URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Чумаченко Е.Н., Смирнов О.М., Цепин М.А. Сверхпластичность: материалы, теория, технологии
Id: 99601
 
439 руб.

Сверхпластичность: материалы, теория, технологии. Изд.2

URSS. 2009. 320 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-00782-5.

 Аннотация

В монографии анализируются особенности технологических процессов деформирования материалов в условиях сверхпластичности и проблемы, возникающие при работе с материалами, обладающими повышенной скоростной чувствительностью. Приведена математическая постановка задачи о медленном течении физически нелинейных сред с учетом контактного трения, обсуждаются ограничения на применение модели и некоторые частные решения. Особое внимание уделено моделированию контактного взаимодействия в процессах обработки металлов давлением и практической реализации в методе конечных элементов (МКЭ), а также моделированию оптимальных технологических режимов управления формоизменением материалов в условиях сверхпластичности и близких к сверхпластичности. Автоматизированное проектирование технологических процессов изотермической штамповки на базе программного комплекса SPLEN показано на примерах решения промышленных задач. Большое внимание уделено сопоставлению известных и специально проведенных экспериментальных исследований с результатами математического моделирования. Построены оценки влияния формы штампов, условий трения, исходной структуры и технологических параметров на формоизменение в условиях сверхпластичности. Демонстрируются приемы построения технологических режимов, обеспечивающих получение изделий с заданными формой и свойствами.

Книга предназначена для исследователей и научных работников в области сверхпластичности, математического моделирования, механики и обработки металлов давлением, а также для студентов и аспирантов, обучающихся по соответствующим направлениям и специальностям.


 Оглавление

От редакции
Предисловие. Воплощение междисциплинарности (Г.Г.Малинецкий)
Предисловие
Введение
Расшифровка сокращений (аббревиатур), принятых в тексте книги
Глава 1. Феноменология сверхпластической деформации
 1.1.Признаки и условия проявления состояния сверхпластичности
 1.2.Реология и механика сверхпластической деформации
 1.3.Определение основных параметров, характеризующих процесс сверхпластической деформации
Глава 2. Сверхпластичные материалы
 2.1.Разновидности сверхпластичных материалов
 2.2.Сверхпластичность ультрамелкозернистых материалов
 2.3.Высокоскоростная сверхпластичность
 2.4.Сверхпластичные керамики
 2.5.Деформация кристаллизующегося металла
 2.6.Неорганические стеклообразующие системы
 2.7.Сверхпластичность при фазовых превращениях
 2.8.Общность разных видов сверхпластичности
Глава 3. Математическое моделирование процессов деформирования сверхпластичных материалов
 3.1.Математическая модель формоизменения материалов с повышенной скоростной чувствительностью. Постановка задачи и методика ее решения.
  3.1.1.Подходы к решению краевых задач в обработке металлов давлением
  3.1.2.Постановка задачи о медленном течении физически нелинейных сред с учетом контактного трения
  3.1.3.Ограничения на применение модели и некоторые частные решения
  3.1.4.Метод конечных элементов. Основные соотношения
  3.1.5.Укрупненный алгоритм расчета
 3.2.Моделирование контактного взаимодействия в процессах обработки металлов давлением
  3.2.1.Основные соотношения для моделирования контактного взаимодействия
  3.2.2.Реализация контактного взаимодействия в методе конечных элементов при решении задач обработки металлов давлением
  3.2.3.Влияние конусности стенок штампа и условий трения на них на формоизменение заготовок при штамповке
  3.2.4.Влияние скорости скольжения на контактные условия трения в задаче прессования прутка в очко матрицы. Определение коэффициентов в законах трения
 3.3.Экспериментальные исследования и моделирование режимов сверхпластичности
  3.3.1.Организация специального эксперимента для проверки расчетной модели
  3.3.2.Управление формоизменением материалов в условиях сверхпластичности
  3.3.3.Модельное исследование изотермической штамповки кольцевых заготовок
  3.3.4.Влияние исходной структуры и технологических параметров на силу штамповки
Глава 4. Автоматизированное проектирование и разработка технологических процессов деформирования сверхпластичных материалов
 4.1.Типовые схемы формообразования изделий из сверхпластичных материалов
 4.2.Объемная изотермическая штамповка
  4.2.1.Основные технологические параметры штамповки
  4.2.2.Эффективность штамповки при реализации режимов сверхпластичности
  4.2.3.Автоматизированное проектирование технологических процессов изотермической штамповки на примерах решения промышленных задач
  4.2.4.Штамповка керамики
  4.2.5.Требования к гидравлическим прессам для штамповки в режиме сверхпластичности
  4.2.6.Концепция проектирования технологических процессов штамповки и расчет элементов штампового инструмента, оснастки и оборудования на базе вычислительного комплекса SPLEN
 4.3.Формовка листового материала в условиях сверхпластичности
  4.3.1.Основные виды сверхпластичной формовки полых изделий из листа
  4.3.2.Свободная выдувка и формовка в матрицу. Анализ формоизменения
  4.3.3.Определение технологических режимов пневмосъема оребренных оболочек с неразборного пуансона термоупругого пресса
  4.3.4.Расчет получения корпусных изделий из трубчатых заготовок при газостатической формовке
  4.3.5.Моделирование процессов формовки с учетом текущих структурных изменений в металле
  4.3.6.Процесс сверхпластической формовки совмещенный с диффузионной сваркой
Заключение
Библиографический список

