ДОКЛАД Диссертация НАПАЛКОВА АЛЕКСАНДРА ВАЛЕРЬЕВИЧА Разработка модели накопления деформационной поврежденности сталей

	авторский проект Напалкова Александра Валерьевича



новости :: рейтинг производителей метизов :: проекты :: рукописи :: журналы :: наука :: технологии :: оборудование :: производство

А.В. НАПАЛКОВ, канд. техн. наук
ДОКЛАД
по результатам диссертационной работы
“Разработка модели накопления деформационной поврежденности сталей и её применение в расчетах холодного пластического формообразования”

МНОГОУВАЖАЕМЫЙ ПРЕДСЕДАТЕЛЬ, МНОГОУВАЖАЕМЫЕ
ЧЛЕНЫ СОВЕТА!
Классические модели деформационной поврежденности, основанные на механике разрушения, или физике прочности и пластичности, в промышленных, технологических расчетах привлекаются пока весьма редко.
Так, основная проблема феноменологической теории разрушения - это экспериментальное определение предельной деформации. Дело в том что, получаемые диаграммы пластичности соответствуют конкретному способу деформирования, в то время как при штамповке каждый элементарный объем заготовки деформируется в условиях своего пути нагружения. В условиях поэтапной деформации феноменологические модели не учитывают кинетическую природу разрушения.
В работе Лавриненко Ю.А. был использован кинетический подход при описании пластической деформации и дано оригинальное решение последовательного учета истории нагружения при расчете характеристик напряженно-деформированного состояния. Однако проблема последовательного учета истории нагружения при прогнозе разрушения до сих пор актуальна.
Поэтому целью предлагаемой Вашему вниманию работы явилось повышение точности расчета деформационной поврежденности в сталях при математическом моделировании многопереходных технологических процессов холодной объемной штамповки за счет последовательного учета истории нагружения.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка инженерной физической модели накопления поврежденности при холодной пластической деформации сталей.
2. Определение параметров разработанной модели на основе экспериментальных диаграмм деформирования и пластичности сталей.
3. Доработка пакета прикладных программ ОМД УГАТУ и исследование адекватности модели накопления поврежденности в условиях простого и сложного нагружения.
4. Численное моделирование, рационализация и внедрение в производство технологии холодной объемной штамповки втулки из стали 20.
В качестве материала исследований были взяты десять марок сталей, которые нашли широкое применение для изготовления крепежных деталей. Химический состав сталей и характеристики механических свойств приведены в таблицах на плакате 3.
Схема экспериментальных исследований диаграмм деформирования при больших пластических деформациях и смене знака нагружения представлена на плакате 4. Предварительную деформацию задавали волочением. Из полученных прутков нарезали образцы для осадки без обточки по диаметру. Соотношение высоты к диаметру, сохраняли 1:1.
Схемы простого и сложного нагружения образцов для последующего исследования разрушения представлены на плакате 5. Простое нагружение задавали одноосным растяжением до разрыва. Сложное нагружение - по двум схемам: поэтапное волочение, закручивание и одноосное растяжение до разрыва; 2-ая схема - поперечная осадка и последующее одноосное растяжение до разрыва.
В работе, для построения модели был рассмотрен метод взаимного превращения дефектов кристаллического строения. Ранее метод был успешно применен Гринберг, Ивановым, Грешновым, Лавриненко. Приведенная схема является развитием схемы описания превращений дислокаций при пластической деформации, предложенная Лавриненко, и имеет следующее физическое содержание.
При нагружении тела и достижении напряжением предела текучести источники порождают подвижные дислокации g. Пройдя путь до препятствия подвижные дислокации с частотой превращаются в неподвижные. Неподвижные дислокации c течением времени могут срываться с барьера или обходить его с частотой или аннигилировать с частотой, или превращаться в микротрещины m с частотой. С зарождения рассеянных микротрещин наступает первая стадия разрушения, которая практически начинается одновременно с возникновением пластического течения. Микротрещина, являясь термодинамически неустойчивым объектом, может залечиться, испустив в решетку пучок дислокаций. Этот акт характеризуется частотой. Третья стадия разрушения наступает при достижении концентрации микротрещин критического значения 10¹¹... 10¹²на кубический сантиметр. С учетом того, что средняя длина микротрещины 1/10 микрон, критическая плотность микротрещин, составит 10⁶...10⁷ на единицу площади. При этой плотности, согласно существующим представлениям, микротрещины объединяются в макротрещину, рост которой становится термодинамически выгодным. Она быстро вырастает до магистральной, которая распространяется по материалу со скоростью близкой к скорости звука.
