Газовая формовка сверхпластичных материалов - Дипломная работа

Знание особенностей поведения материала в различных диапазонах скоростей и температур деформации позволяет разработать режим формовки, обеспечивающий лучшие условия для проявление эффекта сверхпластичности и использования его преимуществ. Одним из существенных препятствий в промышленном использовании сверхпластичности в технологиях обработки металлов давлением является проблема обеспечения условий возникновения сверхпластического состояния в деформируемом изделии, связанная с внутренним структурой и факторами внешнего воздействия, а также поддержания этого состояния в нужных зонах и на нужных этапах формовки. Изза неоднородности напряженно деформированного состояния при получении изделий сложной формы обеспечить эти условия по всему объему заготовки практически невозможно, а обеспечение их выполнения требует точных знаний о напряженном состоянии каждой точки очага деформации и умения строить систему соответствующих внешних воздействий [2]. Решение задачи разработки новых и усовершенствования традиционных технологических процессов невозможно без проектирования, основанного на математическом моделировании, методах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала в условиях сверхпластичности. Зависимость напряжения течения материала от деформации , скорости деформации и температуры T представляет собой модель свойств материала при горячей формовке: Определение зависимости (1) является одной из главных задач в исследованиях СМ.Целью работы является определение механических характеристик алюминиевого сплава АМГ6 и магниевого сплава AZ31, обладающих свойствами сверхпластичности. Работа основана на обратном анализе результатов серии экспериментов по свободной (газовой) формовке над указанными материалами. Испытания материалов проводились в изотермических условиях и при постоянной величине избыточного давления газа в экспериментальной установке. Одна из задач работы заключается в аналитическом обзоре существующих методов определения механических характеристик СМ. В модели будет предусмотрено использование трех уравнений состояния материалов.Процесс газовой формовки СМ позволяет получать полые изделия из плоской или предварительно профилированной листовой заготовки за счет воздействия небольшого газостатического давления. Процесс протекает в температурных условиях, при которых у материалов проявляются свойства сверхпластичности. Такой формовкой можно получать изделия сложных форм за один - два перехода без промежуточных отжигов на относительно простом оборудовании и малом расходе материала [2]. Заготовку, жестко зажатую по фланцу, нагревают до температуры сверхпластичности и подвергают в изотермических условиях воздействию избыточного газового давления, подаваемого в полость матрицы.Под понятием математической модели процесса сверхпластической деформации (СПД) можно понимать его описание, приближенное к реальному процессу, которое позволяет определять распределение интенсивности скоростей а) б) 1 - Свободная формовка листового материала деформации, интенсивности напряжений и выбирать подходящий режим формования. С помощью метода конечных элементов получено большинство решений задач прикладной механики [12, 13]. При решении задач данным методом исследуемая среда разбивается на элементарные конечные элементы. В построении математических моделей процессов СПД применяется различное программное обеспечение, которое используется для решения краевых задач механики деформируемого твердого тела МКЭ, например, такие как ANSYS, ABAQUS, DEFORM, MARC и другие.Сверхпластичность определяется как способность материала к вязкопластической деформации и характеризуется совокупностью признаков: 1) высокая чувствительность СМ к изменениям скорости деформации, (повышенная склонность материала к скоростному упрочнению); 2) устойчивое течение СМ, определяющее способность испытывать деформации, достигающие сотни и даже тысячи процентов; Большая зависимость напряжения течения СМ от скорости его деформации связывает их поведение с поведением вязких жидкостей. Поведение материалов как вязкой жидкости объясняет их способность течь под действием пластических деформаций, проявляется очень высокая пластичность. Для проявления эффекта сверхпластичности особо значимы такие факторы, как структурное состояние, температурные условия и скорость деформации материала [1].Все существующие физические и реологические модели сверхпластической деформации (СПД) основаны на зависимости напряжения от скорости деформации: где - интенсивность напряжения течения, МПА; Чем выше показатель скоростной чувствительности m, тем сильнее проявляются свойства сверхпластичности материала. Для горячей формовки пластичных материалов m <0,2, при деформации СМ 1? m <0,3 (значение m = 1 достигается материалами, которые ведут себя как ньютоновские жидкости). Уравнения состояния, описывающие поведение СМ, устанавливают взаимосвязь между нагрузками, деформацией, скоростью деформации, температурой и микроструктурой материала (обычно учитыва

