Керування консолідацією порошків і деформаційною обробкою пористих напівфабрикатів методами комп'ютерного моделювання на основі теорії пластичності пористих тіл

Розроблена методика моделювання й отримані результати використовуються в Державному університеті Сан-Дієго (SDSU, США, Каліфорнія) при виконанні науково-технічних проектів лабораторії порошкової металургії. Результати дисертаційної роботи включені в університетський курс лекцій

Досліджений процес теплого пресування порошкових виробів складної форми - блокувальних кілець синхронізатора коробки передач трактора “Беларус”, розроблених в ІПМ НАН Білорусі (робота виконана разом з д.т.н. В.М. Гороховим).

Блокувальне кільце являє собою втулку з буртом, внутрішня поверхня якої має конічну форму та шліци. На зовнішній поверхні виробу розташовані зуби (рис.21). Розглянуто вплив відношень швидкостей формуючих елементів інструмента, величини тертя та кута конусності внутрішньої поверхні виробу на остаточний розподіл щільності (рис.22).

Ущільнення протікає в кілька етапів. На першому етапі відбувається ущільнення внутрішньої поверхні пресовки конічною поверхнею верхнього пуансона.

Рис.21. Пресуємий виріб

Рис.22. Розподіл відносної щільності на послідовних етапах пресування

При вертикальному переміщенні верхнього пуансона зона ущільнення поширюється вниз і в радіальному напрямку. Після контакту горизонтальної поверхні верхнього пуансона з пресовкою починається другий етап пресування. Відбувається ущільнення матеріалу у вертикальному напрямку. Більш інтенсивно ущільнюються верхня і нижня, а менш інтенсивно - середня частини пресовки, що можна пояснити впливом тертя між порошком та стінками матриці. Одночасно з осьовим ущільненням відбувається радіальне ущільнення конічною поверхнею верхнього пуансона. Наприкінці пресування розподіл щільності матеріалу пресовки вирівнюється, але залишається нерівномірним. Найбільш сильно ущільнені зуби (відносна щільність рівна 0.993), причому щільність зростає в напрямку збільшення радіусу пресовки. Найменша щільність - у частині фланця, що не має зубів (0.956). Середня величина щільності відповідає щільності маточини (0.985).

Результати моделювання відповідають експериментальним даним і використані при розробці технологічного процесу теплого пресування.

Проведене комп'ютерне моделювання процесу гарячого штампування двошарової порошкової деталі, що виконує роль опори штанги обладнання, яке використовується у нафтогазовій галузі. Встановлено, що в процесі штампування відбувається радіальний зсув границі між шарами: більш міцний шар вдавлюється в менш міцний. Управляти цим зсувом можна за рахунок зміни величин початкової пористості шарів.

Досліджено процес гарячого штампування двошарових порошкових заготовок в оболонках з компактного металу. Процес деформування характеризується наявністю двох етапів. На початку процесу штампування (за наявності вільної поверхні) найменше значення щільності спостерігається в області опуклості вільної від навантажень поверхні заготовки. Проте, і в цій зоні відбувається ущільнення матеріалу, яке обумовлене впливом оболонки. При ущільненні в закритому штампі (заключний етап штампування) відбувається вирівнювання величини відносної щільності.

На підставі проведених розрахунків запропоновано:

- спосіб компактування порошків в еластичній оболонці, яку навантажують в осьовому й радіальному напрямках. Наявність радіальної течії сприяє більш інтенсивному ущільненню матеріалу;

- спосіб деформаційної обробки металів і сплавів, який забезпечує високий рівень накопичених деформацій у матеріалі виробу.

