Математическая модель оценки прочности неоднородных изделий, формообразуемых в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации

Доктор технических наук профессор

Старший преподаватель

Математическая модель оценки прочности неоднородных изделий, формообразуемых в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации

(Работа выполнена при поддержке гранта Т02-06.4-271 Минобразования РФ)

С целью определения влияния геометрических, температурных и силовых факторов на прочность сцепления матричного и армирующего элементов неоднородных изделий (НИ), формообразуемой в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации (СКПД) на кафедре МиТОМД проведены экспериментальные исследования [1], суть которых изложена ниже.

1 этап: Изготавливали образец НИ, представляющий собой цилиндр из материала матрицы с аксиально-расположенным армирующим элементом в виде стального стержня со свободными торцами (рис.1). В предварительно нагретую пресс-форму 6 устанавливали цилиндрический или конический стержень 4, с помощью тигля 1 заливали расплав матрицы НИ 2 и осуществляли прессование пуансоном 3. При этом одновременно протекали два процесса: кристаллизация расплава 2 и пластическая деформация закристаллизовавшегося объема 5.

Управляющими параметрами являлись температура пресс-формы, усилие механического давления при СКПД, величина конусности контактной поверхности.

Технологические параметры процесса получения НИ: сплав матричного материала – АК18; внешний диаметр образцов НИ D=80 мм; высота образцов h=45¸50 мм; диаметр армирующего стержня (малого диаметра для конических) d=30 мм; угол образующей поверхности армирующего элемента a= 0°, 5°, 10°, при этом конусность равна 2a; величина шероховатости контактной поверхности Ra= 1,6 мкм; обработка контактной поверхности: механическая зачистка и обезжиривание; температура нагрева пресс-формы перед заливкой расплава 140°С, 280°С; температура расплава при заливке 700¸720°С; давление штамповки: 0, 50 и 100 МПа; время выдержки расплава в штампе до приложения давления 6¸8 с; время выдержки под давлением 50¸60 с.

Рис.1. Схема формообразования образца НИ с коническим армирующим элементом в условиях СКПД: заливка расплава (а), пластическая деформация кристаллизующегося расплава (б):

Pш – усилие штамповки; sш – давление в жидкой фазе, возникающее при штамповке; sу –напряжение, возникающее в результате температурной усадки поковки и упругих свойств материала матрицы, tтр - элементарная сила контактного трения; a - половина угла конусности.

2 этап: После полного охлаждения (до 20¸25°С) образца НИ производилось его разрушение путем выпрессовки армирующего стержня. При этом регистрировалось усилие сдвига, при котором армирующий элемент начинал перемещаться относительно матрицы. Схема испытания образца НИ на разделение составляющих приведена на рис.2.

Рис. 2. Схема замера и общая схема испытания образцов НИ на прочность адгезионных связей: 1 – матрица НИ; 2 – неподвижная опора; 3 – армирующий элемент.

Усилие, действующее на боковой поверхности армирующего элемента при его сдвиге, представляет собой силу трения. Эта сила является результатом действия внутреннего и контактного трения, действующих соответственно на участках, где произошло образование мостиков схватывания между металлами элементов НИ, и где они только прилегают друг к другу. Сила внутреннего трения обусловливается сопротивлением сдвига более пластичного металла матрицы.

Поверхность стального армирующего элемента после разрушения НИ содержит различимые невооруженным взглядом следы материала матрицы (рис.3, увеличено).

Рис.3. Поверхность стального армирующего элемента после разрушения НИ (светлые участки – следы сплава АК18).

