Высокотемпературная ползучесть конструкционных сплавов и ее приложение к формообразованию крупногабаритных деталей

В производстве современных изделий машиностроительного профиля с целью сохранения эксплуатационного ресурса на стадии изготовления наметились тенденции использования крупногабаритных цельнометаллических деталей, отформованных в режимах ползучести и сверхпластичности, типа монолитных подкрепленных панелей, длинномерных профилей, тонколистовых деталей оболочечного типа. Металлические материалы в машиностроении, на наш взгляд, будут играть определяющую роль еще длительный период времени. В дальнейшем для краткости изложения будем опускать слово «металлические» .

Применяемые в промышленности металлы условно можно подразделить на две группы. В первую входят легко деформируемые сплавы, из которых можно получать заготовки и детали методами обычной штамповки, прессованием и т. д. Ко второй группе относятся материалы, обладающие высокими прочностными свойствами, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, длительной работоспособностью и другими свойствами, повышающими эксплуатационный ресурс изделий и снижающими их вес. Это специальные стали и современные сплавы на основе титана и алюминия, в том числе и алюмолитиевые. Они с трудом поддаются обработке давлением. Появился даже своеобразный термин «материал не технологичен», понимаемый в том смысле, что традиционными методами, используемыми в обработке материалов давлением (ОМД), из такого материала трудно что-либо изготовить: деталь уже на стадии изготовления исчерпывает весь эксплуатационный ресурс.

Замечено, что при импульсной обработке давлением, когда длительность процесса порядка тысячных долей секунды, потери эксплутационного ресурса на стадии изготовления минимальны. Этим объясняется большой интерес к взрывным методам обработки. За последние годы технологические процессы, основанные на импульсных методах, получили достаточно широкое распространение, и область их использования неуклонно растет, в основном, применительно к деталям небольших габаритов.

С увеличением длительности силового воздействия на материал в интервале длительностей порядка секунд (обычная штамповка, прессование, протяжка и т. п.) обобщенный комплекс физико-механических свойств материала, характеризующий эксплуатационный ресурс материала, падает и в ряде случаев может быть настолько низок, что для некоторых материалов эти операции становятся невозможными [134].

При дальнейшем увеличении длительности силового воздействия и температуры, с переходом в интервалы длительностей порядка минут и часов, кривая зависимости обобщенного физико-механического комплекса свойств от длительности воздействий снова начинает подниматься вверх и для некоторых материалов, с определенными температурно-скоростными условиями, можно попасть в так называемый режим сверхпластичности. ОМД в режиме сверхпластичности для многих металлов позволяет получить достаточно высокий комплекс физико-механических свойств материала, что полностью компенсирует дополнительные энергозатраты и увеличение длительности технологического процесса, делая его экономически целесообразным.

Аналогичная качественная картина — зависимость показателя деформируемости (относительная степень деформации) от скорости деформации и температуры — с металлофизических позиций применительно к явлению сверхпластичности описана в работе [68].

Как известно, состояние сверхпластичности (СП) проявляется только в определенном диапазоне температуры, при малой скорости деформации порядка 10″ 3с1 и меньше и при определенных требованиях к структуре материала. К сожалению, не всегда возможно, а иногда и нецелесообразно, выполнять все условия, связанные с реализацией процесса деформирования в условиях СП. Один же из определяющих факторов этого процесса — медленное деформирование при повышенной температуре — обычно реализуется на практике без особых трудностей. В строгом понимании выше названного термина в этом случае будет деформирование не в режиме сверхпластичности, а в режиме ползучести, так как в общем вкладе необратимых деформаций подавляющую роль (а иногда и полностью) играют деформации ползучести, накопившиеся в материале за счет температурно-силового воздействия за длительный интервал времени. В этом смысле ОМД при медленных температурно-силовых воздействиях, когда основную роль играет продолжительность процесса (реальное физическое время), будем называть эквивалентным термином: ОМД в режиме ползучести.

