава материала и определяемые эмпирически; QQ -кажущаяся энергии активации структурной эволюции; Т- температура деформации.

При горячей и теплой деформации металлов и сплавов с крупно- и среднезернистой структурой при высоких скоростях деформаций > 10 1 с 1 И накопленной деформации ее > 0,5 изменения структуры уже не носят эволюционный характер. Они определяются процессами динамической рекристаллизации, при которых происходит образование новых зёрен и мелкозернистой структуры. Средний размер зерна в этом случае можно предварительно оценить уравнением динамической рекристаллизации ввда:

ехр [0/(ЯТ)]+ С.

(15)

где Ьср - средний размер рекристаллизованного зерна; а - предэкспоненциальный множитель; єе- степень накопленной деформации; £,е - эффективная скорость деформации, нормированная к 1 [с-1]; Н, п, т - показатели структурного, скоростного и деформационного упрочнения соответственно; 0 - энергия активации динамиче-ской рекристаллизации; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура деформации [К]; Ь0- начальный размер зерна, нормированный к 1 мкм; С - константа, равная й0 при £=0.

В зависимости от структуры, температуры и скорости деформации один и тот же металлический материал может рассматриваться как пластичный (ПМ) или как сверхпластичный (СПМ). В качестве примера на рис. 4 приведены основные закономерности изменения свойств при деформации одного и того же сплава в ультрамелкозерни-стом и обычном горячедеформированном крупнозернистом состоянии. Как показал опыт, накопленный в НИЛ ДСПМ ГТУ «МИСиС», эти закономерности достаточно хорошо описываются с помощью определяющий соотношений (6)—(15).

Термокинетическая карта процессов

деформации металлических материалов

Объемноаморфные материалы, у которых ре -гулярная кристаллическая решетка отсутствует,

Ю

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Степень деформации Д.«(£/Ъя)

1

/ -г УИ _!_< Им ■ I

1 і ІІІ111І 1 » 1 шиї .1 -1 1 : =-1_1Т~~~

1 10 100 Бремя релаксации , г, с

-1 0 10 10

1 -10 ТОО

Размер зерна, Ь, мкм

Рис.

Скорость деформации , ц , с 1

4. Основные закономерности реологического поведения одного и того же сплава в пластическом и сверхпластическом состояниях

в определенных диапазонах температур и скоростей деформации ведут себя как вязкие материалы (ВМ), т.е. как нелинейно-вязкие жидкости (т > 0,5... 0,9) или как вдеально вязкие (ньютоновские ) жидкости (т = 1.0). Таким же обра-зом ведут себя и расплавы металлов и сплавов, также представляющие собой в реологическом отношении вязкие материалы.

Во всех этих процессах механизмы массопере-носа и эволюции структуры, а также характер зависимости «напряжение течения - деформация -скорость деформации» определяются температурным интервалом обработки и скоростью изменения температуры. В большинстве случаев последняя представляет собой скорость охлаждения деформируемого материала, однако некоторые процессы происходят в режиме термоциклирования, и в этом случае должна быть принята во внимание также скорость нагрева.

Для анализа сходства и различий термокинетических характеристик различных процессов ОМД была построена термокинетическая карта (рис. 5) в координатах «обратная гомологическая температура процесса Тм/Т - скорость изменения температура процесса йТ/йт». Поле этой диаграммы поделено на области, каждая из которых условно соответствует определенному процессу.

В нижней части карты располагаются обычные процессы обработки металлов давлением, а также процессы сверх-пластической деформации В левой и средней частях диапазона обратных гомологиче-ских температур рас-поло же ны области

процессов холодной и теплой деформации с интервалами температур до 0,257™ и 0,57™ соответственно. Пунктирная линия, восходящая слева направо, описывает рост скорости охлаждения с увеличением температурного градиента в приповерхностном слое нагретой заготовки в контакте с более холод ным инструментом.

Процессы полугорячей деформации расположены в интервале (0,5... 0,7)77ил. Этот ин-

тервал совпадает с интервалом термоциклирования, в котором проявляется сверхпластичность фазового превращения у железа и сплавов на его основе. Скорость изменения температуры при термоцикли^овании обычно находится в преде-лах 10- ... 10 К/с. Следующая область в этом ряду находится в интервале (0,7...0,9)77ил. Верхняя часть этой области принадлежит обычным процессам горячей деформации со значительными скоростями охлаждения, соответствующими повышенной разности температур горячей заготов-ки и инструмента. В нижней части этой области располагаются процессы изотермической деформации и деформации ультрамелкозернистых сплавов. Очень малые скорости изменения температуры, которыми можно пренебречь, типич-ны для этих практически изотермических процессов. Крайнюю правую область в этом ряду между 0,9Тпл и, возможно, температурами несколько выше Тпл занимают процессы высокоскоростной деформации, которые, по существу, не являются изотермическими.