Приведенная схема позволяет записать кинетические уравнения детального баланса средних плотностей дефектов, уравнения (1) и (2), при установившейся стадии деформации с постоянной скоростью. Здесь , , - средние скалярные плотности неподвижных и подвижных дислокаций и микротрещин; а - параметр, учитывает разную природу дислокаций и микротрещин и числено равный средней длине микротрещин. Уравнения (1) и (2) дополним уравнениями связи макрохарактеристик пластической деформации с характеристиками атомной и дислокационной структуры материала, уравнения (3) и (4). и - усредненные модуль вектора Бюргерса дислокаций и скорости их движения, - коэффициент, обычно составляет 0,2...1, - усредненный фактор Шмида, - модуль сдвига.
Полагая, что частоты превращения дефектов не зависят от времени, плотности неподвижных дислокаций и плотности микротрещин (линейное приближение), при указанных начальных условиях, решение системы (1-4), после интегрирования и соответствующих подстановок, для случая монотонной деформации и простого нагружения, имеет вид - уравнение (5). Здесь - накопленная в процессе деформации средняя плотность микротрещин; - исходная в материале плотность микротрещин; - напряжение течения металла, представленное в виде уравнения (6) - есть уравнение пластической деформации. При этом - суммарная частота “развала” неподвижных дислокационных скоплений; - средняя длина свободного пробега подвижных дислокаций; - начальная (до деформации) в материале плотность неподвижных дислокаций.
Для расчета поврежденности в условиях немонотонной деформации и сложного нагружения уравнение приращения плотности микротрещин, полученное на основе уравнения (2), после интегрирования примет вид - уравнение (7), где,- накопленная частицей плотность микротрещин за (i) и (i-1) этапов нагружения. При этом подинтегральное выражение может быть как положительным (с повышением плотности микротрещин), так и отрицательным при их залечивании при благоприятных схемах деформации. Уравнения (5) и (7) позволяют использовать физические условия деформирования элементарного объема без разрушения и разрушения, и оценить поврежденность в текущий момент времени.
В рассматриваемых условиях неравновесного процесса пластической деформации и разрушения частоты превращения дефектов возможно описать известным уравнением Больцмана. Здесь - начальные энергии активации преодоления дислокацией барьера, образования и залечивания микротрещины; С, А и В - коэффициенты активационных объемов (коэффициенты перенапряжения), k- постоянная Больцмана, T- термодинамическая температура.
Известно что, при холодной пластической деформации, напряжение течения и пластичность металлов не зависят от скорости деформации. Поэтому, скорость деформации можно исключить из уравнений, если положить, пропорциональность частот превращений скорости деформации. k,, - коэффициенты пропорциональности. Из сравнения видно, что данные коэффициенты представляют собой вероятности соответствующих превращений.
Достоверность прогнозирования разрушения, в первую очередь, зависит от точности расчета характеристик напряженно-деформированного состояния. Учесть деформационные упрочнение и анизотропию можно, как и в подходе Лавриненко, в случае использования теории пластичности Кадашевича - Новожилова, то, в этом случае, в разработанной модели напряжение течения металла заменим на функцию пластических деформаций . Исключив скорость деформации, и введя , уравнения (5) и (7) примут вид - уравнения (8) и (9).
Следующий шаг - определение параметров разработанной модели. Обработкой экспериментально полученных диаграмм прямого и обратного нагружения, на компьютере, с использованием уравнения пластической деформации были найдены значения и . Построенная зависимость от предварительной деформации оказалась линейной. -начальная (до деформации) плотность неподвижных дислокаций в сталях; А -коэффициент пропорциональности. Обработкой экспериментальных диаграмм пластичности на ЭВМ для каждого значения показателя жесткости схемы напряженного состояния были найдены значения коэффициентов и в уравнении (8), соответствующие левой и правой границам интервала критических плотностей микротрещин при = 0. При этом оказалось, коэффициент во всем исследованном интервале изменения k для трех разных сталей близок к единице. Это однозначно говорит о том, что при активной холодной пластической деформации сталей образование элементарных очагов разрушения происходит силовым способом, то есть коэффициенты перенапряжения в голове заторможенного дислокационного скопления таковы, что локальные напряжения достигают значений теоретической прочности. В этих условиях рост пластичности сталей, при уменьшении k, происходит благодаря заметному росту вероятности залечивания микротрещин . Учитывая близость полученных данных, значения для исследованных сталей были осреднены и аппроксимированы данным выражением.
Функциональная зависимость критической плотности микротрещин от показателя жескости схемы напряженного состояния имеет представленный вид. То есть, необходимая плотность микротрещин при которой начинается разрыв перемычек и объединение микротрещин в макротрещину зависит от схемы напряженного состояния и при “мягких” схемах ближе к 10⁷, при“жестких” - к 10⁶.
Всестороннюю экспериментальную проверку разработанной инженерной физической модели проводили в условиях простого и сложного нагружения. Для сравнения решали задачи пластичности с использованием альтерантивной феноменологической модели разрушения Богатова и разработанной модели.
