Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением

Целью работы являлось изучение влияния параметров обработки на характеристики и поведение ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) медной заготовки методом сеток и методом конечных элементов (МКЭ) при равноканальном угловом прессовании...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Рааб, Г.И., Макарычев, К.Н., Валиев, Р.З.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2005
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70113
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением / Г.И. Рааб, К.Н. Макарычев, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 72-80. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70113
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-701132014-10-29T03:01:54Z Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением Рааб, Г.И. Макарычев, К.Н. Валиев, Р.З. Целью работы являлось изучение влияния параметров обработки на характеристики и поведение ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) медной заготовки методом сеток и методом конечных элементов (МКЭ) при равноканальном угловом прессовании с противодавлением (РКУПП) и без него (РКУП). Максимальный уровень противодавления для исследуемого материала меди марки М1 составлял 450 MPa. В результате исследования получены численные значения уровня накопленной деформации в продольном и поперечном диаметральных сечениях заготовки, а также сравнительные данные параметров НДС при прессовании в условиях противодавления и без него. Выявлены особенности НДС в очаге деформации и его влияние на деформируемость меди при создании противодавления жестким пуансоном и ее механическое поведение в УМЗ-состоянии. Influence of parameters of pressure treatment on characteristics and behavior of ultrafinegrained (UFG) materials has been studied. The stressed-strained state (SSS) of copper billet has been investigated by net method and finite-element method during the equalchannel angular pressing with backpressure (ECAPBP) and without it (ECAP). For copper of quality М1 the maximum level of backpressure was 450 MPa. Numerical values of the level of accumulated strain in the diametrical cross- and longitudinal sections of the billet have been estimated, comparative data for SSS parameters during pressing under backpressure and without the same have been obtained. Peculiarities of the SSS at deformation site and its influence on deformability of copper during backpressure generation by rigid punch and on its mechanical behavior in the UFG-state have been revealed. 2005 Article Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением / Г.И. Рааб, К.Н. Макарычев, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 72-80. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.−z http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70113 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Целью работы являлось изучение влияния параметров обработки на характеристики и поведение ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) медной заготовки методом сеток и методом конечных элементов (МКЭ) при равноканальном угловом прессовании с противодавлением (РКУПП) и без него (РКУП). Максимальный уровень противодавления для исследуемого материала меди марки М1 составлял 450 MPa. В результате исследования получены численные значения уровня накопленной деформации в продольном и поперечном диаметральных сечениях заготовки, а также сравнительные данные параметров НДС при прессовании в условиях противодавления и без него. Выявлены особенности НДС в очаге деформации и его влияние на деформируемость меди при создании противодавления жестким пуансоном и ее механическое поведение в УМЗ-состоянии.
format	Article
author	Рааб, Г.И. Макарычев, К.Н. Валиев, Р.З.
spellingShingle	Рааб, Г.И. Макарычев, К.Н. Валиев, Р.З. Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением Физика и техника высоких давлений
author_facet	Рааб, Г.И. Макарычев, К.Н. Валиев, Р.З.
author_sort	Рааб, Г.И.
title	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
title_short	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
title_full	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
title_fullStr	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
title_full_unstemmed	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
title_sort	особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2005
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70113
citation_txt	Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением / Г.И. Рааб, К.Н. Макарычев, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 72-80. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT raabgi osobennostinaprâžennodeformirovannogosostoâniâpriravnokanalʹnomuglovompressovaniisprotivodavleniem AT makaryčevkn osobennostinaprâžennodeformirovannogosostoâniâpriravnokanalʹnomuglovompressovaniisprotivodavleniem AT valievrz osobennostinaprâžennodeformirovannogosostoâniâpriravnokanalʹnomuglovompressovaniisprotivodavleniem
first_indexed	2025-07-05T19:25:10Z
last_indexed	2025-07-05T19:25:10Z
_version_	1836836203915116544