 Предисловие. Воплощения междисциплинарности (Г.Г.Малинецкий)

Книга, которую вы держите в руках, необычна для нашей серии -- "Синергетика: от прошлого к будущему", -- но очень важна для нее.

На первый взгляд, все атрибуты книги, посвященной активно развивающемуся в России и в мире междисциплинарному подходу -- синергетике или теории самоорганизации, -- присутствуют. Тут и нелинейные математические модели, описывающие удивительное явление сверхпластичности. Тут и многочисленные результаты компьютерных расчетов. Компьютерное моделирование сегодня -- один из основных инструментов синергетики. Наконец, речь идет о фазовых переходах, в анализ которых синергетика внесла большой вклад.

Но, посмотрев более внимательно, мы видим множество отличий от большинства книг, изданных, например, в шпрингеровской серии по синергетике. Эту замечательную серию, в которой уже издано около сотни книг, много лет редактирует выдающийся физик-теоретик Герман Хакен. Именно он в свое время предложил сам термин "синергетика" -- теория совместного действия. Не похожа она и на два десятка томов серии "Синергетика: от прошлого к будущему", с 2002 г. издаваемой в России.

В самом деле, эта книга очень конкретна. В ней, начиная с глубокой содержательной теории, доходят до конкретных технологий. Сплавы, керамика, разные марки сталей. Различные способы обработки материалов. Это большой шаг от высокой теории к "прикладной науке", к тому, что уже воплощено сейчас или будет воплощено в высокие технологии.

Кроме того, синергетику часто рассматривают как теорию неустойчивостей различных типов. Многие из них приводят к возникновению структур. Термин "диссипативная структура" -- упорядоченность, возникающая в открытых нелинейных системах вдали от равновесия, -- стал одним из ключевых в синергетике. Его предложил другой создатель синергетики -- нобелевский лауреат Илья Романович Пригожин. Но в этой книге основное внимание уделено созданию таких условий, при которых структура не возникает. Структуры в этих задачах -- порок, ведущий к разрушению материала.

Имеет ли предлагаемый авторами подход "внешние признаки синергетики" или речь идет о глубоком внутреннем единстве, о проникновении идей "нелинейной науки" в новую интересную область нелинейной механики?

Вопросы такого типа в разном контексте, относительно различных научных направлений, начали обсуждаться одновременно с созданием синергетики, т.е. уже лет 35. И в разные годы на них отвечали по-разному.

