Пластичность и деформируемость промышленных сплавов на основе вольфрама, хрома и молибдена

Актуальность работы. Обработка металлов давлением является перспективной и развивающейся областью металлообрабатывающей промышленности. Для современного уровня развития науки и техники характерны прогрессивно растущие требования к повышению качества и снижению себестоимости изделий и полуфабрикатов, получаемых в процессах обработки давлением. Причем, действительность подталкивает производителей к овладеванию навыками быстрого проектирования и освоения технологических процессов, производства новых видов продукции для удовлетворения спроса на рынке металлопродукции. В механике обработки металлов давлением развиты эффективные методики математического моделирования и оптимизации технологических процессов, однако имеются значительные пробелы, связанные с отсутствием экспериментальных данных о пластичности металлов в зависимости от термомеханических параметров нагружения.

Пластичностью, по определению И. М. Павлова, называется способность материала к пластической (необратимой, остаточной) деформации без разрушения материала. Пластические свойства металлических материалов являются. неустойчивыми, подверженными воздействию различных факторов, которые могут вызывать их существенное изменение. К числу значимых факторов, в первую очередь, относятся химический состав материала, структура, наличие примесных элементов, их распределение. Можно выделить также группу факторов, связанных с самими процессами обработки давлением. Таковыми являются условия напряженного состояния деформируемого тела, скоростные условия деформации (для теплой и горячей деформации), температурные условия деформации. Сложность получения оценки оптимальности и надежности технологических’процессов обработки металлов давлением связана с большим числом факторов и сложным характером их изменения.

Особую важность установление причин разрушения металла приобретает при освоении процессов обработки давлением новых сплавов, особенно малопластичных.

Методы определения пластичности должны соответствовать условиям выбранного технологического процесса. Достигаться это может в лабораторных испытаниях, в которых исследуемый материал доводиться до критической степени деформации, когда наступает его разрушение. Мерой пластичности материала при этом, как правило, принимается степень его деформации до начала разрушения.

Основополагающий вклад в формирование теоретических представлений о разрушении металла при обработке давлением был внесен отечественными учеными С. И. Губкиным, М. Я. Дзугутовым, М. А. Зайковым,.

B.Л.Колмогоровым, В. И. Перетятько, А. А. Пресняковым, Г. А.Смирновым-Аляевым, Л. Д. Соколовым, Ю. М. Чижиковым и зарубежными учеными Д. Латамом, М. Кокрофтом, М. Ояне, Томсоном, Бекофеном и другими.

Дальнейшее развитие теорий и моделей разрушения было выполнено в исследованиях А. А. Богатова, Ю. Г. Важенцева, Г. Д. Деля, Е. Г. Зудова, И. А. Кийко, Н. Г. Колбасникова, А. В. Коновалова, Б. А. Мигачева, О. И. Мижирицкого, В. М. Михалевича, В. А. Огородникова, В. А. Скуднова,.

C.В.Смирнова, Б. Е. Хайкина и других.

Анализ современных моделей разрушения показал, что в большинстве из них в качестве эмпирической информации используется зависимость предельной деформации до разрушения от параметров, характеризующих термомеханические условия деформирования. Для этого экспериментальным путем получают диаграммы пластичности, которые выявляют связь предельной деформации (пластичности) с показателями напряженного состояния при заданной температуре и скорости деформации.

Таким образом, развитие методов исследования пластичности и получение диаграмм пластичности для материалов, относящихся к деформируемым, является важной научной задачей, без решения которой невозможно использование теоретических оценок возможности разрушения металлов при обработке давлением.

Под влиянием результатов исследований П. Бриджмена и Верещагина, В. Л. Колмогоровым было предложено использовать для получения диаграмм пластичности технику высоких давлений, что позволило получать адекватные данные о пластичности в области сжимающих напряжений, характерной для процессов обработки металлов давлением. Специализированные установки, созданные в ИФМ УРО РАН, УПИ, ЦНИИТМАШе, были предназначены для исследования пластичности при холодной деформации. Положительный опыт создания в УПИ установки, позволяющей проводить испытания на пластичность в камере высокого давления при температуре до 500 °C, делает возможным поставить задачу увеличения температурного предела испытаний и, тем самым, расширения круга материалов, для которых может быть осуществлена теоретическая оценка деформируемости при обработке давлением.