Полная система уравнений краевой задачи технологической пластичности, объединяющая основные положения механики и физики пластической деформации и разрушения представлена на плакатах 12 и 13. Численное моделирование формообразующих операций обработки металлов давлением осуществляли методом конечных элементов в форме прямого метода матриц жесткости в приращениях перемещений. Линеаризацию задачи пластичности проводили методом дополнительных деформаций. Алгоритм линеаризации задачи пластичности с учетом деформационной анизотропии приводится в рукописи.
Моделирование одноосного растяжения цилиндрического образца - как заключительную стадию деформирования в условиях как простого, так и сложного нагружения, осуществляли с начальными условиями, вобравшими “историю” предшествующих деформаций. Граничные условия формировали по результатам экспериментального изучения и математического описания экспериментального контура шейки круглого образца в момент разрушения. Расчетные конечно-элементные модели основных формообразующих операций приведены на плакате 15. С учетом симметрии рассматривалась часть сечения заготовки.
Результаты численного моделирования растяжения круглого образца показывают, что предлагаемая модель накопления деформационной поврежденности качественно точно предсказывает место и момент физического разрушения образцов всех исследуемых сталей, как в условиях простого, так и сложного нагружения. При простом нагружении в наименьшем сечении шейки разработанная модель, адекватна феноменологической модели. В условиях сложного нагружения результаты расчета по альтернативной феноменологической модели разрушения занижены на 50 % от критического значения. О достоверности расчета напряженного состояния позволяют судить хорошие совпадения теоретических и экспериментальных индикаторных диаграмм растяжения.
Результаты решения тестовых задач пластичности подтвердили, во-первых, адекватность разработанной инженерной физической модели в процессе многоэтапной холодной пластической деформации; во-вторых, преимущества разработанной модели по сравнению с феноменологической моделью при сложном нагружении с точки зрения точности расчета.
Это дало основание перейти к моделированию и рационализации параметров промышленного технологического процесса холодной объемной штамповки втулки. Деталь изготавливалась точением на заводе АО “АвтоВАЗ”. Для сокращения сырьевых и временных затрат было сделано предложение заменить старую технологию производства на технологию холодной высадки и внедрить ее в производство на Белебеевском заводе АО “Автонормаль”. Опыт применения технологии на пробной партии деталей, разработанной на основе существующих рекомендаций и производственного опыта, показал ее недостатки. На второй позиции наблюдалась сетка трещин по поверхности внутренней полости фланца заготовки и их развитие на третей и четвертой позициях; на четвертой позиции - локализация сдвиговой деформации под фланцем. Полученная деталь не соответствовала требованиям на готовое изделие по ГОСТ 1759.0-87.
Проведенное численное моделирование всей последовательности технологических переходов по исходному варианту с применением разработанной инженерной физической модели подтвердило существование видимых дефектов. После анализа формообразования и распределения поврежденности в заготовке были введены изменения технологических размеров по переходам штамповки и проведено повторное моделирование. Модель показала, что деталь выходит более высокого качества, деформационные дефекты изчесли. Опыт применения рационализированного варианта технологии подтвердил результаты математического моделирования - качество металлоизделия возросло. Усовершенствованный вариант технологии внедрен в производство с годовым экономическим эффектом 299 952 000 рублей в ценах 1997 года.
А теперь позвольте зачитать основные выводы по работе:
1. Разработана инженерная физическая модель накопления деформационной поврежденности при холодной пластической деформации сталей.
2. В рамках данной модели установлено, что при холодной пластической деформации сталей зарождение микротрещин происходит силовым способом.
3. Сравнительными экспериментальными и теоретическими исследованиями показано, что разработанная модель адекватно предсказывает разрушение металла как в случае простого, так и сложного нагружения.
4. Показано, что феноменологическая теория деформируемости дает адекватный экспериментальным данным прогноз разрушения в случае монотонной или квазимонотонной деформации и простого нагружения. Теория не позволяет адекватно оценить поврежденность в условиях сложного нагружения, и скачкообразного изменения (в широком интервале) показателя жесткости напряженного состояния. Результаты расчета заниженны в среднем на 50% от 1.
5. Показано, что при холодной пластической деформации сталей критическая плотность микротрещин зависит от показателя жесткости напряженного состояния. Получено аналитическое выражение данной зависимости для сталей с содержанием углерода до 0,4 % и легирующих элементов до 3,0 %.
6. На основе проведенного численного моделирования высадки втулки из стали 20, анализа формообразования и распределения поврежденности в заготовке были введены изменения технологических размеров штамповой оснастки по технологическим переходам. Опыт применения рационализированного варианта технологии показал, что деталь выходит более высокого качества, видимые деформационные дефекты исчезли. Рационализированный вариант технологии внедрен в производство на АО “Автонормаль” (г. Белебей) с годовым экономическим эффектом 299 952 000 рублей в ценах 1997 года.
Я закончил. Спасибо за внимание. (доклад на 9 минут, 20 плакатов)
ОГЛАВЛЕНИЕ >>