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 72 PACS: 81.40.−z Г.И. Рааб, К.Н. Макарычев, Р.З. Валиев ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ Институт физики перспективных материалов, Уфимский государственный авиационный технический университет ул. К. Маркса, 12, г. Уфа, 450000, Россия Email: k_makarychev@mail.ru Целью работы являлось изучение влияния параметров обработки на характери- стики и поведение ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. Проведено исследо- вание напряженно-деформированного состояния (НДС) медной заготовки мето- дом сеток и методом конечных элементов (МКЭ) при равноканальном угловом прессовании с противодавлением (РКУПП) и без него (РКУП). Максимальный уровень противодавления для исследуемого материала меди марки М1 составлял 450 MPa. В результате исследования получены численные значения уровня накопленной де- формации в продольном и поперечном диаметральных сечениях заготовки, а так- же сравнительные данные параметров НДС при прессовании в условиях противо- давления и без него. Выявлены особенности НДС в очаге деформации и его влияние на деформируемость меди при создании противодавления жестким пуансоном и ее механическое поведение в УМЗ-состоянии. Введение На формирование УМЗ-структуры при РКУП большое влияние оказыва- ют параметры прессования [1]. К наиболее важным параметрам при РКУП относятся НДС и маршрут прессования [1]. Об этом также свидетельствуют работы [2,3], в которых показана тенденция получения более мелких зерен и дальнейшего повышения прочности УМЗ-меди при использовании противо- давления. Вызывает интерес, какое же влияние оказывает противодавление на деформационное поведение и деформированное состояние заготовок. Учитывая, что существует прямая зависимость между деформированным состоянием и структурными изменениями в материалах, необходимость по- добных исследований является актуальной. Также следует учитывать поло- жительное влияние высокого уровня гидростатического давления в услови- ях, близких к всестороннему сжатию, на деформируемость материалов. Это обстоятельство должно приводить к повышенной деформируемости при Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 73 РКУПП [4]. Обозначенные проблемы были предметом исследований и пред- ставляли интерес с точки зрения влияния противодавления на однородность деформированного состояния и деформируемость заготовок. Методика эксперимента и основные результаты Исследование деформированного состояния при РКУП проводили на ста- дии устойчивого течения материала. Для эксперимента брали заготовки раз- мерами 16 × 16 × 100 mm из меди марки М1. При изучении деформирован- ного состояния использовали методику, базирующуюся на положениях тео- рии конечных деформаций, где параметры деформированного состояния оп- ределяются при сопоставлении исходных и конечных форм и параметров ячейки. Координатную сетку (4 × 4 mm) наносили механическим способом на одну из равных частей заготовки, разрезанную в продольной вертикаль- ной или горизонтальных плоскостях (рис. 1). а б Рис. 1. Схема разрезки с указанием исследуемых плоскостей (а) и общий вид ис- ходной координатной сетки (б) Физическое состояние материала и работу, затрачиваемую на формоиз- менение, характеризовали интенсивностью деформации сдвига [1]: 2 3 2 2 2 12 ε+ε+ε=Γ (1) или накопленной деформацией 2 3 2 2 2 13 2 ε+ε+ε=εi , (2) где Г – интенсивность деформации сдвига; ε1, ε2, ε3 − главные деформации; εi − истинная накопленная деформация. Главные деформации определяли по изменению координат делительной сетки по методике, представленной в [1] (рис. 2). Результаты, полученные по вышеописанной методике, сравнивали с результатами, полученными по ме- тодике, представленной в [1], где интенсивность деформации определяли по углу наклона ячеек сетки после деформации Г = tg γ. (3) Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 74 а б Рис. 2. Общий вид ячеек координатной сетки до (а) и после (б) деформации для стадии устойчивого течения материала (медь марки М1) в продольной вертикаль- ной диаметральной плоскости после одного цикла прессования (где а0, а12, а22, а11, а21 − параметры измененной ячейки, γ − угол ее наклона) Гидростатическое давление в очаге деформации при РКУП определяли согласно [5] по формуле ( ) Φµ− Φ+µ+ = ctg1 ctg0 kpp , (4) где p0 − величина осевого противодавления со стороны выходного канала, создаваемого жестким пуансоном; k − предел текучести материала; µ − ко- эффициент трения на рабочих поверхностях матрицы; Φ − половина угла пересечения каналов (в данном случае 45°). Основные результаты и их обсуждение Для проведения экспериментов была создана установка для РКУПП с максимальной силой противодавления 900 MPa. Ее схема и общий вид пред- ставлены на рис. 3. Установка оснащена компьютерным управлением. а б Рис. 3. Установка для РКУПП: а − схема оснастки, б − общий вид Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 75 Исследование НДС заготовок В результате исследований получены деформационные картины после одного цикла РКУП и РКУПП меди (рис. 4). а б в г Рис. 4. Общий вид координатной сетки после одного цикла прессования медной заготовки