Целью настоящей работы является изучение особенностей медленных режимов высокотемпературного деформирования современных конструкционных материалов с приложением к технологическим задачам по ОМД. Достижение этой цели предусматривает выполнение соответствующего комплекса исследований:

• экспериментальное изучение особенностей высокотемпературного поведения современных конструкционных сплавов при медленных режимах деформирования, обоснование возможности использования соответствующих кинетических уравнений для их описания и разработка методик определения входящих в них функций и коэффициентов;

• экспериментальное обоснование преимуществ медленных режимов деформирования применительно к ОМД, разработка методик проведения и обработки испытаний элементов конструкций с заданием кинематики процесса формообразования, а также разработка приближенных методов расчета процессов формообразования и упругого восстановления деталей;

• обоснование эффективности технологии ОМД в медленных режимах деформирования практической реализацией на ряде авиационных заводов с выдачей рекомендаций определения основных технологических параметров и основ конструирования соответствующего оборудования применительно к формообразованию крупногабаритных деталей.

В связи с вышеизложенным, диссертация состоит из трех основных частей.

В первой части диссертации (главы 1−2) приводится краткий обзор по кинетическим уравнениям высокотемпературной ползучести и сверхпластичности. Установлена взаимосвязь сверхпластичности и высокотемпературной ползучести. Анализируются проблемы формообразования крупногабаритных деталей в основном применительно к авиаи судостроению, кратко дается анализ существующих технологий и методов расчета НДС при формообразовании за счет деформаций ползучести, а также имеющегося оборудования для формообразования тонкостенных подкрепленных деталей с фасонными поверхностями. На основе проведенного анализа ставятся задачи исследований. Приводятся описания. используемого нестандартного лабораторного оборудования в основном для задания кинематики медленных процессов деформирования, методик проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.

Во второй части диссертации (глава 3) с феноменологических позиций механики деформируемого твердого тела (МДТТ) дается классификация медленных режимов деформирования и их преимущества по сравнению с быстрыми, начиная от комнатной температуры и выше — включая температуры проявления СП-течения. Конкретизируются имеющиеся и предлагаются новые определяющие уравнения с учетом поврежденности материала для описания рассматриваемых в работе медленных режимов деформирования. Возможность использования кинетических уравнений ползучести и повреждаемости иллюстрируется примерами расчета и сравнения с экспериментом на ряде простейших элементов конструкций.

В третьей части диссертации (глава 4, приложение) рекомендуются температурно-скоростные режимы деформирования применительно к формообразованию ряда современных конструкционных сплавов на основе титана, стали и алюминия и даются соответствующие рекомендации по технологии и конструированию нового технологического оборудования для формообразования крупногабаритных деталей одинарной и двойной кривизны. Приводятся примеры расчета процесса формообразования профилей и элементов оребренных пластин, для некоторых типовых элементов дается сравнение с экспериментом. Предлагается методика и расчетно-экспериментальное обоснование ее достоверности для приближенного расчета процесса формообразования натурных крупногабаритных панелей одинарной кривизны с учетом упругого восстановления. При расчете деталей двойной кривизны использовался метод конечных элементов (МКЭ). Для этих целей адаптирован пакет прикладных программ «Параметр 6Р», разработанный в Сибирском государственном индустриальном университете [261].

Эффективность новой технологии подтверждается опытно-промышленным освоением и созданием специализированных участков, актами внедрения на ряде заводов авиационной промышленности. Учитывая также заинтересованность в технологии формообразования в медленных режимах деформирования в условиях ползучести и сверхпластичности предприятий других министерств и ведомств, на наш взгляд, это направление перспективно как с точки зрения общетеоретического развития, так и с точки зрения технического приложения.

