Разработка новых порошковых материалов и развитие теории их пластического деформирования с целью получения изделий со специальными физико-механическими свойствами

В настоящее время научно-технический прогресс в металлургии и машиностроении t связан с рациональным использованием ресурсов, созданием и внедрением в производство новых материалов, прогрессивных технологий, позволяющих улучшить условия труда, повысить его производительность, снизить трудоёмкость и себестоимость изделий. В этой связи одним из эффективных направлений является применение процессов пластической деформации в операциях формообразования и при производстве новых материалов для формирования повышенных физико-механических и эксплуатационных свойств. Сравнительно новым направлением в реализации этого подхода является использование при обработке давлением экономичных спечённых заготовок. В этом случае становится возможным сочетание методов порошковой металлургии, позволяющих получать материалы с особыми, зачастую уникальными свойствами, и обработки металлов давлением, способствующей повышению конструкционной прочности, твёрдости и плотности спечённых материалов.

Применение спечённых заготовок при операциях формообразования выдвигает ряд принципиально новых научно-технических проблем как в области теории, так и технологии обработки металлов давлением. Поведение пористых металлов в этих процессах отличается прежде всего способностью изменять объём, что в конечном счёте ведёт к необходимости построения специальной теории, а также методов физико-механического анализа и расчёта конкретных технологических процессов.

В России и за рубежом сделан достаточно большой задел в создании различных научных направлений пластического деформирования пористых материалов. В работах учёных России и стран СНГ: Колмогорова B. JL, Скорохода В. В., Григорьева А. К., Гуна Г. Я., Романа О. В., Дорофеева Ю. Г., Анциферова В. Н., Радченко K.M., Ковальченко М. С., Кипарисова С. С., Павлова H.H., Ермакова С. С., Петросяна Г. Л., Штерна М. Б., Jla-тева A.M., Дмитриева A.M., Сегала В. М. и др., а также зарубежных: Грина Р.Дж., Куна Х. А., Ояне М., Шимы С. и др. предложены варианты построения феноменологических теорий пористых металлов, имеющих большое значение для современной теории обработки металлов давлением. Вместе с тем остаются актуальными вопросы: разработки универсальных модельных представлений о поведении пористых материалов, позволяющих полнее учитывать его особенности при формоизменении, систематических исследований конкретных пористых материалов, совершенствования расчётного аппарата. Важен также анализ различных технологических схем деформирования спечённых заготовок и разработка технологии изготовления из них различных изделий.

Данная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ Академии наук СССР (проблема 2.24.2), комплексной научно-технической программы «Порошковая металлургия» (задание 01.03.09), межвузовской программы «Новые ресурсосберегающие технологии», межвузовской научно-технической программы фундаментальных исследований по разделу «Исследования в области порошковой технологии», а также как часть плановых НИР СПбГТУ.

Цель работы: Разработка теоретических основ на базе физических и механических моделей и методов расчёта неразрушающего холодного пластического деформирования упрочняющихся пористых материалов в технологических процессах их формоизменения и уплотненияразработка новых порошковых материалов специального назначения на основе меди и никеляобоснование термомеханической обработки этих материалов с целью получения из них полуфабрикатов и изделий с требуемым комплексом эксплуатационных свойств.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида и упруго пластической обобщённой реологической модели пористого тела разработать теоретическую модель пластической деформации объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов, получить определяющие физические уравнения связи напряжений и приращений деформаций.

2. На базе полученных теоретических зависимостей, используя энергетические методы, решить ряд технологических задач пластичности пористых заготовок, показать степень корреляции полученных результатов с экспериментальными.

3. Разработать теоретические и экспериментальные методы определения физико-механических, упругих и деформационных свойств спечённых материалов в зависимости от пористости.

4. Разработать материалы на основе медного и никелевого порошков конструкционного и электротехнического назначения.

5. Исследовать закономерности термомеханической обработки полученных материалов, выявить основные параметры, влияющие на их эксплуатационные свойства.

6. Разработать технологию получения из них полуфабрикатов или изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На защиту выносятся:

1. Основные подходы и принципы построения теории холодного деформирования пористых тел.

2. Полученная на базе уравнения пластичности эллиптического вида и обобщённой реологической модели теория упругопластического течения объёмно-сжимаемых упрочняющихся материалов с распределёнными параметрами.

3. Решённый автором ряд технологических задач пластичности, на базе энергетических методов и полученных основных физических уравнений связи напряжений и деформаций, с учётом упрочнения материала.

4. Разработанный критерий деформируемости пористых материалов и их диаграммы пластичности.

5. Новые материалы на основе меди и никеля, технология получения из них изделий с заданными свойствами.

6. Методика определения физико-механических и деформационных свойств порошковых спечённых материалов.

Научная новизна:

1. На основе уравнения пластичности эллиптического вида разработана модель, учитывающая деформационное упрочнение матрицы пористого материала.

2. Установлена взаимосвязь между характеристиками напряжённо-деформированного состояния матрицы и материала в целом, определён критерий деформируемости пористого материала.

3. Разработана обобщённая реологическая модель пористого материала, позволяющая учитывать в качестве статистических характеристик плотность распределения безразмерных пределов текучести спечённого материала и его матрицы. Задан, на базе этой модели, закон упрочнения матрицы.