Оригінальність і ефективність розробок підтверджена двома патентами, а також актами впровадження.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано модель пластичного деформування порошково-пористих середовищ, яка, на відміну від існуючих, поряд з пористістю, накопиченою деформацією матеріалу твердої фази, чутливістю часток порошку до зчеплення, враховує також і здатність матеріалу часток до деформування. Модель описує деформацію порошків і пористих тіл, а також матеріалів з недосконалими контактами: сирих пресовок, пошкоджених і не повністю спечених порошкових виробів (чутливість до знаку навантаження й складу шихти). Вона дозволяє описувати ефект росту пористості при негативних (стиск) величинах гідростатичного тиску під дією зсувних напружень.

2. Розроблено методику скінченно - елементного моделювання, що використовує зазначену модель пластичного деформування порошково - пористих середовищ і враховує контактну взаємодію між матеріалом, що деформується, та інструментом.

3. Запропоновано метод комп'ютерного моделювання порошкових матеріалів, що поєднує особливості методів скінчених і дискретних елементів. Метод враховує контактну взаємодію між окремими частками або їх агломератами та дозволяє аналізувати напружено-деформований стан як часток і гіперчасток, так і всього тіла в цілому. На відміну від існуючих, запропонований метод дозволяє враховувати внутрішню пористість часток, а також можливість їх взаємного проковзування.

4. Розроблений метод попереднього комп'ютерного моделювання дозволив не тільки визначити розподіл пористості й інших характеристик порошкового тіла, але й спрогнозувати локалізацію зон розпушення. Такі зони є провісниками утворення розшарувальних щілин.

5. На підставі отриманих розрахункових даних встановлені закономірності зміни полів характеристик матеріалу при пресуванні порошкових виробів, що обмежені ступеневоподібними та похилими до напрямку пресування поверхнями. У першому випадку обґрунтована методика вибору діаграм деформування, що дозволяють уникнути появи розшарувальних щілин залежно від ступеня крихкості шихти. У другому - доведено необхідність попереднього перерозподілу матеріалу, зокрема за рахунок застосування розрізних пуансонів, а також необхідність використання активних сил тертя.

6. Радіальна течія дає можливість керувати розподілом пористості у виробі та підвищити ступінь пророблення матеріалу за рахунок збільшення накопиченої деформації твердої фази. Серед факторів, що сприяють радіальному плину при осьовому пресуванні - неоднорідність початкових властивостей різних частин заготовки, нерівномірність її нагрівання, а також наявність вільного простору між заготовкою та інструментом. Реалізація радіальної течії за рахунок наявності зазору пов'язана з ризиком руйнування виробів і вимагає використання проміжних прокладок і оболонок, які пластично деформуються.

7. Реалізація схем деформування, що характеризуються значними деформаціями зсуву, дозволяє одержати ультрадрібнодисперсну структуру матеріалу, що, у свою чергу, забезпечує більш високі міцністні характеристики. У той же час реалізація таких схем пов'язана з ризиком зростання темпу накопичення пошкоджень і росту пористості. Запобігання руйнуванню можливо за рахунок застосування схем деформування, що забезпечують підвищення гідростатичної складової тензора напружень. Одним з найбільш ефективних засобів зниження дефектоутворення у випадку гвинтової екструзії є застосування протитиску.

8. Встановлено закономірності спотворення форми вихідної стрічки при асиметричній прокатці порошкових матеріалів. При невеликих величинах обтиснення стрічка викривлюється в напрямку валка меншого діаметра. Збільшення відносного обтиснення приводить до вигину стрічки в протилежному напрямку - у напрямку валка більшого діаметра. Розподіл пористості має нерівномірний характер. Більш інтенсивне ущільнення матеріалу відбувається біля валка меншого діаметра.

9. На основі використання комбінації континуального методу моделювання та модифікованого автором методу дискретних елементів встановлено можливість одночасного аналізу поведінки окремих часток та дисперсної системи в цілому. Моделювання різних схем пресування агломерованих нано-порошкових систем виявило як загальні для пресування порошків закономірності (розподіл щільності й накопиченої деформації твердої фази в об'ємі пресуємого виробу), так і специфічні (неоднорідний розподіл в об`ємі гіперчасток). Встановлено, що закономірності поведінки таких систем на макроскопічному рівні, отримані методом дискретних елементів, підтверджують результати застосування континуального підходу.