В качестве объектов исследования были выбраны сплавы на основе вольфрама, молибдена и хрома, которые обладают ценными для современной техники физико-механическими свойствами, но имеют низкую пластичность, что вынуждает осуществлять их пластическую деформацию только при повышенных температурах.

Целью работы является разработка методики и аппаратуры для исследования в лабораторных условиях пластичности металлов при высоких температурах и сложном напряженном состоянии, получение диаграмм пластичности сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома, а также использование результатов исследований для совершенствования технологических процессов обработки давлением.

Научная новизна.

1. Создана экспериментальная установка и разработана методика для исследования пластичности образцов материалов в условиях всестороннего сжатия при давлении от 0,1 до 1000 МПа, температуре нагрева от 20 до.

1200 °C и скорости нагружения от 0,001 до 100 мм/мин, что позволило построить диаграммы пластичности для ряда сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома в широком диапазоне изменения термомеханических параметров деформирования.

2. Установлено, что, в общем случае, совместное влияние температуры деформации и напряженного состояния на пластичность исследованных сплавов не всегда является однозначным. Наиболее интенсивный рост пластичности при повышении температуры испытания для вольфрама ВА, полученного методами продольной прокатки и ротационной ковки, наблюдается в области сжимающих напряженийспеченных сплавов системы ^-№-Ре, для молибдена МЧВП и его сплава МНРЮ — в условиях концентрации растягивающих напряженийдля сплава системы «Сг-Ре» в условиях плоской деформации пластичность равномерно повышается во всем диапазоне изменения показателя напряженного состояния, а при осесимметричной деформации растяжением — при уменьшении показателя напряженного состояния.

3. На основании результатов математического моделирования. установлены закономерности влияния технологических факторов процесса прессования прутков и труб на пуансоне из молибдена МЧВП и его сплава МНРЮ на накопление поврежденности.

4. Установлено влияние на пластичность способа деформации штабиков спеченного вольфрама ВА, полученных винтовой прокаткой, продольной прокаткой в многовалковых калибрах и ротационной ковкой. С позиций деформируемости определено, какой способ наиболее благоприятен в зависимости от напряженного состояния при последующей деформации заготовок, полученных из штабиков.

Практическая ценность.

1. На основе результатов исследований осуществлен сквозной анализ накопления поврежденности при изготовлении тонкостенных труб размером 0,8×7 мм из молибдена МЧВП и сплава МНРЮ. Разработаны рекомендации по изменению маршрута прессования труб на пуансоне и введения дополнительного промежуточного отжига, что позволило уменьшить технологический брак по разрушению труб при последующей холодной прокатке. Рекомендации переданы ВНИИТС и внедрены на МОЗТМ и ТС.

2. На основании анализа деформируемости разработаны рекомендации по маршруту волочения проволоки диаметром 0,8 мм из вольфрама ВА с промежуточным отжигом. Рекомендации внедрены ВНИИТС на Светловодском заводе ОЦМ, что позволило снизить брак по расслоению, выявленный при испытаниях проволоки на навивку.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Методики и экспериментальная установка для исследования пластичности в условиях всестороннего сжатия и нагрева, характерных для процессов обработки металлов давлением.

2. Результаты исследования сопротивления деформации, диаграммы пластичности и установленные закономерности совместного влияния температуры и напряженного состояния на пластичность ряда промышленных сплавов на основе вольфрама, молибдена и хрома.

3. Результаты прикладных исследований деформируемости и рекомендации по совершенствованию технологических процессов прессования молибденовых труб на пуансоне и волочения вольфрамовой проволоки.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: Зональной научной конференции «Структура и свойства материалов». Новокузнецк, 1988 г.- Научно-техническом семинаре «Пластичность и деформируемость при обработке металлов давлением». Челябинск, 1989 г.- Втором Всесоюзном семинаре «Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий». Новокузнецк, 1991 г.- Второй. Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург, 2003 г., ХУН-ой Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика». Екатеринбург, 2005 г.