Хорошо известно, что температура переохлаждения расплава тем ниже, чем выше скорость охлаждения. Эту зависимость иллюстрирует другая пунктирная линия в верхней части карты, которая восходит справа налево, создавая границу между кристаллизующимся расплавом (справа от кривой) и твердым состоянием деформи-

Комнатная температура для металлов

Бп РЬ 2п _МдА1 Ай Си ЖЕеТІ Гомологическая температура , Т/Тт

0. 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8 0.91.0

10

ю

10!

Н|м

10й

Чистые металлы N1, Ад Аморфизация

7 Переохлажденный

Критическая / ^ *

область 7 ?асплав

10

10'

5 101 10'

о &

о іл-2 и и

аморфизации

Нормально аморфизируемые двойные сплавы Р<1-5і, М-Р, Си-гг

Легко аморфизируе-1 мые многокомпонентные сплавы Р^Си-Б.РШ-Р.Ре-Р-З

\ Импульсная деформация \

V----------иош-------------Ч--Г -

Холодная

деформация

Теплая

деформация-

ДСПФП

Полуго

рячая

обработка

!Б ГД 1|

ИШ 165

дмспс у

<

^ "

о Н < о.

10ш

10е

10

10*

НО2

10°

10

-2

10 9 8 7

1.0.9 0.8

Обратная гомологическая температура , Тц, / Т Ю‘

Рис. 5. Термокинетическая карта процессов деформации металлических

материалов

руемого материала (слева от кривой). Область справа от кривой в пределах скоростей охлаждения 10"1... 102 К/с относится к процессам деформации кристаллизующегося металла (тиксот|>оп-ная штамповка). Скорости охлаждения до 10 К/с характерны для процессов так называемой «импульсной объемной штамповки».

Верхняя часть карты (скорости охлаждения до 1011 К/с) относится к процессам аморфизации. Три линии со штриховкой показывают критические режимы аморфизации чистых металлов, нормально аморфизирующихся двойных сплавов и легко аморфизируюшихся многокомпонентных (так на -зываемых объемных аморфных) сплавов. Послед -ние, как показывают современные исследования, проявляют наивысший уровень прочностных свойств и являются объектами нанотехнологий.

Представленная термокинетическая карта процессов деформации металлических материа-

лов является удобной основой для изучения определенных реологических параметров при де-формции различных металлических материалов и формирования соответствующих баз данных ВС о реологических свойствах материалов для компьютерного моделирования процессов ОМ Д.

Заключение

Основные реологические модели, связанные с определенными способами деформации металлических материалов, описывают пластическое, вязкопластическое и вязкое состояния объектов деформирования. Соответственно построение и раз -вигие ВС для моделирования обработки металлических материалов должно включать возможность описания структурных изменений деформируемого материала и его физического состояния: твердого (кристаллического и аморфного), жидкого, а также возможных переходных состояний.

УДК 621.97

Кадошников В.И., Решетникова Е.С., Решетников Л.В., Кочуков С.В.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОВОК ФЛАНЦЕВЫХ БОЛТОВ

Фланцевый крепеж имеет в мировой практике самое широкое распространение. Болты, гайки, винты с фланцем позволяют создавать оптимальные контактные напряжения на скрепляемых деталях, уменьшают количество деталей в соединении (за счет исключения шайб), позволяют экономить металл. Увеличение опорной поверхности обеспечивает более надежное стопоре ние при затяжке, в том числе по сравнению с пружинными шайбами.

Фланцевые болты производятся на холодновысадочных пресс-автоматах, причем способы формирования шестигранной головки болта и фланца различны:

а) высадка;

б) обрезка граней головки и фланца;

в) редуцирование шестигранной головки болта и дальнейшая высадка фланца.

Качество фланцевых болтов, изготавливаемых высадкой, невысокое за счет незаполнения ребер шестигранной головки, что приводит к уменьшению контактной поверхности болтов.

Способ формирования шестигранной головки болта и фланца обрезкой используется для изготовления высоко качественных фланцевых бол-

тов для ответственных соединений, но ведет к повышению стоимости продукции за счет низкой стойкости обрезных пуансонов и наличия технологических отходов.

Способ формирования шестигранной головки болта редуцированием с дальнейшей высадкой фланца по сравнению со способами высадки и обрезки наиболее оптимален, так как обеспечивает хорошее оформление головок болтов при низком расходном коэффициенте металла и высокой стойкости формообразующего инструмента. Однако допуск на диаметр фланца болтов, изготавливаемых данным способом, больше, чем у болтов, изготавливаемых обрезкой (не менее ±0,2 мм) [1], что не позволяет применять их для ответственных со -единений Назначение большого допуска на диаметр фланца болтов связано с образованием наплывов металла на торцевой поверхности! фланца.

Наплывы на фланце болта образуются вследствие неравномерности распределения металла, предназначенного для формирования фланца, при редуцировании шестигранной головки. Это происходит в силу конструктивных особенностей ра-бочей полости пуансона, которая, как правило, состоит из деформирующей конусной части и ка -