10. При деформуванні двошарових порошкових заготовок можлива радіальна течія, обумовлена відмінністю властивостей матеріалу шарів. Встановлено, що напрям радіальної течії визначається комбінацією міцностей шарів та їх об`ємів. Варіювання цих параметрів дає змогу корегувати напрям течії, а відтак і розподіл властивостей матеріалів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ОСНОВНИХ ПРАЦЬ

1. Розенберг О.А. Моделирование процесса упрочнения пористых втулок методом многократного протягивания / О.А. Розенберг, О.В. Михайлов, М.Б. Штерн // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник, Випуск 31. - Луцьк, 2011. - C. 306-313.

2. Михайлов О.В. Моделирование процесса горячей штамповки пористых заготовок в штампе с кольцевым коническим компенсатором / О.В. Михайлов, Г.А. Баглюк // Вісник національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Серія Машинобудування. - № 62. - 2011. - С. 100-102.

3. Штерн М.Б. Модифицированные модели деформирования порошковых материалов на основе пластичных и труднодеформируемых порошков / М.Б. Штерн, О.В. Михайлов // Вісник національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Серія Машинобудування. - № 62. - 2011. - С. 13-19.

4. Михайлов О.В. Моделирование процесса горячей штамповки кольцеобразных пористых заготовок в полузакрытом штампе / О.В. Михайлов, Г.А Баглюк // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 12 - Киев, 2010, C. 77-83.

5. Баглюк Г.А. Моделювання процесу гарячої штамповки спеченої кільцеподібної заготовки в напівзакритому штампі / Г.А. Баглюк, О.В. Михайлов // Вісник національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Серія Машинобудування. - № 60. - 2010. - С. 103-105.

6. Михайлов О.В. Компьютерное моделирование процесса экструзии двухслойных порошковых заготовок / О.В. Михайлов // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им.И.Н.Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 11 - Киев, 2009, C. 101-107.

7. Баглюк Г.А. Определение свойств пористых заготовок при возникновении интенсивных сдвиговых деформаций методами компьютерного моделирования / Г.А. Баглюк, О.В. Михайлов, В.Я. Куровский, Е. Олевский, М.Б. Штерн // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямом "Інженерна механіка"), Випуск 25, частина 1. - Луцьк, червень 2009. - C. 10-15.

8. Михайлов О.В. Компьютерное моделирование процесса асимметричной прокатки порошковых материалов / О.В. Михайлов, К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Г.Я. Калуцкий // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им.И.Н.Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 10 - Киев, 2008, C.120-124.

9. Розенберг О.А. Эволюция распределения плотности,накопленной деформации и топологических особенностей порошковых цилиндрических заготовок в условиях деформирующего протягивания Сообщение 2. Эволюция внутренней топологии полых цилиндрических пористых заготовок при упрочнении их внутренних поверхностей с одновременным уплотнением методом протягивания / О.А. Розенберг, Е.А. Пащенко, А.П. Майданюк, О.В. Михайлов, М.Б. Штерн, Е. Олевский // Сверхтвердые материалы, 2008, № 4, C. 79-85.

10. Розенберг О.А. Эволюция распределения плотности, накопленной деформации и топологических особенностей порошковых цилиндрических заготовок в условиях деформирующего протягивания Сообщение 1. Моделирование и анализ распределения плотности и накопленной деформации в порошковых телах, сформированных с использованием различных схем деформирующего протягивания / О.А. Розенберг, Е.А. Пащенко, А.П. Майданюк, О.В. Михайлов, М.Б. Штерн, Е.Олевский // Сверхтвердые материалы, 2008, № 3, C. 81-91.