Давайте обсудим эти вопросы, имея в виду данную замечательную книгу и проблемы сверхпластичности, и мы.

Итак, в чем находит воплощение знание, и, в частности, междисциплинарные подходы? Философы науки, наверно, могут сформулировать это яснее и точнее, но нас устраивает более простой и очевидный ответ.

  • В осознании внутреннего единства различных областей исследований, в формировании научной картины мира.
  • В формулировке новых гипотез, разработке исследовательских программ, в вопросах к будущим поколениям исследователей.
  • В открытии новых эффектов, явлений, законов природы.
  • В создании новых методов исследования.
  • В формулировке новых подходов, позволяющих выявлять общность разных проблем, теорий, моделей, позволяющих учить быстрее и сокращающих путь к переднему краю науки.
  • В создании новых систем, устройств, технологий, воплощающих новое знание.

  • Именно к этому, последнему и крайне важному воплощению нового знания относится и настоящая книга. Именно с развитием последнего направления, лежащего на стыке науки и технологии, сейчас связывают представление об инновационном развитии, об экономике, основанной на знаниях.

    Очень часто после докладов о синергетике, о нелинейной науке слышишь один и тот же вопрос: "А где приложения всех этих красивых теорий? Есть ли их практическое воплощение? Каков экономический эффект от нелинейной науки?"

    Приложений различных нелинейных эффектов, рассматриваемых синергетикой, к настоящему времени есть множество. От вошедших в нашу жизнь лазеров и сотовых телефонов до новых методов медицинской диагностики и алгоритмов стратегического прогноза. Но технологии эти, как правило, не прямолинейное воплощение главной идеи, а синтез. Сочетание множества элементов, каждый из которых важен и может стать "лимитирующим фактором". Как известно, скорость движения всей эскадры определяется скоростью самого медленного корабля. Поэтому очень часто предъявляемый результат заставляет забывать о простой и оригинальной идее, лежащей в его основе. Однако явление сверхпластичности настолько удивительно, что здесь физический эффект и его воплощение в технологии оказываются очень близки.

    Что же нового было обнаружено учеными при изучении явления, которое впоследствии было названо "сверхпластичность"?

    Еще из институтского курса сопромата известно, что для определения модуля Юнга и кривой зависимости напряжения от деформации необходимо провести опыты на растяжение образца. Опыты по определению механических свойств всегда стараются проводить в режимах, соответствующих режимам последующей обработки материала давлением при изготовлении конечного изделия. Учитываются и температура, и деформация, и скорость деформации, и состояние структуры деформируемого образца.

    Как ведет себя образец? Сначала растягивается равномерно. Затем, в результате микродефектов, начинает образовываться "шейка", локальное утончение образца. За счет концентрации напряжений в этом месте, дефект быстро развивается и происходит разрыв образца.

    Так вот, было замечено, что при определенных температурах (порядка 0,8 от температуры плавления), при естественной или специально подготовленной мелкозернистой структуре материала, в случае, если в образце удается поддерживать скорость деформации порядка 10--3 -- 10--4 с--1, шейка не образуется и равномерная деформация может достигать несколько сотен и даже тысяч процентов при минимальном сопротивлении деформированию! Это удивительное явление можно объяснить следующим образом. Так как микродефекты в образце никуда не исчезли, то тенденция к образованию шеек сохраняется. Но как только шейка начинает образовываться, в ее зоне изменяется скорость деформации. Увеличиваясь, она выходит за диапазон оптимальных скоростей, что приводит к существенному росту сопротивления деформированию. Развитие шейки останавливается. За счет другого случайного микродефекта она начинает развиваться в другом месте. Процесс повторяется. Мы имеем дело, как бы с бегающей шейкой. Материал приобретает способность к самоорганизации, к самоустранению развития случайных дефектов и за счет этого обретает свои удивительные качества при деформировании. Конечно, это несколько упрощенное описание явления, получившего впоследствии название "структурная сверхпластичность".