Содержание

Введение

1. Цель и задачи работы

2. Моделирование процесса газовой формовки в условиях сверхпластичности

2.1 Газовая формовка сверхпластичных материалов

2.2 Подходы к моделированию процессов формовки сверхпластичных материалов

2.3 Механические свойства материалов в условиях сверхпластичности

2.4 Уравнения состояния сверхпластичных материалов

3. Методы определения уравнений состояния

3.1 Классификация уравнений состояния

3.2 Экспериментальные исследования сверхпластической деформации

4. Обратный анализ результатов экспериментов по свободной формовке

4.1 Назначение обратного анализа

4.2 Обзор методов определения механических характеристик сверхпластичных материалов

4.3 Предлагаемая модель процесса сводной формовки в условиях сверхпластичности

4.4 Метод деформируемого многогранника

5. Программное решение задачи определения механических характеристик сверхпластичных материалов

5.1 Общие сведения о решении

5.2 Описание логической структуры

5.2.1 Считывание данных

5.2.2 Процедура оптимизации

5.2.3 Определение характеристик процесса формования

6. Обработка экспериментальных данных и апробация программного обеспечения

6.1 Исходные данные

6.2 Результаты апробации программы

Заключение

Список использованных источников

Способность поликристаллических материалов при определенных температурно - скоростных условиях деформирования проявлять аномально высокие деформации при относительно низком напряжении течения называют сверхпластичностью [1]. Исследование эффекта сверхпластичности металлов и сплавов является одним из приоритетных направлений. Использование эффекта сверхпластичности в различных процессах формообразования расширяет технологические возможности, способствует экономии материалов, уменьшает трудоемкость производства. Это объясняется тем, что ресурс деформационной способности металлов в состоянии сверхпластичности горазд выше, а сопротивление деформации в несколько раз меньше аналогичных характеристик тех же металлов в пластическом состоянии. Также использование эффекта является одним из факторов, оказывающих влияние на повышение эффективности технологий обработки металлов давлением, качество конечных изделий. Особенности поведения сверхпластичных материалов при формовании используется как технологическое преимущество в различных процессах обработки металлов давлением.

Для разработки технологических процессов формования сверхпластичных материалов (СМ) необходимо проведение исследований поведения материалов при деформации. Знание особенностей поведения материала в различных диапазонах скоростей и температур деформации позволяет разработать режим формовки, обеспечивающий лучшие условия для проявление эффекта сверхпластичности и использования его преимуществ.

Одним из существенных препятствий в промышленном использовании сверхпластичности в технологиях обработки металлов давлением является проблема обеспечения условий возникновения сверхпластического состояния в деформируемом изделии, связанная с внутренним структурой и факторами внешнего воздействия, а также поддержания этого состояния в нужных зонах и на нужных этапах формовки. Изза неоднородности напряженно деформированного состояния при получении изделий сложной формы обеспечить эти условия по всему объему заготовки практически невозможно, а обеспечение их выполнения требует точных знаний о напряженном состоянии каждой точки очага деформации и умения строить систему соответствующих внешних воздействий [2].

Решение задачи разработки новых и усовершенствования традиционных технологических процессов невозможно без проектирования, основанного на математическом моделировании, методах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала в условиях сверхпластичности.