Такое разрушение металлокомпозита, при котором наличие одного материала на другом определяется визуально, как известно [2], называют когезионным. При этом локальная прочность сцепления двух различных материалов превышает прочность одного из них. На рис. 4. показана типичная диаграмма разрушения НИ с цилиндрическим и коническим армирующим элементом. В обоих случаях при нагружении НИ усилие возрастает до критического значения PВ, при котором происходит разрушение адгезионных связей и сдвиг армирующего элемента относительно матрицы. Разрушение адгезионных связей сопровождается характерным звуковым эффектом. В следующий момент усилие подает до нуля, если армирующий элемент конический (рис.4, кривая 2). Если же армирующий элемент имеет цилиндрическую контактную поверхность, то усилие падает до значения, при котором импульс движения полностью гасится силами трения на контакте элементов НИ. При этом торможении за счет перехода кинетической энергии в тепло, остаточных напряжений на контакте и достаточной пластичности материала матрицы возможно вторичное образование адгезионных связей. То есть, происходит сварка трением с образованием мостиков схватывания на контактной поверхности элементов.

Рис. 4. Типовая зависимость «путь – усилие» при нагружении и разрушении образца НИ с цилиндрическим (1) и коническим a=5° (2) армирующим элементом.

Вновь образованные мостики схватывания обуславливают повторный росту усилия до нового критического значения, при котором происходит разрушение новых адгезионных связей и сдвиг армирующего элемента. Затем все повторяется вновь. При этом на контактной поверхности элементов образуются задиры. На диаграмме (рис.4.) этому соответствует пилообразный участок кривой 1 после основного пика. Для менее пластичного материала матрицы, например высококремнистого алюминиевого сплава, кривая после второго пика плавная и обуславливается действием внешних сил трения. По мере сдвига армирующего элемента площадь контактной поверхности уменьшается и усилие падает.

По результатам экспериментов были получены линейные уравнения регрессии, связывающие прочностные характеристики НИ с температурно-силовыми параметрами процесса СКПД для каждого значения конусности контактной поверхности армирующего стержня:

a=0°:	;	(1)
a=5°:	;	(2)
a=10°:	,	(3)

где a - угол наклона образующей контактной поверхности армирующего стержня; sвм – предел прочности материала матрицы НИ, МПа; sвНИ – условный предел прочности НИ, определяемый, как отношение усилия, при котором происходит сдвиг армирующего стержня, к площади контактной поверхности армирующего элемента, МПа; sш – величина механического давления при штамповке, определяемая усилием на пуансоне и его площадью в плане, МПа; Qп-ф – абсолютная температура пресс-формы при заливке расплава, °К; Qзалм – абсолютная температура расплава материала матрицы в момент заливки, °К.

По формулам (1–3) в среде Mathematica 5.0 получены графические поля значений относительной прочности НИ в зависимости от управляющих факторов процесса СКПД при различных значениях угла наклона поверхности a армирующего элемента к линии перемещения пуансона (рис.5).

а) a=0° б) a=5°

в) a=10°

Рис.5. Поля значений конструктивной относительной прочности образцов НИ в зависимости от температурного и силового факторов процесса СКПД

Анализ диаграмм показывает, что прочность НИ с цилиндрическим армирующим элементом (рис.5, а) определяется в основном величиной механического давления, при этом увеличение температуры пресс-формы ухудшает результат; прочность НИ с коническим армирующим элементом a=5° выше предыдущего случая при мало выраженном преимущественном влиянии какого либо параметра (рис.5, б); увеличение угла a до 10° (рис.5, в) приводит к превалирующему положительному влиянию одновременного действия температурного и силового факторов на конструктивную прочность НИ.

Выводы по работе:

1. Увеличение конусности армирующего элемента 2a от 0° до 20° приводит к повышению прочности связи элементов неоднородного изделия, формообразуемого в условиях СКПД. Это связано, во-первых, увеличением нормальной к контактной поверхности составляющей давления, сообщаемого пуансоном; во-вторых, в процессе уплотнения кристаллизующегося объема матричного сплава, происходит запрессовка конического стержня в кольцевую матрицу неоднородного изделия, что увеличивает натяг при посадке, а с ним и величину нормального давления, способствующего зарождению и развитию адгезионных связей.

2. Так как предел прочности неоднородного изделия вычисляли без учета распределения нормальной и касательной составляющей усилия разрушения к контактной поверхности, его следует рассматривать, как конструктивную прочность при действии продольной к оси арматуры нагрузки.