Диссертация (Совершенствование технологии изготовления колец из титанового сплава ВТ6 путем определения рациональных режимов деформирования), страница 7

Для многих титановых сплавов в целом и для сплава ВТ6 в частностиобработка давлением является не только способом формоизменения, но исредством формирования требуемой микроструктуры. Выбор правильногорежима деформации и термообработки для титановых сплавов крайневажен, так как их механические свойства очень сильно зависят от типа ипараметров микроструктуры.2. Для прогнозирования технологической наследственности свойств иструктуры титановых сплавов необходимо учитывать в расчетах процессковки как предварительную операцию в технологическом процессеизготовления колец. В настоящее время исследований по изучениютехнологической наследственности микроструктуры конечного изделия отрежимов ковки и раскатки при изготовлении колец из сплава ВТ6 необнаружено.3.

Обнаруженные в литературе сведения о моделях, описывающих изменениемикроструктуры в сплаве ВТ6 при обработке давлением, являютсяпротиворечивыми,поэтомудляпостроениямоделиизменениямикроструктуры сплава ВТ6 при обработке давлением требуетсяпроведение дополнительных экспериментальных исследований.4. Существующие методы расчетов процессов изготовления колец непозволяют прогнозировать микроструктуру конечного изделия, поэтомунеобходимо создание новой методики проектирования технологическогопроцесса изготовления колец из сплава ВТ6 с учетом изменениямикроструктуры.На основании выводов из литературного обзора сформулированы задачиисследования, изложенные во введении диссертации.54Глава 2.Разработка математической модели технологическогопроцесса раскатки колец из сплава ВТ62.1.Основные допущенияРасчет осуществлялся в программном комплексе DEFORM 11.0.

Ковкарассчитывалась в двухмерной осесимметричной постановке, а раскатка колец –в объемной ALE-постановке.При расчете принимались следующие основные допущения:− процесс деформации считался квазистатическим, динамические иволновые эффекты не учитывались;− материал заготовки сплошной, однородный, изотропный;− материал заготовки вязкопластический с нелинейным упрочнением;− материал заготовки является несжимаемым;− материал инструментов абсолютно жесткий;− вопросы разрушения заготовки и стойкости инструмента нерассматривались;− массовыми и объемными силами пренебрегали.2.2.Математическая модель пластической деформацииТак как при анализе технологического процесса изготовления колецпринимается, что пластические деформации значительно превышают упругие,топоследнимиможнопренебречь.Такимобразомэквивалентную(эффективную) деформацию можно рассчитать следующим образом:=где̅–̅,эквивалентная (эффективная) скорость деформации, с-1.(2.1)55В каждой материальной точке заготовки в любой момент временивыполняются условия равновесия (для декартовых координат):,Эквивалентнаяскорость=0(2.2)деформации(интенсивностьскоростейдеформации) для несжимаемых материалов:̅=̅где–2̅3(2.3)̅ ,тензор скоростей деформации.Также должно выполняться условие постоянства объема:̅ = 3 ̅ = ̅ + ̅ + ̅ = 0,̅–объемная скорость деформации, с-1;–средняя скорость деформации, с-1;̅, ̅, ̅ –главные скорости деформации, с-1.где̅(2.4)Компоненты тензора скоростей деформации определяется через скоростидвижения частиц среды при помощи уравнений Коши:̅ =12,+,(2.5)Связь напряженного и деформированного состояния материала длявязкопластической среды осуществляется при помощи уравнений Сен-ВенанаЛеви-Мизеса:56̅ =гдеs3 ̅2(2.6),–девиатор напряжений, МПа;–эффективное напряжение, МПа.Девиатор напряжений рассчитывается следующим образом:s =где=1,0,=≠=−,(2.7)–символ Кронекера;–среднее напряжение, МПа.Условием перехода в пластическое состояние (критерием пластичности)называется закон, описывающий связь тензора напряжений и свойств материала,который определяет переход тела в пластическое состояние:,=0(2.8)Для изотропных материалов переход в пластическое состояние зависиттолько от величины главных напряжений, но не от их направлений.В качестве критерия пластичности использовался критерий МаксвеллаГубера-Мизеса-Генки, который можно представить в следующем виде:(−) +(−) +(−) =2Напряжение течения (эффективное напряжение)факторов:(2.9)зависит от ряда57− независящих от процесса деформации, таких как химический состав,исходная микро- и макроструктура материала и т.д.− зависящих от процесса деформации, таких как температура,скорость деформации, степень деформации.

