Актуальность темы исследования. Магний и его сплавы являются перспективными материалами для применения в области авиации, ракетно-космической техники, автомобилестроении, медицине и нефтяной промышленности.
Большое внимание направлено на рассматриваемую в данной работе холодную деформацию магния, которая имеет ряд преимуществ перед горячей.
В ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого президента Б.Н. Ельцина» (далее УрФУ) совместно с Институтом физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (далее ИФМ УрО РАН) в настоящее время осуществляется разработка способов холодной деформации магния в условиях наложения высокого уровня напряжений сжатия и исследование свойств полученных изделий. В связи этим появилась необходимость в новых решениях краевых задач механики деформируемого тела, по результатам которых возможна оценка напряженно-деформированного состояния, температурного поля изделия в технологическом процессе, с возможностью сопоставления полученных результатов со свойствами реального продукта. Также появилась необходимость в разработке новых способов холодной деформации магния, с постановкой краевых задач посредством компьютерного моделирования, что позволило бы получить больший объем информации, рассмотреть и сопоставить большее количество альтернативных схем деформации, предотвратить появление дефектов и спрогнозировать качество изделия до того, как будет изготовлен инструмент. В связи с этим тема исследования, направленного на получение сведений из области деформации магния и разработку новых способов его деформации, является актуальной.
Степень разработанности темы. В ранее выполненных работах содержатся результаты экспериментальных и теоретических исследований в основном горячей деформации магния и его сплавов, исследована структура и текстура изделий, полученных различными способами горячей деформации.
Однако в перечисленных работах не рассматривается напряженно- деформированное состояние металла в процессах холодной деформации. В малой степени изучены процессы холодной деформации. Это обусловлено тем, что сам магний обладает низкой пластичностью. Сделана ставка на повышение пластичности за счет нагрева, при этом упуская из виду, что при нагреве в отличие от алюминия магний склонен к газонасыщению и потере механических свойств.
Целью работы является определение рациональных параметров формоизменения магния в условиях холодной деформации.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Создать компьютерные модели процессов холодной деформации магния с использованием метода конечных элементов и провести моделирование в программных комплексах DEFORM и ABAQUS.
2. Провести анализ напряженно-деформированного состояния металла посредством компьютерного моделирования.
3. Получить закономерности формоизменения металла в различных условиях деформации, сравнить с экспериментальными данными.
4. Разработать новые способы холодной обработки магния, с предварительным их компьютерным моделированием.
Научная новизна работы заключается в определении рациональных параметров холодной деформации магния с применением приемов, повышающих уровень сжимающих напряжений. В том числе исследовано влияние оболочек различных форм и размеров на напряженно-деформированное состояние при холодной кузнечной осадке. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния при неравноканальном угловом многониточном прессовании магния. В результате расчетов сделано заключение о распределении деформаций при нагружении в тестовых испытаниях магниевого шара как саморастворяющегося элемента запорной арматуры скважины для нефтегазодобычи.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении связей между видами и параметрами холодной деформации магния, приводящими к созданию условий получения заданных продуктов
Практическая значимость работы состоит в создании приемов сборки композиционных заготовок для холодной осадки магния, в разработке новых устройств и способов холодной деформации магния, что подтверждается актом внедрения ИФМ УрО РАН.
Методология и методы исследования
В работе использован современный метод решения прикладных задач обработки металлов давлением - метод конечных элементов, реализованный в программных комплексах DEFORM и ABAQUS, ряд решений подвергнут экспериментальной проверке.
Положения, выносимые на защиту.
1. Влияние бокового подпора на пластичность магния при холодной кузнечной осадке.
2. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния полосы посредством трехмерной компьютерной модели процесса холодного неравноканального углового прессования и свойств полосы, полученной аналогичным методом в условиях реального эксперимента.
3. Разработанная схема многоканального углового прессования с повышенными коэффициентами вытяжек, позволяющая получать не только плоские заготовки, но и заготовки равноосного сечения, в том числе круглого, квадратного и иных сечений.
4. Анализ напряженно-деформированного состояния при испытании магниевого шара, расположенного на кольцевой опоре и нагруженного гидростатическим давлением.
5. Разработанный способ изготовления шарового элемента клапана для буровых скважин, включающий изготовление оболочки из деградируемого материала (магния или магниевого сплава) и заполнение оболочки недеградируемым материалом (сталью).
6. Анализ результатов решения задачи холодного обратного выдавливания в программном комплексе DEFORM тонкостенных магниевых стаканов.
Степень достоверности результатов работы в экспериментальной части подтверждена применением современных средств измерений и методов статистической обработки полученных данных, сравнением с известными аналогами из технической литературы.