11. Бейгельзимер Я.Е. Винтовая экструзия порошковых заготовок. 2.Эксперимент и обсуждение результатов / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн // Физика и техника высоких давлений, 2008, т.18, № 3, C.92-97.

12. Бейгельзимер Я.Е. Винтовая экструзия порошковых заготовок. 1.Численный анализ методом конечеого элемента / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский // Физика и техника высоких давлений, 2008, т.18, № 1, C. 69-82.

13. Mikhailov O.V. Peculiarities of density distribution during pressing of agglomerated nano-powder systems / O.V.Mikhailov, M.B.Shtern, A.L.Maximenko // Modern technologies of ceramic materials and their investigation, Polish Ceramic Bulletin, CERAMICS, Vol.101, 2008, Poland, Krakow, P. 49-56.

14. Михайлов О.В. Особливості розподілу густини при пресуванні агломерованих нано-порошкових систем / О.В. Михайлов, А.Л. Максименко, М.Б. Штерн // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямом "Інженерна механіка"), Випуск 20. - Луцьк, травень 2007. - C. 305-310.

15. Михайлов О.В. Компьютерное моделирование процесса уплотнения при горячей штамповке двухслойных порошковых изделий с вертикальной линией раздела / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им.И.Н.Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 9 - Киев, 2007, C. 95-98.

16. Михайлов О.В. Особенности уплотнения порошков в пористых оболочках - результаты компьютерного моделирования / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Д.В. Дмитренко, Л.И. Свистун // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямом "Інженерна механіка"), Випуск 20. - Луцьк, травень 2007. - C. 311-314.

17. Михайлов О.В. Моделирование процессов штамповки многослойных пористых заготовок / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Л.И. Свистун // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 8 - Киев, 2006, C.88-93.

18. Михайлов О. В. Компьютерное моделирование процесса теплого прессования порошков в жестких матрицах: влияние неравномерности нагрева / О. В. Михайлов, М. Б. Штерн, Ю. А. Панфилов // Порошковая металлургия.- 2006, № 3/4 . - C. 109-213.

19. Михайлов О.В. Исследование течения материала при экструзии порошковых изделий / О.В. Михайлов, Г.Г. Сердюк, Т.А. Епифанцева, Е.В. Штефан // Техника машиностроения (Москва), 2(58), 2006, C.52-55.

20. Михайлов О.В. Моделирование технологических процессов прессования и штамповки двухслойных дисперсно-упрочненных порошковых изделий / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Л.И. Свистун // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института проблем материаловедения им.И.Н.Францевича НАН Украины, серия "Моделирование в материаловедении", Выпуск 7 - Киев, 2005, C. 53-58.

21. Mikhailov O. Numerical simulation of powder materials extrusion/ O.Mikhailov, G. Serdyuk, T.Yepifantseva, E.Shtefan // EURO PM2005 Congres & Exhibition Proceeding, 2 - 5 October, 2005, Prague, Czech Republic, Vol.3, P. 427-431.

22. Mikhailov O. Modelling of two-layer age-hardened powder bodies processing by pressing and punching / O. Mikhailov, T. Pavligo, G. Serdyuk, L. Svistun, R. Plomodyalo // EURO PM2005 Congres & Exhibition Proceeding, 2 - 5 October, 2005, Prague, Czech Republic, Vol.3, P.433-438.

23. Михайлов О.В. Технология спеченных конструкционных материалов с дисперсной структурой / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Л.И. Свистун // Реологія, структура, властивості порошкових та композиційних матеріалів: збірник наукових праць. - Луцьк: РВВ ЛДТУ, 2004. - C.100-108.

24. Михайлов О.В. Пластическое деформирование порошковых конструкционных материалов с дисперсной структурой / О.В. Михайлов, Т.М. Павлыго, Г.Г. Сердюк, Л.И. Свистун // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямом "Інженерна механіка"), Випуск 14. - Луцьк, 2004. - C. 215-221.