Все нижеизложенные результаты базировались на испытаниях, проведенных в лаборатории статической прочности института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. Основная часть работы выполнялась в соответствии с планами НИР Института «Разработка технологических процессов ОМД в режиме ползучести» (№ ГР 81 103 684), «Разработка теоретических основ ОМД в режиме ползучести и сверхпластичности» (№ ГР 1 910 001 974), «Высокотемпературное термовязкопластическое деформирование конструкционных материалов и элементов конструкций» (№ ГР 1 990 002 777) и другими, а также в рамках программы СО АН СССР «Механика, научные основы машиностроения и надежность машин» и программы АН СССР «Машина-человек-среда», в соответствии с приказом-распоряжением министерства авиационной промышленности и СО АН СССР от 31.08.1978 г. № 196/1500−717, проектов РФФИ (93−01−16 506, 96−01−1 671, 99−01−526, 00−196 203, 02−01−738), грантов Совета поддержки Ведущих научных школ (96−1 596 293, 00−15−96 180, 319.2003.1) и ряда специальных программ.

Автор выражает глубокую признательность научному консультантузаслуженному деятелю науки РФ, профессору О. В. Соснину за постоянное внимание к работе, благодарит сотрудников лаборатории И. В. Любашевскую, И. В. Сухорукова, И. А. Банщикову, И. Ж. Масанова, М. В. Волгину, Л. П. Пономареву, Г. Я. Софиенко, С. А. Колотвина, оказавших существенную помощь в проведении и обработке экспериментов.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведен широкий комплекс экспериментальных исследований по изучению особенностей медленного деформирования представителей современных конструкционных сплавов на основе титана, железа и алюминия со скоростями.

X 1 деформаций порядка ?<10 с' и меньше при нормальных и умеренных температурах, а также при температурах, близких к температуре сверхпластичности (Т>0,5Тпл), включая и области структурно-фазовых изменений.

Отмечены преимущества и недостатки медленных режимов деформирования применительно к ОМД. Показано, что с уменьшением скорости деформации «ресурс пластичности», т. е. величина деформации в момент разрушения, как правило, возрастает, что приводит к существенному сохранению эксплуатационного ресурса на стадии изготовления деталей.

Релаксационные процессы, протекающие при медленных режимах деформирования, приводят к снижению усилий формообразования, значительному уменьшению «распружинивания» деталей, существенному ослаблению влияния начальных и граничных условий на получение конечной геометрической формы детали.

2. Установлена взаимосвязь между высокотемпературной ползучестью и сверхпластичностью металлических материалов. Процессы деформирования в режимах сверхпластичности и близких к ним по своим закономерностям аналогичны высокотемпературной ползучести. Показано, что при Т>0.5Тпл и.

1 1 скоростях деформаций материала порядка 8 <10 с" и меньше для большинства типичных конструкционных сплавов «мгновенная» пластическая составляющая деформации отсутствует, напряжения в материале не превосходят предела упругости, необратимое деформирование осуществляется только за счет деформации ползучести, что существенно при решении технологических задач ОМД: нет необходимости при счете контролировать идет ли активный процесснагружение или происходит разгрузка.

С позиций МДТТ показано, что в режимах сверхпластичности процесс деформирования происходит по законам термовязкоупругого течения без каких-либо эффектов упрочнения-разупрочнения. Отсутствует не только первая упрочняющаяся стадия ползучести, но и, практически, третья разупрочняющаяся стадия. Процесс ползучести подчиняется «установившемуся течению» вплоть до разрушения с минимальной скоростью накопления повреждений, при этом реализуются наибольшие степени деформаций в моменты разрушения.

3. Модернизировано имеющееся и создано новое лабораторное оборудование для задания кинематики процесса деформирования, отработана методика проведения испытаний.

Разработана экспериментальная методика, позволяющая выявить у конструкционных сплавов наличие или отсутствие аномалий деформационно-прочностных свойств материала типа сверхпластичности и ее противоположности — «провала» пластичности.

