УДК 621.735.32:519.87
ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА QForm V8
© Ершов Александр Алексеевич1, канд. техн. наук, e-mail: eaa@delcam-ural.ru;
Логинов Юрий Николаевич2, д-р техн. наук, проф., e-mail: j.n.loginov@urfu.ru;
Демаков Сергей Леонидович2, канд. техн. наук, e-mail: s.l.demakov@urfu.ru
1 Группа компаний «ПЛМ Урал». Россия, г. Екатеринбург
2 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина». Россия г. Екатеринбург
Статья поступила 10.08.2015 г.
Рассмотрено влияние параметров упрочнения деформируемого материала на распределение степени деформации в изделии при осадке. В исследовании применены материалы с различным видом кривой упрочнения и показана равномерность распределения исследуемого параметра при моделировании и эксперименте.
Ключевые слова: QForm; осадка; разупрочнение; упрочнение; метод конечных элементов.
ся максимум. Можно отметить, что такой максимум наблюдается на диаграммах нагружения большого количества реальных материалов.
Некоторые программные модули в области расчетов процессов пластического формоизменения способны выполнять расчеты только для среды со степенным упрочнением (материалов, характеризующихся постоянно возрастающей функцией зависимости сопротивления деформации от степени деформации), с помощью которых удалось решить многие краевые задачи [5]. Одно из основных ограничений здесь -использование только упрочняющейся среды, что характерно, например, для холодной деформации [6, 7] или для начальной стадии горячей деформации [8, 9]. В программном комплексе QForm из-за отсутствия такого
Ранее [1-4] были показаны возможности программного комплекса QForm и его модулей для решения конкретных краевых задач обработки металлов давлением.
В представленной работе обсуждается одна из возможностей, предоставляемых программным комплексом - учет такого явления как разупрочнение металла в процессе горячей деформации. Свойства деформируемого металла задаются кривой упрочнения, т.е. зависимостью сопротивления деформации с5 от скорости, степени деформации и температуры. Различают зависимости с5 от степени деформации е возрастающего и убывающего вида. В первом случае скорость процессов нагартовки оказывается выше скорости разупрочнения, т.е. темпа рекристаллизации металла, во втором случае наблюдается обратное явление. При совпадении скоростей этих процессов говорят об отсутствии зависимости сопротивления деформации от степени деформации, материал считают неупрочняющимся. В ходе деформации возможен переход от состояния упрочняющегося материала к разупрочняюще-муся, тогда на диаграмме «напряжение пластического течения - степень деформации» появляет-
Рис. 1. Области равного уровня степени деформации заготовки (числа в таблице) при ее осадке с различными отношениями а 7а 0: 0,5 (я), 1 (б), 2 (в)
ограничения задача может быть решена для среды с любым набором свойств.
Для получения вариантов решения сформулирована следующая задача: как распределятся деформации при осадке цилиндра с классическим соотношением высоты к диаметру, равным двум, в трех вариантах постановки:
- среда неупрочняемая (идеально пластическая);
- среда упрочняемая;
- среда разупрочняемая.
Проверяемая гипотеза: наиболее однородное распределение деформации в заготовке характерно для среды с упрочнением: действует закон наименьшего сопротивления - в слишком упрочненных зонах сопротивление деформации сильно вырастет, и деформации перераспределятся в не-упрочненные зоны. В целом картина деформации станет однороднее. Для неупрочняемой среды значимым станет влияние напряжений трения, которое приведет к бочкообразованию. Для раз-упрочняемой среды должны появиться зоны очень интенсивных сдвигов: при развитии деформации металл размягчается и устремляется в том же направлении, формируя области больших градиентов деформаций.
Для оценки влияния эффекта разупрочнения постановка задачи максимально упрощена по граничным условиям - они одинаковы для трех вариантов решения задачи:
- постановка 2Э осесимметричная, изотермическая (не учитывается неоднородность распределения температуры);
- скоростное упрочнение не учитывается, поэтому скорость движения инструмента не важна;
- условия в месте контакта заготовки (цилиндра) с инструментом описываются законом трения Кулона (коэффициент трения равен 0,3);
- при относительном обжатии е = 50% упрочняемая среда упрочняется вследствие изменения сопротивления деформации
ст5 от 100 до 200 МПа (а 1 /а0 = 2); разупрочняемая среда разупроч-няется при изменении ст^ от 100 до 50 МПа (ал /<з 0 = 0,5), а неупрочняемая описывается постоянным значением а = 100 МПа
5
К ^0 = 1).
Результаты расчета на рис. 1 расположены по мере уменьшения
ответственно. С целью лучшего восприятия разницы состояния материала в деформированном состоянии шкала степени деформации выполнена одинаковой для всех вариантов процесса.
