Исследование одного процесса деформации образцов из пористого материала

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОГО ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

Комсомольск-на-Амуре, Россия

Непрерывное развитие техники постоянно выдвигает задачи изыскания новых материалов с высокими физико-механическими свойствами и широкого внедрения прогрессивных технологических процессов в производство. Зачастую эти материалы обладают низкими пластическими свойствами и применение традиционных технологий обработки материалов давлением (штамповка, ковка, прокатка и др.) для формирования изделий из них крайне ограничено. Технологические процессы формирования изделий из труднодеформируемых материалов методами пластической деформации развиваются по трем основным направлениям: деформирование материала в твердожидком состоянии (цветные металлы и сплавы), деформирование пористого материала из предварительно изготовленной заготовки (пенометаллы) и деформирование материалов в порошкообразном состоянии с последующей термической обработкой (порошковая металлургия). В рамках первого направления технологий получения металлоизделий из труднодеформируемых материалов перспективной является разработка совмещенной технологии литья и обработки металлов давлением, которая позволяют добиться высокой формуемости материала при его низкой пластичности и жидкотекучести. В настоящее время такая технология разрабатывается в ИМиМ ДВО РАН (г. Комсомольск-на-Амуре). Разработан, изготовлен и смонтирован экспериментальный стенд для получения металлоизделий из труднодеформируемых сплавов в твердожидком состоянии с использованием идеи полного совмещения процессов литья и деформации металла в одном устройстве – установке вертикального литья и деформации металла (УВЛДМ). Область применения УВЛДМ может быть существенно расширена за счет использования ее в качестве инструмента пластического деформирования материалов по второму и третьему направлениям. Это связано с тем что, кинематика и принцип работы УВЛДМ позволяет реализовать сложную схему нагружения материала изделия, характеризуемую совместным действием деформаций сдвига и деформаций растяжения-сжатия. Кристаллизатор УВЛДМ (инструмент) состоит из четырех подвижных частей – двух торцевых стенок, имеющих вертикальные и наклонные участки с зоной калибрования и двух плоских боковых стенок, которые приводятся в движение от четырех эксцентриковых валов с помощью единого регулируемого электропривода. Кинематика УВЛДМ организована таким образом, что при повороте приводных эксцентриковых валов стенки кристаллизатора совершают сложное движение, которое приводит к деформации заготовки и ее самоподачи в зону калибрования в непрерывном режиме[1-2]. Такой процесс пластического формоизменения позволяет получить изделия с минимальным количеством дефектов их структуры. Теоретическое описание процессов деформирования заготовок с использованием разработанного инструмента связано с рядом трудностей, которые возникают при задании граничных и начальных условий на поверхностях контакта заготовки и инструмента, а также учетом цикличности процесса. В этой связи возникла необходимость в физическом (натурном) моделировании данного процесса на экспериментальном стенде УВЛДМ. Для проведения физического моделирования процессов пластического формоизменения материалов используются многочисленные методы экспериментального определения напряжений и деформаций. В технологиях обработки материалов давлением широкое распространение получил метод делительных сеток, который является наиболее эффективным при изучении пластического течения материала. Он основан на численном исследовании деформаций координат узлов и размеров ячеек, нанесенной на поверхность образца сетки [3].

В качестве объектов исследования были выбраны три типа составных образцов, изготовленных из полос свинцово-сурьмяного сплава марки ССу ГОСТ 1292-81. Каждый образец состоит из различной комбинации трех слоев, которые в свою очередь могут содержать поры (Б), либо не содержать (А) (Таблица 1). Схемы слоев образцов приведены на рис.1. На поверхность каждого из слоев образца наносили координатную сетку в виде продольных и поперечных рисок, глубиной 1 мм, образующих квадратные ячейки базой 10 мм. Моделирование пористости слоев образца достигалось изготовлением в исходной полосе отверстий диаметром 5 мм с центрами в узлах каждой из ячеек нормальной сетки, нанесенной на поверхность слоя. Все три слоя образца складывали по поверхностям разъема, предварительно покрытых индустриальным маслом марки И-5А ГОСТ .С целью предотвращения относительного смещения слоев образца друг относительно друга в процессе деформации, слои фиксировались между собой алюминиевыми заклепками диаметров 5 мм по всему периметру образца.

Таблица 1

Типы образцов

Тип образца	Схема компоновки слоев образца	Толщина слоя образца, мм	Толщина образца, мм	Длина образца, мм
А	Б
1	А-Б-А	3	3	9	280
2	Б-А-Б
3	А-А-А
Примечание: А - слой без пористости; Б - пористый слой.

После проведения испытаний производили разделение образцов по слоям, фотографировали и по полученным изображениям анализировали искажение координатной сетки, нанесенной на поверхности каждого слоя. С помощью программы обработки цифровых изображений Image Pro Plus 6.0 проводили измерения линейных и угловых размеров искаженной делительной сетки. Компоненты деформации, которые характеризуют истинные удлинения (укорочения) и сдвиг ячеек координатной сетки рассчитывали исходя из измерений величины осей вписанных в ячейку координатной сетки эллипсов и углов поворота этих осей относительно исходной (до деформации) координатной сетки [4].

На рис. 2 представлен внешний вид и схема координатной сетки слоев образца №3.

Для всех слоев образцов после деформации наблюдается равномерное по продольному шагу серповидное искажение поперечных линий сетки с явным удлинением ячеек сетки в продольном направлении (радиус кривизны направлен в сторону выхода заготовки). Средний радиус кривизны продольных линий сетки по длине образца составил 50 мм. Шаг между поперечными линиями сетки в среднем увеличился с 10 мм до 28 мм. Продольные линии сетки практически не претерпели изменений (отклонение шага между продольными линиями сетки не превышает 0,2 мм), что говорит о незначительной величине истинных удлинений (укорочений) ε2. Если пренебречь величиной ε2, то схема деформации образца в калибрующей части можно представить, как результат преобладающего действия удлинения с дополнительным сдвигом.

С помощью экспериментального метода координатных делительных сеток установлены компоненты деформации и картина распределения деформаций, происходящих в материале заготовки при формировании металлоизделия в кристаллизаторе УВЛДМ. Общая деформация увеличивается по мере удаления от оси симметрии образца (вследствие дополнительных сдвигов), где преобладает чистое вытягивание. Сдвиговые деформации также растут от центра к периферии.

Литература

1. , , Черномас и экспериментальное исследование непрерывного процесса кристаллизации металла при одновременном его деформировании. М.: «Наука». 2006г. – 111с.

2. , , Стулов процессов, протекающих при изготовлении металлоизделий на устройстве литья и деформации металла// Технология металлов. 2011. №1. С.27-31.

3. , , Демина пластической деформации и разрушения методом накатанных сеток. М.: ОБОРОНГИЗ, 1962 г. – 188 с.

4. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справочное пособие / Под ред. B.C. Касаткина. - Киев: Наук, думка, I98Iс.