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в четырех печатных работах, получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, списка литературы. Объем работы — 141 страница, рисунки -30, таблицы -12, список литературы содержит 136 наименований.

Выводы к главе 4:

1. Исследовано сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности молибдена МЧВП и опытного молибденового сплава МНРЮ при температурах 500 и 800 °C (900 °С для МЧВП), используемых при их обработке давлением и установлено.

— на пластичность исследованных материалов существенное влияние оказывает вид напряженного состояния при деформировании, характеризуемый показателем Лоде цамаксимальным образом это влияние проявляется при температуре испытаний 500 °C в области сжимающих напряжений, а наименьшим — для молибдена МЧВП при температуре испытания 500 °C в области интенсивных растягивающих напряжений.

— по сравнению с другими металлами, сплавы молибдена характеризуются низким уровнем деформируемости при знакопеременной деформации, что может быть связано с их склонностью к возникновению трещин расслоениянаилучшую деформируемость в этих условиях исследованные материалы имеют при температуре 500 °C, но при повышении температуры деформируемость при знакопеременной деформации резко уменьшается.

2. Методом планированного численного эксперимента построены диаграммы накопления поврежденности в поверхностных слоях прутка при его прессовании через коническую матрицу. Показано, что поврежденность обоих сплавов увеличивается с увеличением обжатия и угла конусности матрицы. Для облегчения инженерных расчетов поврежденности построены соответствующие номограммы.

3. Для выявления влияния технологических факторов на накопление поврежденности при прессовании труб на пуансоне с использованием программного комплекса (Когт была построена конечно — элементная модель этого технологического процесса и осуществлен планированный численный эксперимент. Анализ влияния факторов показал, что при прочих равных условиях поврежденность увеличивается с увеличением обжатия по стенке ДБ/Бо и начальной тонкостенности трубы БоЛЭо. Влияние конусности матрицы различается для исследованных материалов: для МЧВП рост угла, а приводит к увеличению накопленной поврежденности, а для МНРЮ — к снижению, что*, очевидно, связано с особенностями зависимости пластичности от показателя напряженного состояния этих материалов.

4. На основании анализа накопления поврежденности при прессовании и прокатке молибденовых труб были разработаны рекомендации по изменению маршрута прессования труб на пуансоне и введению промежуточного отжига труб. Рекомендации были переданы ВНИИТС для опытно — промышленного опробования и внедрения в серийное производство на МОЗТМ и ТС.

5. Исследовано сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности опытного сплава системы «Сг+35%Ре» для ядерной энергетики. Показано неоднозначное влияние температуры и напряженного состояния на пластичность сплава. В условиях концентрации растягивающих напряжений (а/Т>1) пластичность увеличивается с ростом температуры как при |1а=0, так и при |х0=-1. При снижении уровня растягивающих напряжений аналогичный характер влияния температуры на пластичность сохраняется для условий плоской деформации (|хо=0), а при осесимметричном растяжении (|1ст=-1) интенсивный рост пластичности наблюдается в интервале температур 300−400°С.

6. Наилучшую деформируемость при знакопеременной деформации исследованный сплав «Сг+35%Ре» имеет при температуре 300 °C.

Заключение

по диссертации.

1. На основе опыта разработки и эксплуатации экспериментальной установки для исследования пластичности при температуре до 500 °C была создана установка и разработана методика для исследования пластичности при температуре до 1200 °C в условиях всестороннего давления от 0,1 до 1000 МПа и скорости нагружения в интервале 0,01 — 100 мм/мин.

2. Исследовано сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности спеченных сплавов системы «V-Ni-Fe» и установлено, что.

— увеличение температуры испытаний с комнатной до 400 °C увеличивает пластичность сплавов в 2 — 5 раз, наибольшим образом увеличение пластичности проявляется в области растягивающих напряжений;

— наличие в составе сплавов кобальта несколько снижает их пластичность во всем исследованном диапазоне напряженного состояния;

— применение полунепрерывного спекания при изготовлении прутков сплава Н8Ж2К1-И приводит к существенному изменению зависимости пластичности от характеристик напряженного состояния.