25. Михайлов О.В. Численное моделирование процессов прессования порошковых изделий сложной формы в жестких матрицах: влияние схемы прессования на распределение плотности. II. Методика моделирования и анализ схем формования / О.В. Михайлов, М.Б. Штерн // Порошковая металлургия.- 2003, № 3/4 . - С.7-16.

26. Штерн М.Б. Численное моделирование процессов прессования порошковых изделий сложной формы в жестких матрицах: влияние схемы прессования на распределение плотности. I. Механическая модель уплотнения порошка / М.Б. Штерн, О.В. Михайлов // Порошковая металлургия.- 2002, № 11/12 . - С. 29-36.

27. Штерн М.Б. Контроль распределения плотности и предсказание разрушения при прессовании порошков в жесткой матрице на основе компьютерного моделирования / М.Б. Штерн, О.В. Михайлов // Вопросы механики и физики процессов резания и холодного пластического деформирования: Сб.науч.тр. Института сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля НАН Украины. Серия Г: Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Киев, 2002. - C. 434-441.

28. Shtern M. Defects Formation in Die Compaction: Prediction and Numerical Analysis/ M.Shtern, O.Mikhailov // Proceeding of Powder Metalurgy European Congress, 22 - 24 October, 2001, Nice, France, Vol.3, P.50-57.

29. Епифанцева Т.А. Влияние схемы уплотнения на распределение свойств материала облицовок кумулятивных зарядов при их формовании из гетерогенной порошковой композиции / Т.А. Епифанцева, И.Д. Мартюхин, О.В. Михайлов, Г.Г. Сердюк // Порошковая металлургия. - 2000, № 11/12 . - С. 21-27.

30. Епифанцева Т.А. Особенности распределения плотности при осевом прессовании пористых изделий, ограниченных наклонными к направлению прессования поверхностями. Численный анализ / Т.А. Епифанцева, И.Д. Мартюхин, О.В. Михайлов, Г.Г. Сердюк // Порошковая металлургия. - 1997, № 5/6 . - С. 43-52.

31. Горохов В.М. Система физического и геометрического моделирования процессов получения порошковых изделий с применением метода пластического деформирования / В.М. Горохов, О.В. Михайлов, Г.П. Устинова, Е.В. Штефан // Порошковая металлургия (Минск) - 1997.- вып.20.- C.5 -10.

32. Михайлов О.В. Интегрированная система компьютерного моделирования процессов обработки порошковых изделий давлением / О.В. Михайлов // Порошковая металлургия.- 1995, № 9/10. - С.99-104.

33. Патент 58167 України, МПК⁽⁵¹⁾, B21C 23/00, B21J 5/00. Спосіб деформаційної обробки металів та сплавів / Баглюк Г.А., Курихин В.С., Штерн М.Б., Михайлов О.В.; заявник і патентовласник - Інститут проблем матеріалознавства НАН України, № u201008548, заявл. 08.07.2010, опубл. 11.04.2011, бюл. № 7/2011.

34. Патент 38572 України, МПК⁽⁵¹⁾, B22F 3/02, B22F 3/14. Спосіб компактування порошків / Баглюк Г.А., Штерн М.Б., Куровський В.Я., Михайлов О.В., Ткаченко Л.Н.; заявник і патентовласник - Інститут проблем матеріалознавства НАН України № u200809679, заявл. 24.07.2008, опубл. 12.01.2009, бюл. № 1/2009.

Участь здобувача в публікаціях:

Розробка моделі пластичного деформування порошкових матеріалів [3, 26, 28]; розробка алгоритмів та програмного забезпечення [31, 32]; розробка модифікації методу багатомасштабного моделювання процесів пресування біпористих порошкових матеріалів [13,14]; постановка задач, комп'ютерне моделювання, аналіз отриманих результатів [1,6,8, 12,15-25, 29-30]; комп'ютерне моделювання, аналіз отриманих результатів [2, 4, 5,7,10, 26], планування експериментальних досліджень й аналіз отриманих результатів [9,11]. Участь всіх авторів у створенні патентів [33,34] однакова.