Следует отметить, что заданные условия абстрактны, однако они взяты с целью определения роли закона упрочнения в создании картины распределения деформаций. Именно поэтому градиенты изменения сопротивления деформации в зависимости от упрочнения выбраны большими.
Как видно из полученных решений, области затрудненной деформации (см. рис. 1, показаны темно-синим цветом) в зависимости от закона упрочнения оказываются различными. Наименьшая область затрудненной деформации в центре приконтактной зоны возникает в материале, обладающем эффектом упрочнения при /а0= 2. Для неупрочняемого материала (ст51 /а$0= 1) эта зона расширяется, а для материала с разупрочнением (аЛ /а0= 0,5) эта зона достигает центра заготовки. При этом верхние и нижние зоны затрудненной деформации смыкаются. Одновременно происходит перераспределение максимальных деформаций. Наименьший их уровень наблюдается при осадке упрочняемого материала. Именно поэтому локализация деформаций здесь выражена слабо, в целом деформации достаточно однородно распределены по объему. Для неупрочняемого материала намечаются две области повышенных деформаций - в центре заготовки и в периферийных приконтактных зонах. Для разупрочняемого материала центральная зона интенсивных деформаций разделяется на две области: наибольший уровень деформаций в центре, несколько ниже деформации в периферийных приконтактных зонах. В целом в этом случае картина распределения деформаций похожа на так называемый «ковочный крест».
отношения ст51 /а0, характеризуя состояние упрочняемой, неупроч-няемой и разупрочняемой сред со-
Рис. 2. Структура правой половины поперечного шлифа осаженного образца из титанового сплава ВТ22; линиями показаны границы зон с различной
величиной зерна
Показатели неоднородности деформации при различных отношениях as1 /as0
DJD б к 6, % £ £max кг
0,5 1,204 +5,4 0,0003 3,23 ~ 10 000
1,0 1,142 0 0,05 3,73 ~ 70
2,0 1,088 -4,7 0,25 2,09 » 8,5
Для оценки неоднородности распределения деформаций применены несколько показателей:
- показатель неоднородности деформации DJD^ (Dg - диаметр заготовки по бочке; D^ - диаметр по контактной поверхности);
- отклонение 5 текущего показателя DJD^ от показателя, установленного для неупрочняемого материала;
- минимальная и максимальная степени деформации по объему заготовки e и e ;
т * ^ ' min max
- соотношение степеней деформации k = e /e . .
e max min
Расчетные данные приведены в таблице.
Как видно, показатель DJDk, определенный по бочкообразности боковой поверхности, во всех случаях оказался больше единицы, что говорит о большей скорости перемещения центральных слоев металла относительно приконтактных слоев. Наименьшим оказался показатель для упрочняемого материала (cts1 /cj0 = 2,0), что говорит о меньшей кривизне боковой поверхности; наибольшим - показатель для разупрочняемого материала (cts1 /cj0 = 0,5). Уровень отклонения от нуля показателя 5 = ±5%, т.е. его отклонение не очень адекватно отражает большие различия максимальной и минимальной степеней деформации их соотношением, описываемом показателем k:
e
эти различия достигают тысячекратных значений. Показатель оценки неоднородности деформации ke не совсем точно характеризует процесс деформации, так как он предполагает деление на минимальную величину степени деформации, которая в ряде случаев близка к нулю, при этом результат операции деления может приблизиться к бесконечности.
Из таблицы видно, что наименьшее значение показатель ke имеет в случае осадки упрочняемого материала, т.е. деформация здесь наиболее однородна. Наибольшего значения показатель ke достигает при осадке разупрочняемого материала. Расчеты для конкретного случая осадки заготовки из титанового сплава ОТ4 приведены в статье [10].
В дальнейшей работе для сравнительного анализа привлечены данные металлографического исследования структуры цилиндрического образца из (альфа+бета) титанового сплава ВТ22 (система Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr), осадку которого выполняли при температуре 900 °С и относительном обжатии 60%. Для приближения условий постановки опыта к изотермическим контактные поверхности защищали асбестовыми прокладками, которые нагревали вместе с образцом. На рис. 2 изображена структура образца в поперечном сечении (правая половина заготовки). В структуре наблюдается чередование мелких зерен с более крупными. Часть зерен вытянута в определенном направлении, что свидетельствует о наличии области интенсивного течения металла. Зоны заторможенной деформации располагаются ближе к центру контактной поверхности и проникают на большую глубину, практически смыкаясь в центре заготовки. Это соответствует схеме деформации, показанной на рис. 1, а для материала со свойствами разупрочняемой среды. Действительно, анализ кривых упрочнения сплава ВТ22 показывает, что этот вид деформируемого материала для всех случаев деформации демонстрирует свойства разупрочнения.
Заключение. Выполненные с помощью программного комплекса QFORM расчеты показали, что наряду с контактными условиями трения и теплопередачи вид зависимости сопротивления деформации от степени деформации существенным образом влияе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.