в сечениях XOY (а, б − соответственно после РКУП и РКУПП) и ZOX (в, г − после РКУП и РКУПП) Форма заготовки, представленная на рис. 5,а, получена после 5 циклов РКУП. Она свидетельствует о том, что в процессе деформации может отде- ляться часть заготовки, находящаяся в застойной зоне оснастки. Срез заго- товки происходит по наиболее естественному пути течения металла, отве- чающему действиям максимальных сдвиговых напряжений. Полученная по- сле деформации форма сетки (см. рис. 4,а) также свидетельствует о срезе части материала на начальной стадии прессования. При этом в момент среза и некоторое время после него нижний ряд ячеек приобретает неправильную форму, искажаются верхние ряды ячеек, и только ближе к завершению про- цесса наблюдается стабилизация течения. При создании противодавления отделение части заготовки не происходит, однако застойная зона притормаживает течение металла в приконтактной нижней зоне заготовки. Эта зона определяется по резкому изменению на- клона ячеек сетки (рис. 4,б). Она расположена в нижней части исследуемого а б Рис. 5. Формы медной заготовки после 5 циклов РКУП (а) и 28 циклов РКУПП (б) Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 76 сечения и составляет около 20% от общего объема заготовки. При этом не- однородность деформации возрастает и в нижней приконтактной зоне при- мерно в два раза превышает значения накопленной деформации относитель- но остальной части заготовки на стадии устойчивого течения. Судя по виду сетки, срез заготовки, по-видимому, все-таки происходит, но из-за большого гидростатического давления и условий всестороннего сжатия имеет место залечивание образующихся трещин. Анализ картин координатной сетки после деформации в плоскости ZOX (рис. 4,в,г) указывает на более однородное течение материала в этом сечении при использовании противодавления. Оценки НДС процессов для устойчивой стадии прессования представле- ны в табл. 1. Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что при РКУП получено более равномерное деформационное поле. Однако в приконтакт- ной нижней зоне накопленная деформация ниже, чем в остальной заготовке. При использовании РКУПП для этой зоны получена обратная картина. Таблица 1 Значения истинных деформаций для стадии устойчивого течения при РКУП и РКУПП после одного цикла Накопленная истинная деформация Вид обработки центральной час- ти заготовки в плоскости YOX в нижней при- контактной зоне плоскости YOX в плоскости ZOX Гидростатическое давление в очаге деформации, MPa РКУП 1.13 0.90 0.02 780 РКУПП 1.10 2.10 0.05 1204 Влияние противодавления на деформируемость материалов Деформируемость меди в процессе РКУП и РКУПП оценивали для мар- шрута Вс, как наиболее эффективного для формирования УМЗ-структуры. При РКУП заготовка до момента разрушения выдержала 20 циклов прессо- вания. Общий вид заготовки с трещиной в направлении плоскости сдвига после 20 циклов представлен на рис. 6. Полученный вид разрушения наибо- лее характерен для процесса РКУП. Рис. 6. Заготовка после 20 циклов РКУП по маршруту Вс Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 77 При РКУПП деформируемость меди значительно выше. После 28 циклов прессования не наблюдалось даже признаков, свидетельствующих о воз- можном разрушении. Наиболее важным признаком является возникновение «гребенки» на верхней поверхности образца. Нами же получен образец с аб- солютно ровными поверхностями (см. рис. 5,б). Дальнейшее деформирова- ние было приостановлено. Похожие результаты были получены при обработке малопластичных вы- сокопрочных алюминиевых сплавов типа 6061. Если без противодавления материал разрушался после второго цикла прессования, то при использова- нии противодавления силой около 600 MPa − только после 5−6 циклов. Механическое поведение УМЗ-меди Влияние противодавления на механическое поведение меди было изучено для маршрута прессования Вс (табл. 2). При этом сравнивали состояния, по- лученные после 1, 4 и 16 циклов РКУП и РКУПП. Машинные графики на- грузка−перемещение при испытании на растяжение стандартных образцов диаметром 3 mm представлены на рис. 7. Таблица 2 Результаты механических испытаний при температуре 20°C и скорости растяжения 1 mm/min меди М1 после РКУП и РКУПП по маршруту Вс Вид обработки Число циклов Предел текучести, MPa Предел прочности при растяжении, MPa Относительное удлинение, % Отжиг − 100 145 40 1 307 318 11 4 404 422 10РКУП 16 380 400 13 1 291 302 10 4 471 482 10РКУПП 16 414 425 12 0 100 200 300 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Displacement (elongation), mm Lo ad , k g 0 100 200 300 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Displacement (elongation), mm Lo ad , k g а б Рис. 7. Машинные графики нагрузка−перемещение при испытании на растяжение стандартных медных образцов диаметром 3 mm: а − после РКУП; б − после РКУПП: ♦ − 1 цикл, ■ − 4 цикла, ∆ − 16 циклов Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 78 Анализ полученных результатов показывает, что противодавление спо- собствует повышению общего уровня прочности. Максимальная разница наблюдается после 4 циклов и составляет 15% по сравнению с деформиро- ванием без