Современные технологии обработки металлов и сплавов


                НАУЧНАЯ МЫСЛЬ




СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ


  ф    х Федеральное государственное бюджетное образовательное
  у           учреждение высшего профессионального образования
~«мАТИ—-ро «МАТИ — Российский государственный технологический
  х----у университет имени К.Э. Циолковского»



СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ



СБОРОК ^АУЧНЫК ТРУПОВ




znanium.com

Москва ИНФРА-М 2024

УДК 669(082)
ББК 34.3я43
      С56












          Современные технологии обработки металлов и сплавов: C56 Сборник научно-технических статей профессорско-преподавательского состава кафедры «Технология обработки металлов давлением» им. проф. А.И. Колпашникова. — Москва : МАТИ: ИНФРА-М, 2024. — 252 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/8089.
          ISBN 978-5-16-010767-7 (print)
          ISBN 978-5-16-102533-8 (online)
          Сборник научно-технических статей профессорско-преподавательского состава кафедры «Технология обработки металлов давлением» им. проф. А.И. Колпашникова Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» содержит материалы по последним исследованиям и научно-техническим разработкам, осуществляемым сотрудниками МАТИ и научно-техническими работниками других организаций.
          Материалы сборника статей могут быть полезны студентам и аспирантам технологических специальностей технических вузов, обучающимся по направлениям подготовки 150400.62 «Металлургия» профиль «Обработка металлов и сплавов давлением», а также инженерам-технологам, работающим в области обработки металлов давлением.


УДК 669(082)
                                                                ББК 34.3я43










ISBN 978-5-16-010767-7 (print)
ISBN 978-5-16-102533-8 (online)

© МАТИ, 2015

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ДАВЛЕНИЕМ.................................7
Петров А.П. Современное состояние и перспективы промышленного применения интенсивной пластической деформации и других видов обработки для изготовления объемных металлических полуфабрикатов с ультрамелкозернистой и наноструктурами......7
Шелест А.Е. Роль моделирования при разработке технологических процессов обработки металлов давлением......................18
Соколов А.В., Забурдаева Т.В. Развитие процессов точной штамповки при производстве двигателей и турбоагрегатов......35
Жаров М.В. Прогрессивная технология производства алюминиевых авиационных панелей сложной форы...........48
Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Евсеев П.С. Современные методы проектирования на базе результатов конечно-элементного анализа технологических процессов обработки металлов давлением......58
Галкин Е.В. Математическое моделирование технологических процессов вытяжки пластичным пуансоном полусферических изделий из слоистых алюминиевых материалов..................68
Жаров М.В. Наиболее типичные элементарные ячейки авиационных панелей и обечаек в зависимости от характера пластической деформации.....................................75
Федоров А.А., Беспалов А.В., Комаров Р.С. Усовершенствованное устройство для испытаний материалов на растяжение при высоких гидростатических давлениях..................................82
Сальников М.С. Анализ особенностей технологических расчетов при вытяжке высоких конических деталей методами листовой штамповки...................................................87


3

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"

Жаров М.В. Моделирование характера течения металла в процессе заполнения рабочей полости штампа в условиях изотермической штамповки..................................95
Федоров А.А., Беспалов А.В., Краснобородько И.О. Построение реологических уравнений для сплава ВТ6с..................106
Галкин В.И. Конечно-элементный анализ.Возможности и перспективы применения при решении задач обработки металлов давлением................................................112
Галкин В.И. Разработка режимов отжига для производства проволоки из титанового сплава ВТ16 диаметром менее 1,0 мм.............................................140
Соколов А.В., Баберцян С.А. Комплекс мероприятий по самостоятельной работе студентов, ее контролю и описание интерактивных форм обучения по учебной дисциплине "Теория и технология кузнечно-штамповочного производства" .....................148
Еремеев Н.В., Степанов В.В., Бекетов А.Б. Изготовление плакированных листов для высокотемпературной пайки узлов тепло-обменной аппаратуры......................................163
Баберцян С.А. Современные и перспективные технологии в листовой штамповке.......................................167

РАЗДЕЛ 2. ТЕОРИЯИТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ И СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.....................169
Жаров М.В. Прогрессивная технология производства изделий неответственного назначения из отходов титановых сплавов.169
Галкин В.И., ПалтиевичА.Р., ПреображенскииЕ.В.
Использование математического моделирования при проектировании технологических процессов изготовления изделий из
BKMAL-B...................................................177


4

Оглавление

Галкин В.И., Евсеев П.С. Перспективы производства и использования металлических наноламинатов, получаемых горячей прокаткой......................................184

РАЗДЕЛ 3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ................................193
Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д., Преображенский Е.В.
Функциональная и информационная модель автоматизированной системы прогнозирования структуры и свойств в алюминиевых сплавах................................................193
Жаров М.В. Разработка комплексной автоматизированной системы управления сложнодинамическими процессами термокомпрессии........................................209