4. Для одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию в условиях ползучести материалов с использованием понятия «характеристического напряжения» экспериментально, численно и аналитически установлено практическое соответствие опытных данных с однородным НДС экспериментальным данным с неоднородным НДС при изгибе осесимметрических балок и кручении валов, что позволило разработать методику получения термомеханических диаграмм на растяжение (сжатие), а также на кручение (сдвиг) по результатам испытаний сплошных (трубчатых) круглых образцов, в том числе и для больших деформаций.

5. Сформулированы и экспериментально проверены основные гипотезы энергетического варианта теории ползучести при сложном напряженном состоянии для материалов с одинаковыми свойствами на растяжение и сжатие. За меру процесса деформирования принимается величина удельной мощности рассеяния, за меру поврежденности материала — величина работы рассеяния.

Показана возможность распространения уравнений ЭВТП для описания процесса деформирования как при стационарных температурах, так и в диапазоне температур для более сложных сред, у которых нарушается выполнимость энергетического принципа поврежденности. К определяющим соотношениям.

ЭВТП добавляется уравнение повреждаемости со скалярным параметром поврежденности, равным в случае одноосного нагружения нормированной удельной работе рассеяния (деформации) ю = А/А*=е/е*.

6. Экспериментально обоснована возможность описания медленных температурно-скоростных режимов деформирования с учетом поврежденности материала кинетическими уравнениями ползучести типа течения:

• для умеренных и повышенных температур — уравнениями ЭВТП и предложенными определяющими уравнениями со скалярным параметром повреждаемости и с одинаковыми функциями повреждаемости;

• при температуре сверхпластичности — уравнениями вязкого течения без каких-либо параметров упрочнения-разупрочнения.

7. Показана непротиворечивость использования предложенных кинетических уравнений для описания медленных режимов деформирования как при однородном, так и при неоднородном НДС типовых элементов конструкций. Дана единая методика определения коэффициентов функциональных зависимостей.

8. Реализована приближенная методика расчета процесса формообразования подкрепленных панелей одинарной кривизны с использованием разработанного метода «характеристических параметров». Результаты сопоставлены с данными численноаналитических расчетов и данными лабораторных испытаний.

9. Спроектированы и изготовлены макетируемые узлы многопуансонного модуля технологического оборудования с изменяемой в процессе формообразования геометрией оснастки и с программным управлением перемещения заготовки. Две системы соосно установленных пуансонов с индивидуальным заданием перемещения каждого позволяют осуществлять деформирование деталей двойной кривизны за один переход с контролем геометрической формы заготовки во все время деформирования от исходной до конечной. Отработка в лабораторных условиях технологии формообразования отдельных элементов панелей, стрингеров и т. п. в режимах ползучести и сверхпластичности составила основу для конструирования опытных установок по формообразованию крупногабаритных тонкостенных деталей.

10. Перспективность технологии ОМД в медленных режимах деформирования показана практической реализацией процесса формообразования на серийных образцах подкрепленных панелей в условиях опытно-промышленного производства на трех авиационных заводах с соответствующими экономическими и социальными эффектами.

Качество панелей, отформованных по новой технологии, подтверждается эксплуатацией на двух типах самолетов.

4.5 Заключение.

Определены основные параметры технологических процессов при медленных режимах деформирования применительно к формообразованию крупногабаритных деталей для ряда широко применяемых в авиаи судостроении материалов на основе титана, железа и алюминия.

Совместно с отраслевыми технологическими институтами трех министерств разработано и апробировано несколько вариантов технологических оснасток, в том числе и с изменяемой во время процесса формообразования геометрией оснастки. Технологические процессы с использованием лекальных оснасток отработаны на серийных деталях и внедрены в производство. Результаты защищены авторскими свидетельствами, патентами РФ, актами внедрения.

Разработана приближенная методика расчета процесса формообразования и упругого восстановления крупногабаритных деталей типа профилей, пластин, подкрепленных панелей при изгибе с поверхностью контура, близкой к развертывающейся. Результаты вошли в руководящие технические материалы и технологические рекомендации, изданные, в авиационной отрасли совместно с НовосибНИАТ.