    Использовать это явление при изготовлении деталей и элементов конструкций методами обработки материалов давлением -- большой соблазн. В этом случае появляется возможность существенно увеличить габариты деформируемых изделий и решить проблемы штамповой оснастки, повысить точность получаемых поковок, получить уникальные, сложные по форме крупногабаритные оболочки и контейнеры. Появляется возможность деформировать материалы, мысль о деформировании которых еще недавно казалась абсурдом. Чего стоит название параграфа этой книги -- "штамповка керамики"? Да, да, когда керамика находится в состоянии сверхпластичности, ее можно деформировать!

    Это поражает воображение. Но возникает проблема. Контролировать скорость деформации в деформируемом материале экспериментальными способами практически невозможно. Так что, все сводится к одномерным, максимально простым задачам? А как же задачи получения крупногабаритных изделий авиакосмического комплекса?

    Оказывается, что и это можно осуществить. Но для этого необходимо создать достоверные математические модели и научиться прогнозировать поведение материала при воздействии на него внешней силовой нагрузкой. Затем научиться управлять таким процессом и оптимизировать его.

    Собственно, некоторым шагам в этом направлении и посвящена эта книга.

    Итак, в сверхпластичности задача состоит в том, чтобы шейка не возникала, чтобы структуры не образовывались. Но для того, чтобы знать, когда структуры не появятся, нужно исследовать нелинейные модели, считать, оптимизировать, ставить эксперименты. Задачи такого типа в современной синергетике не являются исключением. Более того, когда дело касается конкретных технологий и крупных проектов, именно они выходят на первый план. Приведем два примера.

    С 1953 г., с момента создания Института прикладной математики АН СССР выдающимся советским ученым, академиком Мстиславом Всеволодовичем Келдышем, исследователи начали искать пути реализации управления термоядерной реакцией. В идеале термоядерный синтез должен был дать неограниченный источник "чистой энергии". И главная проблема состояла в том, чтобы создать и удержать на определенное время горячую плазму. Удержать на время, достаточное для того, чтобы пошла термоядерная реакция.

    Задача удержания вещества в таком экзотическом состоянии и проблема возникновения структур в плазме оказалась исключительно сложной. Сплошь и рядом усилия исследователей и инженеров были направлены на то, чтобы избежать неустойчивостей, добиться того, чтобы структур определенного типа не возникало. На этом пути были обнаружены интереснейшие эффекты, открыты замечательные явления. Возникли новые области науки, в которых нелинейность играет ключевую роль. Тем не менее до результата, до технологии получения электроэнергии еще очень далеко. По оценкам экспертов Конгресса США, время термоядерной энергетики наступит после 2050 г.

    Другая задача, где важно, чтобы структур не возникало, есть в лазерной термохимии. Эта область исследований связана с тепловым действием лазерного излучения небольшой мощности. Здесь есть множество замечательных эффектов -- возникновение разнообразных структур, спиральных волн, диффузного хаоса при воздействии лазерного луча на поверхность окисляющихся материалов. В технологических задачах удобно лазерным лучом, как карандашом по бумаге, проводить тонкие линии. И проблема одна -- добиться, чтобы всех чудесных упомянутых эффектов не возникало. И этого удается добиться.

    Есть и еще один момент, связанный с технологиями в целом и с теми из них, в которых важную роль играют идеи синергетики. Областью высоких технологий и исследований, нацеленных на конкретный результат, и в нашей стране, и в мире является прежде всего оборонный комплекс. Это неудивительно. Новые образцы и технологии, как правило, дороги или очень дороги. А создание новых образцов военной техники -- это именно та область, где за ценой, как правило, не стоят. И колыбелью большинства базовых для нашей цивилизации технологий является именно оборонный комплекс. Просто важно, чтобы созданное не слишком долго оставалось в колыбели и переходило в другие области экономики.