Зависимость напряжения течения материала от деформации , скорости деформации и температуры T представляет собой модель свойств материала при горячей формовке:

Определение зависимости (1) является одной из главных задач в исследованиях СМ. Данная зависимость определяется экспериментально для каждого конкретного материала. В зависимости от особенностей моделируемых процессов подбирают вид механического испытания. В интерпретации результатов испытаний учитываются их специфика. На результаты влияют такие факторы, возникающие в ходе экспериментов, как: - неравномерность распределения интенсивности скорости деформации по объему образцов;

- трение поверхности образца о поверхность матрицы;

- колебание температур в образцах;

- неоднородность структуры материала в образце;

- дефекты в материале образца. Аналитически учитывать все факторы, влияющие на результат экспериментов, затруднительно. Поэтому для интерпретации результатов широко применяются методы, связанные с имитационным моделированием. Большое количество научных работ в России [1 - 6] и других странах [7 - 10] связано с интерпретацией результатов механических испытаний материалов.

Для описания процессов сверхпластической деформации применяется математическое моделирование. Математическое моделирование течения металла позволяет прогнозировать и оптимизировать технологию формовки материала на стадии ее разработки, а математическая модель течения металла может служить теоретической основой для проектирования технологии и ее совершенствования. Построенные модели процессов должны быть максимально приближены к реальным процессам, определять распределение интенсивности скоростей деформации, интенсивности напряжений и выбирать подходящий режим формовки заготовок.

В построении математических моделей процессов сверхпластической деформации применяется различное программное обеспечение, которое используется для решения краевых задач механики деформируемого твердого тела методом конечных элементов [1].

Учитывая ресурсоемкость и затраты времени на решение задач методом конечных элементов, не теряют актуальности аналитические методы моделирования процессов сверхпластической деформации. Они применяются для интерпретации результатов испытаний СМ и определения параметров процесса деформации. Такие методы позволяют получать решение задачи в виде конечных аналитических функций, описывающих поля напряжений, деформаций, температур и другие параметры технологических процессов. Аналитические методы широко используются для определения механических характеристик СМ. Определяемые таким образом механические характеристики являются исходными данными для построения моделей процессов с помощью метода конечных элементов. Построению аналитических моделей сверхпластической деформации уделяется много внимания в различных научных работах. Часто авторы в различных работах предлагают свой вариант аналитической модели и доказывают ее состоятельность путем сравнения полученных ими результатов с результатами моделирования в сертифицированных программных средах (DEFORM, MARC и т.п.) и данными соответствующих экспериментов.

Для построения модели с помощью программных средств особую важность приобретает точность определения входных данных, которые будут использоваться в расчетах. К входным данным относятся уравнения состояния и механические характеристики СМ. Предложено множество методик определения реологических параметров сверхпластичных материалов, где ключевое внимание уделяется наиболее важной характеристике - параметру скоростной чувствительности m. Он остается одним из основных параметров, его значение указывается в большинстве работ. Также нет одной утвердившейся методики экспериментального определения параметров СМ.

Экспериментальные исследования сверхпластического формования проводятся в различных режимах: - при постоянном или переменном давлении;

- с постоянной или переменной скоростью деформации;

- с различным временем проведения эксперимента, вплоть до разрушения целостности заготовки.

Все экспериментальные исследования можно условно разделить на: 1) испытания на одноосное растяжение;

2) испытания на двухосное растяжение.

Наибольший интерес представляют испытания на двухосное растяжение, так как в технологических процессах задействовано, в основном, формовка заготовок в изделия сложной конфигурации.

Для исследования поведения сверхпластичных материалов при их деформации часто проводят эксперименты по свободной формовке. Заготовку, жестко зажатую по фланцу, нагревают до температуры сверхпластичности и подвергают в изотермических условиях воздействию избыточного газового давления в полости экспериментальной установки. Распространенность метода связана с его преимуществами: возможностью использования для испытаний технологического оборудования, возможностью проведения нескольких экспериментов на одной установке (так называемое многокупольное формование) и относительная легкость регистрации экспериментальных данных.