противодавления (см. табл. 2). Такой факт, видимо, закономерен и свидетельствует о более напряженной структуре и более острой текстуре для этого состояния. Анализ пластических характеристик позволяет просле- дить тенденцию к повышению пластических свойств для обоих видов обра- ботки к 16 циклу прессования. При этом происходит некоторое снижение прочности. Данные факты свидетельствуют о происходящих процессах ре- лаксации напряжений, структурных и текстурных изменениях. Следует обратить внимание на тот факт, что уже после одного цикла прессования доля равномерной деформации при растяжении незначительна. В табл. 3 приведены вклады равномерной и локальной деформации для всех испытанных образцов. Таблица 3 Результаты исследования вкладов равномерной и локальной деформации при растяжении образцов из меди М1 после РКУП и РКУПП по маршруту Вс Вклад деформации, %Вид обработки Число циклов равномерной локальной Отжиг − 82 18 1 4.5 95.5 4 4 96РКУП 16 6.5 93.5 1 2 98 4 3 97РКУПП 16 4.2 95.8 Анализ полученных данных показывает, что по сравнению с РКУП при РКУПП доля равномерной деформации снижается. В то же время с увеличе- нием количества циклов и соответственно накопленной деформации для обоих процессов прослеживается тенденция к увеличению вклада равномер- ной деформации. Заключение Использование противодавления силой, равной 450 MPa, при прессова- нии меди марки М1 приводит к повышению гидростатического давления в очаге деформации с 780 до 1204 MPa. При этом в приконтактной нижней области заготовки для стадии устойчивого течения возникает зона с неодно- родно повышенной интенсивностью деформации относительно остальной части исследуемого сечения. Эта зона составляет около 20% от исследован- ного сечения заготовки. При РКУПП повышается деформируемость меди и, соответственно, по- давляются процессы трещинообразования. Использование противодавления Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 79 влияет на механическое поведение УМЗ-материалов, полученных РКУП. При противодавлении силой, равной 450 MPa, возрастают характеристики прочности после 4 и 16 циклов. Также для этих условий прослеживаются тенденции по увеличению пластичности. 1. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Наноструктурные материалы, полученные ин- тенсивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000). 2. Г.И. Рааб, Н.А. Красильников, И.В. Александров, Р.З. Валиев, ФТВД 10, № 4, 73 (2000). 3. Г.И. Рааб, А.В. Боткин, И.В. Александров, А.В. Ошнуров, Р.З. Валиев, ФТВД 12, № 4, 47 (2002). 4. Р.Е. Лаповок, Металлы № 1, 45 (2004). 5. Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др., Теория пластических дефор- маций металлов, Е.П. Унксов, А.Г. Овчинников (ред.), Машиностроение, Моск- ва (1983). 6. V.S. Zhernakov, I.N. Budilov, G.I. Raab, et al., Scripta mater. 44, 1765 (2001). 7. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, Процессы пластического структурообразования металлов, Навука i тэхнiка, Минск (1994). G.I. Raab, K.N. Makarychev, R.Z. Valiev FEATURES OF THE STRESSED-STRAINED STATE DURING THE EQUAL-CHANNEL ANGULAR PRESSING WITH BACKPRESSURE Influence of parameters of pressure treatment on characteristics and behavior of ultrafine- grained (UFG) materials has been studied. The stressed-strained state (SSS) of copper billet has been investigated by net method and finite-element method during the equal- channel angular pressing with backpressure (ECAPBP) and without it (ECAP). For cop- per of quality М1 the maximum level of backpressure was 450 MPa. Numerical values of the level of accumulated strain in the diametrical cross- and longitudinal sections of the billet have been estimated, comparative data for SSS parameters during pressing under backpressure and without the same have been obtained. Peculiarities of the SSS at defor- mation site and its influence on deformability of copper during backpressure generation by rigid punch and on its mechanical behavior in the UFG-state have been revealed. Fig. 1. Slitting scheme with the investigated planes shown (a) and general view of the initial coordinate net (б) Fig. 2. General view of coordinate net cells before (a) and after (б) deformation for the stage of steady flow of material (copper of quality M1) in the longitudinal vertical dia- metrical plane past one cycle of pressing (where а0, а12, а22, а11, а21 − parameters of modified cell, γ − angle of its inclination) Fig. 3. Plant for ECAPBP: а − attachment scheme; б − general view Fig. 4. General view of coordinate net past one cycle of pressing copper billet in sections XOY (а, б − past ECAP and ECAPBP) and ZOX (в, г − past ECAP and ECAPBP) Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1 80 Fig. 5. Shapes of copper billet past 5 cycles of ECAP (a) and 28 cycles of ECAPBP (б) Fig. 6. Billet past 20 ECAP cycles by route Вс Fig. 7. Machine-made load-displacement plots during tensile tests for standard copper samples, 3 mm in diameter: a − after ECAP; б − after ECAPBP: ♦ − 1 cycle, ■ − 4 cy- cles, ∆ − 16 cycles

Особенности напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании с противодавлением

Institution

Ähnliche Einträge