РАЗДЕЛ 4. ПРОБЛЕМЫ! ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ................................217
Захарова В.В. Анализкадрового потенциала предприятия...217
ГалкинВ.И., КарамавровД.А. Повышениеэффективности использования ресурсов в процессах технологического документооборота с использованием оптимизационных экспериментов на имитационной модели..................................222
Захарова В.В. Проблемы внедрения инновационных управленческих технологий...............................235
Жаров М.В. Апробация учебной рабочей программы подготовки бакалавров по направлению 150400.62 "Металлургия" по дисциплине "Листовая штамповка"...................................241


5

Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением


    РАЗДЕЛ 1. ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ДАВЛЕНИЕМ


УДК669.017:621.73                            DOI 10.12737/8139
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ДРУГИХ ВИДОВ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ И НАНОСТРУКТУРАМИ
Петров Анатолий Павлович
профессор, д.т.н.
ФГБОУ ВПО "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"
121552, г. Москва, Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53. e-mail: petrovap@mati.ru

     В статье рассматриваются характеристики ультрамелкозернистых и нано-кристаллических металлических материалов, оцениваются их уникальные свойства, сложность изготовления. Особое внимание уделено методам получения НК материалов конструкционного назначения и перспективам промышленного внедрения.

     Проблемой прочности и пластичности, исследованиями уникальных свойств металлических материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нано-кристаллической (НК) структурами в последние годы успешно занимаются многие отечественные и зарубежные научные коллективы с финансированием их работ как по государственным так и по международным программам. Получают поддержку как фундаментальные, так и прикладные исследования, направленные на разработку инновационных технологий для конкретных изделий и полуфабрикатов. Причем, все больше внимания уделяется развитию так называемых "эволюционных" нанотехнологий, целью которых является оптимизация параметров существующих технологи

7

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"

ческих процессов, оборудования и оснастки для достижения у получаемых изделий особых свойств и поверхностных эффектов, проявляющихся на микро - и наноуровнях.
     Между макроуровнем материала, описываемым континуальными теориями сплошной среды, и атомным уровнем, подчиняющимся законам квантовой механики, находится промежуточный наноструктурный уровень данного материала. Нанотехнологии призваны реализовывать различные методы (физические, химические и др.) перевода вещества в нанокристал-лическое состояние, что и приводит к качественному изменению его свойств.
     Значительный интерес к объемным УМЗ и НК материалам обусловлен тем, что конструкционные и функциональные свойства этих материалов существенно улучшаются по сравнению со свойствами их крупнозернистых аналогов. Это обусловлено наличием в УМЗ и НК структурах частиц (кластеров), тонких слоев, зерен и фаз, у которых характерный размер не превышает 500 нм - для УМЗ структур и 100 нм- для НК структур . Принципиально важным для НК структур является также наличие высокоугловой разориентировки границ зерен. При таких размерах и параметрах структурных элементов в 3.. .5 раз повышается прочность чистых металлов и до 1,5 раз- прочность современных многофазных сплавов при сохранении в допустимых пределах пластичности и трещиностойкости. На 20. 30 % повышается усталостная прочность, в несколько раз возрастает стойкость к износу и эрозии [1-5].
     Согласно геометрической классификации Р.Зигеля [5] (рис.1) можно выделить нанодисперсные (атомные кластеры и наночастицы), многослойные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объемные наноструктурные материалы. С точки зрения получения наноструктурных материалов конструкционного назначения наибольший интерес представляют материалы групп 1 -3.

8

Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением

Рис.1. Классификация наноматериалов по Р.Зигелю: 0 - атомные кластеры и наночастицы; 1 - многослойные материалы; 2 - наноструктурные покрытия; 3 - объемные наноструктурные материалы.

       НК материалы, относящиеся к группе 1, могут быть получены [5] методами физического (PVD) и химического (CVD) осаждения из газовой фазы, электроосаждения, многократной прокатки и др. Так например, твердость и предел прочности многослойного НК материала толщиной 50 мкм, состоящего из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, полученного методом CVD, в 15 раз превышают аналогичные характеристики сплава соответствующего состава.
     Для получения наноструктурных покрытий (группа 2) также используют разные методы физического и электрохимического воздействия на поверхность металла: плазменное нанесение покрытий, физическое и химическое осаждения из газовой фазы, магнетронное напыление, микроду-говое оксидирование и др.
     Большой научно-практический интерес представляют результаты работы по реализации нового подхода к проблеме повышения конструкционной прочности - не за счет получения НК структуры во всем объеме де

9

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"