    В частности, сверхпластичность требует большого нагрева образца и его медленной деформации. Поэтому такие технологии, позволяющие создавать замечательные материалы, очень дороги. Их применение оправдано прежде всего в экстремальных условиях -- в авиации, в космонавтике, под водой. И, насколько мне известно, наибольших успехов в этой сфере удалось добиться только двум странам -- СССР и Японии. И здесь путь от идеи до воплощения нового знания в технологию оказался сложным, долгим и дорогим. Но он пройден! И полученные на этом пути результаты могут пригодиться еще во многих областях. На то она и междисциплинарность.

    Отсюда ясна еще одна трудность, связанная с осмыслением и оценкой "технологического потенциала" синергетики, нелинейной науки. Работа в оборонном комплексе предполагает узкий круг ведущих специалистов, находящихся на острие проблемы. И нежелательность разглашения многих научных и технологических находок. А также необходимость отработки деталей. Поэтому до монографий и, тем более, до учебников получаемые в таких коллективах результаты доходят не скоро, если вообще доходят. Поэтому книги, подобные этой, представляются особенно важными и ценными.

    В недоброй памяти эпоху горбачевщины проводились реформы, в конце концов развалившие научно-техническую сверхдержаву. И одна из самых разрушительных проводилась под маркой конверсии. Тогда вместо первоклассной военной техники заводам с прекрасным оборудованием и высокими технологиями было велено делать то лопаты, то кастрюли, то стиральные машины. А ведь конверсией во всем мире называется не это, не переналадка оборудования и не продажа созданного за бесценок зарубежным конкурентам. Неразумно, расточительно и дорого заставлять Левшу делать ширпотреб. Во всем мире конверсия -- это прежде всего переход специалистов из военной сферы в гражданские отрасли, перенос идей и технических решений из одной области в другую. Одно из воплощений междисциплинарности. И, конечно, книгам такого жанра, отчасти решающим эту задачу, самое место в нашей серии.

    Не так давно на конференции в Московском автомеханическом институте мне довелось побывать в кругу ведущих специалистов России в области пластичности. И впечатления от встречи связаны со словом "очень". Очень узок круг этих людей. Очень мало в нынешней российской реальности проектов, где эта интересная и важная область исследований могла бы сработать. Очень мало в этой сложной и перспективной сфере деятельности молодежи. При этом исследования в сфере теории пластичности сильно продвинуты, -- в пакете компьютерных программ, которым в стандартных ситуациях пользуются инженеры, заложено более двухсот математических моделей, поэтому продолжение, следующее поколение специалистов, остро необходимо. И хочется надеяться, что выход этой книги хотя бы в какой-то мере позволит изменить ситуацию к лучшему и, может быть, где-то избавиться от слова "очень".

    Эта книга, на мой взгляд, -- своеобразный вызов и для тех, кто преподает упругость и пластичность, и для тех, кто развивает науку междисциплинарными подходами. В самом деле, эта работа опирается на опыт чтения соответствующих курсов, которые преподаются на механико-математическом факультете Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, в Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана, в Московском институте стали и сплавов, в Московском институте электроники и математики. И, конечно, мы надеемся видеть среди читателей этой книги студентов, аспирантов, преподавателей этих, а также многих других вузов.

    И все же, и на первый взгляд неискушенного читателя, и по мнению сдававших эту дисциплину студентов, курс сверхпластичности пока довольно сложен. Пишу "пока", потому что по мере развития дисциплины, по мере того как растет опыт преподавания, она упрощается. Особенно успешно и быстро это происходит, когда ее идеи проникают в другие области, становятся элементом междисциплинарных подходов.

    Похожую мысль в свое время высказал один из выдающихся математиков, заявив, что научное творчество математика можно измерять числом плохих доказательств, которые он придумал. Появляясь на свет, доказательства часто выглядят громоздкими, сложными, неуклюжими. Их шлифует и оттачивает следующее поколение исследователей, а там, глядишь, они доходят и до вузовских учебников.