4. На основе энергетических методов расчёта произведён анализ некоторых схем пластического деформирования пористых материалов с учётом деформационного упрочнения матрицы и контактного трения материала с инструментом.

5. Разработана теоретическая модель расчёта физико-механических и упругих свойств пористых материалов, отработана методика их экспериментального определения, а также методика построения диаграмм пластичности.

6. Впервые на примере конкретного материала (ПЛ80) исследовано влияние законов распределения гранулометрического состава исходного порошка на его технологические характеристики, а также физико-механические свойства спечённых заготовок.

7. Разработаны новые порошковые материалы на основе меди и никеля, технология получения из них материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая ценность:

1. Решённые в работе технологические задачи обработки давлением упрочняющихся пористых заготовок, а также разработанная методика определения физико-механических характеристик пористых материалов позволяет с достаточной степенью точности определять энергосиловые параметры процессов, изменение пористости во времени. Знание данных параметров может служить основой для выбора оборудования и конструирования технологической оснастки.

2. Построенные на базе критерия деформируемости по разработанной методике экспериментальные диаграммы пластичности позволяют определить режимы неразру-шающей деформации спечённых заготовок в реальных технологических процессах обработки давлением.

3. Построенные кривые прессуемости исследуемых порошковых композиций позволяют рассчитывать технологические режимы прессования исходных заготовок, прогнозировать их пористость, могут быть использованы при проектировании технологической оснастки под прессование порошков.

4. Применение методов порошковой металлургии при разработке новых материалов на основе меди и никеля, на которые получено три авторских свидетельства, а также их последующая термомеханическая обработка позволили получить полуфабрикаты и изделия с повышенными рабочими характеристиками. В частности, стойкость порошковых электродов машин контактной сварки ~ в 2 раза выше по сравнению со стандартными, а формоустойчивость кернов оксидных катодов — в 1,6 раза.

5. Результаты исследований использованы при разработке технологии получения изделий конструкционного назначения из латунных порошков и их смесей с дробленными стружковыми отходами латуни на ПО «Знамя труда» (г. Санкт-Петербург), на опытно-промышленной базе ВНИИЭСО (г. Санкт-Петербург) внедрена технология производства электродов машин контактной сварки, на ПО «Светлана» производство кернов оксидных катодов на основе никеля. Годовой экономический эффект от внедрения разработок с учётом доли творческого участия соискателя составил 630,455 тыс. руб. в ценах 1990 года.

Личный вклад автора:

Идея, постановка и разработка теории деформирования пористых материалов на базе уравнения пластичности эллиптического вида с учётом изменения их физико-механических, упругих и деформационных свойств в процессе уплотняющей деформации.

Идея и разработка обобщённой реологической модели деформируемости объёмно-сжимаемого материала, учитывающей статистические параметры, изменяющиеся в процессе его уплотнения, такие как плотности распределения безразмерных пределов текучести всего материала и его матрицы, обоснован закон упрочнения.

Впервые предложен и решён на базе энергетического подхода ряд наиболее характерных в ОМД технологических задач пластичности пористых спечённых заготовок с учётом деформационного упрочнения материала, контактного трения с инструментом.

Разработанная автором теоретическая модель в сочетании с решением технологических задач показала хорошую степень корреляции с экспериментальными данными.

Лично разработан и решён теоретический метод определения физико-механических и упругих свойств объёмно-сжимаемых материалов в завиримости от пористости.

Идея и разработка критерия деформируемости, а также методики построения диаграмм пластичности для пористых материалов.

Идея изучения влияния законов распределения гранулометрического состава исходных порошков на физико-механические и технологические свойства спечённых изделий.

Автором доказано отсутствие влияния пористости материала на коэффициент Пуассона, а также разработана методика расчёта коэффициента поперечной деформации, получена обобщающая зависимость от пористости.

Идея и методика экспериментального определения характеристик упругости пористых материалов, физико-механических свойств.

Автор принимал самое активное участие в исследованиях, посвященных разработке новых материалов на основе меди и никеля, отработке получения из них полуфабрикатов и изделий с повышенными эксплуатационными свойствами, внедрении их в промышленность.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзных и Российских конференциях по обработке давлением, проблемам теории и практики деформирования порошковых материалов (г. Москва, 1983; г. Барнаул, 1984; г. Ташкент, 1985; г. Красноярск, 1985; г. Киев, 1985; г. Ленинград, 1989; г. Днепропетровск, 1988; г. Минск, 1991; г. Пермь, 1993), на зональных, региональных и вузовских научно-технических конференциях (г. Челябинск, 1986, 1987; г. Пенза, 1989; г. Ленинград, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 работ в трудах совещаний и конференций, а также в журналах и сборниках научных трудов. В том числе опубликована одна монография и книга в соавторствеполучено три авторских свидетельства на изобретение.

Считаю необходимым выразить признательность коллективу кафедры «Пластическая обработка металлов, композиционных и порошковых материалов» Санкт-Петербургского государственного технического университета, а также моей семье, друзьям и коллегам, особенно к.т.н. Колесникову A.B., к.т.н. Шерстюку А. Р., к.т.н. Куликовскому Д. Н., оказавшим мне помощь и поддержку в процессе работ над диссертацией.