тали, а только в ее поверхностном слое, выполняемые в Харьковском национальном автомобильно-дорожном университете [7]. Показано, что наиболее эффективным методом наноструктурирования поверхности стальных (18ХГТ, 40ХФА и др.) заготовок является ионно-плазменная обработка, которая не только модифицирует свойства поверхностного слоя, но и существенно увеличивает прочность всего изделия (объемную прочность): временное сопротивление повышается на 24%, предел текучести на - на 42%. При этом относительное удлинение остается на том же уровне, а относительное сужение даже имеет тенденцию к росту ( на 3-4%). Это явление объяснено залечиванием мелких имеющиеся и вновь образующихся при деформации поверхностных дефектов аналогично эффекту акад. А.Ф. Иоффе при растяжении образцов из каменной соли в воде, особым поведением наноструктурных слоев при последующей деформации, реализацией механизмов недислокационной пластичности.
     Наиболее перспективны для изготовления деталей конструкционного назначения УМЗ и НК материалы, относящиеся к группе 3. Для получения объемных нанокристаллических материалов наибольшее распространение получили компактирование нанопорошков (метод порошковой металлургии) и интенсивная пластическая деформация (ИПД).
     Методы и технологические процессы порошковой металлургии получения объемных наноматериалов, их возможности и перспективы практического использования в различных отраслях подробно изложены в монографии [5]. Несмотря на безусловные достижения, промышленная реализация этих процессов сдерживается качеством получаемых полуфабрикатов, обусловленном сохранением остаточной пористости, загрязнением нанопорошков при их получении и компактировании, большой трудоемкостью практического использования [1,4,8]. Все это послужило основанием для поиска альтернативных способов получения объемных материалов с наноразмерной микроструктурой.

10

Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением

     Для решения указанной проблемы Р.З.Валиевым с сотрудниками [1,4] было предложено использование методов обработки, названной ими интенсивной пластической деформацией (ИПД). Задачей методов ИПД являются формирование наноструктур в объемных металлических образцах и заготовках путем измельчения их микроструктуры до наноразмеров.
     Методы ИПД заключаются в деформировании заготовок с большими сдвиговыми степенями деформации в холодном состоянии или при относительно низких температурах нагрева Т < (0,3 ... 0,4) Тпл и высоком давлении, что позволяет получать объемные беспористые металлические наноматериалы с однородной по всему объему заготовки наноструктурой с большеугловыми границами зерен.
     К числу наиболее исследованных и перспективных для промышленного применения методов ИПД относятся:
        • кручение под высоким давлением;
        • равноканальное угловое прессование;
        • мультиосевая деформация;
        • аккумулируемая прокатка.
     Кручение под высоким давлением обычно производят на установках (рис.2, а), являющихся модификациями известной наковальни Бриджмена [1, 3-6]. Заготовка укладывается в углубление вращающегося нижнего бойка, что предотвращает вытекание металла на плоскость разъема бойков и обеспечивает в пластической зоне высокое квазигидростатическое давление (до 10 ГПа), позволяющее деформировать заготовку простым сдвигом с высокой степенью деформации (истинная логарифмическая деформация до 10) без разрушения. Именно этот метод впервые экспериментально показал реальную возможность получения сплошных металлических заготовок (дисков) с НК структурой интенсивной пластической деформацией [1]. И сейчас метод успешно используется для моделирования предельного измельчения структуры материала [6] и как один из эффек

11

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов"

тивных способов получения практически беспористых заготовок из порошков [1].
     Равноканальное угловое (РКУ прессование (рис. 2,б) было разработано проф. В.М.Сегалом для деформации заготовок простым сдвигом без изменения формы и размеров их поперечного сечения. Метод получил развитие в работах Р.З. Валиева с сотрудниками [1,4] как перспективный для промышленного применения для получения НК материалов различного конструкционного назначения.

Рис.2. Принципы методов интенсивной пластической деформации [1J: а - кручение под высоким давлением;
б -равноканалъное угловое прессование.

     При РКУ прессовании заготовка многократно продавливается через два канала равного поперечного сечения, пересекающихся обычно под углом 90°, что позволяет достигать высоких степеней деформации простым сдвигом. В случае обработки труднодеформируемых материалов деформация осуществляется при повышенных температурах, но не выше (0,3 ...0,4) T х пл..
     В процессе РКУ прессования для структурообразования весьма важным является направление и число проходов заготовки через каналы[1]. С целью интенсификации сдвиговых деформаций и, соответственно, прора

12

Раздел 1. Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением

ботки структуры металла используют 3 основных варианта (маршрута) (рис.З).
     Применение этих маршрутов и их разновидностей приводит к упрочнению деформируемого металла и существенному росту усилия на первых 3 -5 проходах, На последующих проходах наступает установившаяся стадия и усилие практически не меняется [1].
     В монографиях [1,4] приведена обширная информация о результатах металлографических исследований структуры заготовок и параметрах технологии РКУ прессования Al, Fe, Ni, Ti, W иих сплавов.

Рис.З. Варианты РКУ - прессования [4]: а - маршрут А; б - маршрут В; в - маршрут С.


     Показано, что характер формирующейся УМЗ и НК структуры, удлинение зерен, доля большеугловых границ зерен определяются не только степенью деформации, но и геометрией оснастки и режимами прессования. Необходимо также учитывать влияние на конечную структуру деформационного разогрева металла при РКУ прессовании, исходной структуры заготовок и фазовый состав сплава. Следует отметить, что, судя


13