В теоретической части - экспериментальной проверкой результатов вычислительного эксперимента.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XLV международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», г. Москва, Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2019; IV Международная молодежная научно-практическая конференция «Magnitogorsk rolling practice», г. Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2019; Юбилейная международная научно-практическая конференция "Современные инновации в области науки, технологий и интеграции знаний", г. Рудный, Рудненский индустриальный институт, 2019; IV Международная школа для молодежи "Материаловедение и металлофизика легких сплавов", г. Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, 2019; Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», г. Уфа, Башкирский государственный университет, 2020; V международная молодежная научно-техническая конференция «Magnitogorsk rolling practice», г. Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2020; XLVII международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», г. Москва, Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2021; VII всероссийская научно-техническая конференция «Пром-инжиниринг», г. Москва, г. Челябинск, г. Новочеркасск, г. Волгоград, г. Сочи, Южно-Уральский Государственный Университет, 2021; Международная конференция «Физика и технологии перспективных материалов-2021», Уфа, Башкирский государственный университет, 2021.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 19 научных статьях, из них 9 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, 4 из которых вошли в международные базы Scopus и Web of Science, а также в описании одного патента РФ на изобретение.
Частично работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90051.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста, включает 77 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 173 наименований и одного приложения.
Итоги исследования заключаются в следующем.
1. Выявлено влияние параметра 8д/Во на величину показателя напряженного состояния в процессе осадки магниевой цилиндрической заготовки в оболочках различного вида из пластичного материала. Посредством увеличения параметра 8о/Во показатель о/Т может быть увеличен до величин, обеспечивающих осадку без разрушения заготовки.
2. Разработаны композиционные заготовки, с помощью которых в процессе осадки возможно получение образующей магниевого цилиндра, близкой к прямой линии, и как следствие, применение простого метода разделения заготовки на цилиндр и оболочку в виде приема выпрессовывания.
3. Расчетами напряженно-деформированного состояния показано, что осадка магния в оболочке при воздействии прессового инструмента только на торец заготовки приводит к повышению пластичности металла, вследствие повышения показателя напряженного состояния по модулю в 2...5 раз при сравнении его с показателем напряженного состояния при обычной осадке.
4. Моделированием процесса НРКУП выявлена разница степени деформации в поперечном сечении полосы, она может достигать 24% в зависимости от места. Этот вывод подтвержден результатами измерения твердости полосы.
5. Разработано устройство для углового многоканального прессования, имеющее возможность получения заготовок равноосного сечения, в том числе круглого, квадратного и иных сечений.
6. По результатам моделирования выявлены опасные зоны шара, применяемого в качестве элемента запорной самоуничтожающейся арматуры в нефтяных и газовых скважинах, с позиции разрушения - периферийные зоны, где возможно появление трещин из-за повышенных и локализованных пластических деформаций и центральная зона, где возможно появление растягивающих средних нормальных напряжений.
7. Разработан способ изготовления шарового элемента клапана для буровых скважин, включающий изготовление оболочки из деградируемого материала (магния или магниевого сплава) и заполнение оболочки недеградируемым материалом (сталью).
8. Посредством моделирования процесса обратного выдавливания магниевого стакана из сплошной заготовки установлено, что снижения рабочих напряжений можно достичь, применяя пуансоны со сферическим торцом, а также применяя калибрующие пояски, выполненные на торце пуансона. При этом выявлена опасность потери устойчивости стенки на выходе из очага деформации в виде гофрообразования. Установлено, что для предотвращения этого явления нельзя использовать калибрующие пояски слишком малой длины.
9. При анализе схемы обратного выдавливания с противодавлением, создаваемым втулкой, установлено, что величина противодавления зависит от относительной толщины втулки, прочностных свойств материала втулки и показателя трения.
10. Практическая ценность исследования подтверждается применением полученных результатов при выполнении научно-исследовательских работ в ИФМ УрО РАН.
По итогам исследования выработаны следующие рекомендации.
1. При необходимости получить схему формоизменения магния и его сплавов при пониженных температурах следует создать по возможности максимально высокий уровень напряжений сжатия, что приведет к повышению пластичности.
2. При прокатке с целью утонения полосы, полученной методом НРКУП, необходимо учитывать повышенную нагартовку верхней поверхности и кромок полосы.
3. В процессе обратного выдавливания стакана следует обратить внимание на параметры, снижающие напряжение на пуансоне и силу выдавливания, тем самым получая возможность изготовить стаканы большей высоты.
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в расширении области моделирования процессов формоизменения магния с наделением деформируемой среды свойствами анизотропии, перейти от условия текучести Мизеса и к более сложному решению задач с применение условия текучести Хилла. Это тем более важно, что кристаллическая решетка магния - гексагональная, с малым количеством плоскостей скольжения, что формирует предпочтительные направления развития деформации. В работе упор сделан на описание уровня сжимающих напряжений в различных схемах деформации, в будущем предполагается проведение опытов, построение диаграммы пластичности, учитывая этот уровень, а также анизотропию самого магния.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