АНОТАЦІЯ

Михайлов О.В. Керування консолідацією порошків і деформаційною обробкою пористих напівфабрикатів методами комп'ютерного моделювання на основі теорії пластичності пористих тіл. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАНУ, Київ, 2011.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів формування механічних і службових властивостей порошкових виробів при їхньому ущільненні й деформуванні на основі керування розподілом накопичених деформацій і пористості.

В роботі теоретично обґрунтовано та запропоновано узагальнену модель незворотної поведінки дисперсних середовищ під дією зовнішнього навантаження та деформування. Запропонована модель враховує, поряд з пористістю, накопиченою деформацією матеріалу твердої фази, чутливістю часток порошку до зчеплення, також і здатність матеріалу часток до деформування. Розроблено методику скінченно - елементного моделювання, що використовує зазначену модель пластичного деформування порошково - пористих середовищ. Для дослідження процесів пресування біпористих порошкових матеріалів запропоновано комбінований метод моделювання, що поєднує особливості методів скінчених і дискретних елементів.

На підставі застосування моделі та методики моделювання, що на ній базується, розглянуто процеси деформаційної обробки порошків та пористих напівфабрикатів.

В роботі сформульовано якісне пояснення можливостей утворення розшарувальних щілин при пресуванні порошків, вивчені особливості пресування біпористих і багатокомпонентних порошкових систем.

Результати дослідження течії пористого матеріалу при штампуванні показали, що радіальна течія дає можливість керувати розподілом пористості у виробі та підвищити ступінь пророблення матеріалу. Радіальній течії сприяють фактори: неоднорідність початкових властивостей різних частин заготовки, нерівномірність її нагрівання, а також наявність вільного простору між заготовкою та інструментом.

Розглянуто схеми деформування, що характеризуються значними деформаціями зсуву. Такі схеми застосовуються багаторазово з метою забезпечити високий рівень накопичених деформацій у матеріалі виробів.

У той же час реалізація таких схем пов'язана з ризиком зростання темпу накопичення пошкоджень і росту пористості. Запобігання руйнуванню можливо за рахунок застосування схем деформування, що забезпечують підвищення гідростатичної складової тензора напружень.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці низки технологічних процесів одержання порошкових виробів.

Ключові слова: порошок, частки, пористість, пластична деформація, пресування, штампування, екструзія, прокатка, комп'ютерне моделювання, теорія пластичності, метод скінчених елементів, метод дискретних елементів, розподіл пористості, розподіл накопиченої пластичної деформації.

АННОТАЦИЯ

Михайлов О.В. Управление консолидацией порошков и деформационной обработкой пористых полуфабрикатов методами компьютерного моделирования на основе теории пластичности пористых тел. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАНУ, Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена разработке методов формирования механических и служебных свойств порошковых изделий при их уплотнении и деформировании на основе управления распределением накопленных деформаций и остаточной пористости.

В качестве основного метода исследований использован метод компьютерного моделирования, основанный на континуальном подходе, реологической модели пластического деформирования пористого тела и методе конечных элементов. В работе предложена новая модель пластического деформирования порошково - пористых сред, которая, в отличие от известных, наряду с пористостью, накопленной деформацией материала твердой фазы, чувствительностью частиц порошка к сцеплению, учитывает также и меру деформируемости частиц. Разработан алгоритм численной реализации методом конечных элементов сформулированной реологической модели. Для исследования процессов прессования бипористых и многокомпонентных порошковых сред разработан метод моделирования, представляющий собой комбинацию методов конечных и дискретных элементов.

Исследованы технологические процессы: прессование порошков, штамповка и экструзия пористых заготовок, а также схемы деформирования, характеризующиеся значительными сдвиговыми деформациями.