Степень деформации искорость деформации в случае общего нагружения определяетсяэффективной степенью деформации и эффективной скоростьюдеформации.Таким образом, напряжение теченияможет быть представлено в видефункции температуры, деформации и скорости деформации:== ( , , )̅(2.10)В случае, если предполагается, что напряжение течения существеннозависит от влияния химического состава в пределах допуска, исходноймикроструктуры материала и т.д., необходимо проводить экспериментальныеисследованиятемпературах,поопределениюдеформацияхнапряженияитекучестискоростяхпридеформацийразличныхсучетомвышеперечисленных факторов.Для процесса деформирования вязкопластических материалов краеваязадача может быть сформулирована следующим образом: в определенныймомент времени квазистатической деформации форма тела, распределениетемпературы, деформации и текущих параметров материала должно бытьизвестно. В качестве граничных условий задаются скорости точек ̅ на частиповерхностии нагрузка ̅ на оставшейся части поверхности.

Решениемзадачи являются поля напряжений и скоростей точек, которые удовлетворяютопределяющим уравнениям и граничным условиям.Решение краевой задачи пластической деформации осуществляется припомощи вариационного метода, в котором необходимо найти поле скоростейдеформированного тела, удовлетворяющее граничным условиям и условиямнеразрывности,котороесообщаетфункционалуполноймощности58несжимаемого вязкопластического тела минимальное значение.

Следовательно,необходимо, чтобы был стационарен следующий функционал:где–+̅+̅−= 0,(2.11)кинематически возможное поле скоростей, м/с.Таким образом, математическая постановка, используемая при анализепроцессов пластической деформации в программном комплексе DEFORMявляется строго обоснованной с точки зрения теории пластичности, а самкомплекспригоденэкспериментальногодлярасчетаопределенияоперацийповеденияраскаткисплаваВТ6колецприпослегорячейпластической деформации.2.3.Математическая модель теплопередачиПроцессыобработкидавлениемхарактеризуютсязначительнымиизменениями температуры заготовки.

Распределение температуры в заготовкеоказывает значительное влияние на процесс деформации, так как от температурызависит пластичность материала, его сопротивление деформации, величина силтрения на поверхности контакта с инструментом. Кроме того, неоднородностьтемпературного поля часто приводит к неоднородности деформации иструктуры материала. Кроме того, скорость изменения микроструктурысущественно зависит от температуры. Все это приводит к необходимостирешения совместной термопластической задачи, т.е.

учету теплообмена впроцессе деформации. [89]Теплообмен–этопроцесссамопроизвольногонеобратимогораспространения теплоты в пространстве. Под процессом распространениятеплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами59и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляетсятремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением [9].При анализе тепловой задачи принимались следующие допущения:− теплотехнические параметры сплава ВТ6 считались постоянными;− деформация рассматриваемого объема, связанная с изменениемтемпературы, не учитывается;− внутренние источники теплоты в теле распределены равномерно.Для расчета температурного поля в заготовке использовалось уравнениенестационарной теплопроводности, которое можно представить в следующейформе [89]:∇где∇+−= 0,–коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);–оператор Лапласа;–удельная мощность генерации теплоты, Вт/м3;–удельная плотность, кг/м3;–удельная теплоемкость, Дж/(г·К);–абсолютная температура, К;–время, с.(2.12)Генерация теплоты в деформируемом теле осуществляется за счеттеплового эффекта пластической деформации, при этом удельная мощностьгенерации теплоты прямо пропорциональна работе пластической деформации:=где̅,̅–коэффициент Тейлора-Куини;–интенсивность напряжений, МПа;–интенсивность скоростей деформации, с-1.(2.13)60Коэффициент Тейлора-Куини определяет долю энергии пластическойдеформации, которая преобразуется в теплоту.

Значение коэффициента ТейлораКуини принималось равным 0,95. Оставшаяся доля пластической деформациирасходуется на изменение плотности дислокаций, границ зерен и фазовыепревращения [43]. Генерация теплоты за счет работы сил трения не учитывалась.Для решения уравнения нестационарной теплопроводности необходимозадать начальные условия в виде начальных температур заготовки иинструментов, а также граничные условия 3-го рода в виде законов теплообменатела с окружающей средой и инструментами.Для определения граничных условий 3-го рода используется закон Фурье:=−где–(2.14),плотность теплового потока через поверхность теплообмена,обусловленная конвективным теплообменом между телом иокружающей средой, телом и инструментами, а такжеизлучением с поверхности тела, Вт/м2;–нормаль к поверхности теплообмена.Уравнение нестационарной теплопроводности в вариационной постановкес учетом граничных условий будет выглядеть следующим образом:,,+−−=0(2.15)Зависимость коэффициента теплопроводности сплава ВТ6 от температурыбыла построена на основе работ Полева и др.