3. Установлено, что деформируемость вольфрамовых сплавов в условиях знакопеременной деформации повышается с увеличением температуры до 400 °C, но мало зависит от марки сплава и способа его спекания.

4. Определены сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности прутков спеченного сплава вольфрама марки ВА в диапазоне температур 900−1100°С для заготовок, деформированных после спекания разными способами (ротационная ковка, винтовая прокатка, продольная прокатка в многовалковых калибрах).

5. Осуществлен анализ деформируемости при волочении проволоки диаметром 0,8 мм на Светловодском заводе по обработке тугоплавких металлов. Произведенный расчет накопления поврежденности показал, что наилучшей деформируемостью при волочении проволоки обладает заготовка диаметром 2,75 мм, полученная винтовой и продольной прокаткой в многовалковых калибрах. Показано, что действующая технология приводит к накоплению высокого уровня поврежденности металла при волочении и «перегрузке» отдельных проходов по величине относительного напряжения волочения, в результате чего имеется риск обрыва проволоки при волочении и ее расслоения при навивке.

6. Разработан маршрут получения волочением проволоки диаметром 0,8 мм с промежуточным отжигом на диаметре 1,65 мм, позволяющий уменьшить вероятность разрушения проволоки. Рекомендации были переданы ВНИИТС и использованы при пересмотре маршрута изготовления проволоки диаметром 0,8 мм для электроламповой промышленности. Внедрение результатов исследований позволило снизить количество брака и сэкономить до 1,2% металла, (см. Приложение 2).

7. Исследовано сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности молибдена МЧВП и опытного молибденового сплава МНРЮ при температурах 500 и 800 °C (900 °С для МЧВП), используемых при их обработке давлением и установлено:

— существенное влияние на пластичность исследованных материалов оказывает вид напряженного состояния при деформировании, характеризуемый показателем Лоде цамаксимальным образом это влияние проявляется при температуре испытаний 500 °C в области сжимающих напряжений, а наименьшим — для молибдена МЧВП при температуре испытания 500 °C в области интенсивных растягивающих напряжений;

— по сравнению с другими металлами, сплавы молибдена характеризуются более низким уровнем деформируемости при знакопеременной деформации, что может быть связано с их склонностью к возникновению трещин расслоениянаилучшую деформируемость в этих условиях исследованные материалы имеют при температуре 500 °C, но при повышении температуры деформируемость при знакопеременной деформации резко уменьшается.

8. Для выявления влияния технологических факторов на накопление поврежденности при прессовании труб на пуансоне была построена конечно.

— элементная модель этого технологического процесса и осуществлен планированный численный эксперимент с помощью программного комплекса (Когт. Анализ влияния факторов показал, что при прочих равных условиях поврежденность увеличивается с увеличением обжатия по стенке Д8/8о и начальной тонкостенности трубы Бо/Оо.

9. На основании анализа накопления поврежденности при прессовании и прокатке молибденовых труб были разработаны рекомендации по изменению маршрута прессования труб на пуансоне и введению промежуточного отжига труб. Рекомендации были переданы ВНИИТС для опытно — промышленного опробования и внедрения в серийное производство на МОЗТМ и ТС.

10. Исследовано сопротивление деформации и построены диаграммы пластичности опытного сплава системы «Сг+35%Бе» для ядерной энергетики. Показано неоднозначное влияние температуры и напряженного состояния на пластичность сплава. В условиях концентрации растягивающих напряжений (о/Т>1) пластичность увеличивается с ростом температуры как при цо=0, так и при |1а=-1- При снижении уровня растягивающих напряжений аналогичный характер влияния температуры на пластичность сохраняется для условий плоской деформации (|л.ст=0), а при осесимметричном растяжении (|1а=-1) интенсивный рост пластичности наблюдается в интервале температур 300−400°С. Выявлено, что наилучшую деформируемость при знакопеременной деформации исследованный сплав «Сг+35%Ре» имеет при температуре 300 °C.