Дано качественное объяснение возможности образования расслойных трещин при прессовании порошков в жесткой матрице, установлена связь этого явления со схемой прессования и с мерой деформируемости материала порошка.

Определены факторы, способствующие возникновению радиального течения при осевом прессовании и штамповке: форма инструмента, неоднородность начальных свойств разных частей заготовки, неравномерность ее нагрева, а также наличие свободного пространства между заготовкой и инструментом.

Изучены особенности прессования бипористых и многокомпонентных порошковых систем. Поведение порошка рассмотрено на двух масштабных уровнях: на уровне отдельных частиц и на уровне деформируемого тела в целом. Рассмотрено влияние схемы прессования на распределение пористости и накопленной деформации. Установлено, что результаты моделирования, полученные комбинированным методом дискретных и конечных элементов, качественно соответствуют результатам применения континуального подхода. В то же время распределение свойств внутри частиц - неравномерно. Установлено, что при уплотнении многокомпонентных порошковых сред деформация частиц менее прочного материала происходит более интенсивно.

Рассмотрены закономерности деформирования двухслойных порошковых заготовок. Показано, что при деформационной обработке таких изделий интенсивность уплотнения и роста накопленной деформации материала твердой фазы выше в менее прочном слое.

Установлено, что многократное применение схем деформирования, характеризующихся значительными сдвиговыми деформациями, позволяет повысить уровень накопленных деформаций материала твердой фазы. Однако применение этих схем обработки может привести к разрушению изделий. Предотвращение разрушения возможно за счет применения схем деформирования, обеспечивающих повышение гидростатической составляющей тензора напряжений.

Результаты диссертационной работы подтверждены экспериментальными данными и использованы при разработке ряда технологических процессов получения изделий методами прессования порошков и деформационной обработки пористых заготовок.

Ключевые слова: порошок, частицы, пористость, пластическая деформация, прессование, штамповка, экструзия, прокатка, компьютерное моделирование, теория пластичности, метод конечных элементов, метод дискретных элементов, распределение пористости, распределение накопленной пластической деформации.

ABSTRACT

Mikhailov O.V. Control of powder consolidation and forming of porous blanks by computer modeling of plastic behavior of porous bodies - Manuscript.

Thesis for the doctor's degree by specialty 05.16.06 - Powder metallurgy and composite materials. I.N.Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, National Academy of Science of Ukraine. - Kyiv, 2011.

Thesis is devoted to the development of new approaches for the control of mechanical and other service characteristics of powder-based components during their pressing and forming by control of porosity and accumulated strain volume distributions.

The main method of investigation is computer modeling of pressing and forming based on continuum rheological model of plasticity of porous bodies and numerical finite element approach.

New model of plastic deformation of porous bodies has been put forward in the Thesis and numerical finite element approach for its implementation has been developed. The model takes into account the degree of powder deformability. For the modeling of consolidation of bi-porous and multi-components powder systems, new numerical approach combining finite-element and discrete modeling has been developed.

Thesis is aimed at analysis of powder pressing, die forming, forging and extrusion of porous blanks with special attention on forming methods using intense shear loading.

Qualitative explanation of pressing crack development in rigid dies has been proposed and analysis of radial flow during different types of pressing has been carried out. Special features of pressing of bi-porous and multi-component powder systems have been investigated. In this case powder behavior is modeled on the two structure levels: the level of powder particles and the macroscopic level of powder body.

It has been shown for the pressing of bi-layer specimens that degrees of densification and strain accumulation are higher in the more ductile layer. For powder forming with intense shear strains new technological approaches preventing crack formation have been put forward.

Results of the Thesis found industrial applications in the development of new powder consolidation technological processes.

Keywords: powder, particles, porosity, plastic deformation, pressing, forging, extrusion, rolling, computer modeling, the theory of plasticity, finite element method, discrete element method, porosity distribution, distribution of accumulated plastic deformation.

Размещено на Allbest.ru