    Благодаря развитию междисциплинарных подходов и, в частности, синергетики, этот процесс в последние десятилетия очень ускорился. Высокие технологии, экономика знаний требуют использования достижений науки, а значит, освоения этих достижений непрофессионалами.

    Впечатляющий пример дает теория катастроф. Сложная математическая техника, экзотическая задача, для которой она развивалась (и, честно говоря, не пригодилась), стала чем-то совершенно иным, попав в руки исследователей, занимающихся прикладными задачами. Инструмент оказался красивым, удобным и сравнительно простым. Появились прекрасные курсы, доступные не только гурманам и эстетам, но и простым смертным. Ну а позже и классики начали писать о своем предмете ярко и доступно.

    Поэтому одним из желанных результатов публикации этой работы являются не только расширение ареала идей сверхпластичности и числа людей, размышляющих, как использовать это замечательное явление в своих задачах, но и появление следующего поколения оригинальных и наглядных курсов, посвященных этому важному предмету.

    Один из авторов этой книги, обращаясь на своих лекциях к студентам, говорит следующее:

    -- Если промышленность России поднимается, то и мы все, и наша наука будем востребованы. Но вы -- молодежь, владеющая технологиями использования сверхпластичности, будете востребованы вдвойне.

    Я не сомневаюсь в этом утверждении. Но все же очень хочется поскорее проверить его на практике.

    Председатель Редколлегии серии "Синергетика: от прошлого к будущему" Г.Г.Малинецкий

     Предисловие

    В этой книге приведены результаты исследований, проведенных авторами в области проектирования технологических процессов обработки металлов давлением в условиях сверхпластичности.

    При изложении материала мы использовали устоявшуюся терминологию, принятую большинством специалистов изучающих явление сверхпластичности (как в механике, так и в обработке металлов давлением). Например, вместо более правильного выражения "материалы, деформируемые в условиях сверхпластичности", мы употребляем общепринятое выражение "сверхпластичные материалы" и т.п.

    Мы считаем, что эта книга будет полезна специалистам в области механики и математического моделирования, обработки металлов давлением, компьютерного проектирования, разработки и оптимизации технологических процессов с применением эффекта сверхпластичности.

    Отдельные материалы, вошедшие в книгу, ранее использовались при чтении курсов лекций по основам математического моделирования в Московском государственном институте электроники и математики (МГИЭМ), по применению метода конечных элементов (МКЭ) в расчетах узлов металлургических машин и задачах обработки металлов давлением (ОМД) в Московском государственном техническом университете (МГТУ им.Н.Э.Баумана), по современным методам компьютерного проектирования, оптимизации технологических процессов и оборудования в Московском государственном институте стали и сплавов (МИСиС).

    В книге рассматриваются три основные группы вопросов, решение которых позволяет довести все теоретические рассуждения и выкладки до практической, промышленной реализации.

    Математическая модель подробно анализируется. В решении используются только те алгоритмы, которые имеют доказательство своей сходимости. Соотношения МКЭ получены в конечной форме, удобной для программирования. Приводятся алгоритмы решения и тестовые задачи.

    Далее, часть книги посвящена описанию моделирования контактного взаимодействия на границе раздела сред с разными физическими свойствами, приемам учета этих условий в МКЭ, оптимизации процесса расчетов.

    Наконец один из важнейших вопросов связан с моделированием оптимальных технологических режимов управления формоизменением материалов. С этой целью рассматриваются проблемы оценки НДС и принятия решения на любом из этапов непрерывного процесса деформирования.

    Все принятые гипотезы и основные результаты проверяются экспериментально. Разработанные авторами вычислительные алгоритмы, предназначенные для расчетов напряженно-деформированного состояния при пластическом формоизменении и реализующие, в частности, моделирование сверхпластического течения, прошли лабораторное и промышленное опробование на предприятиях тяжелой, авиационной, оборонной, подшипниковой промышленности и общего машиностроения. Результаты исследований и расчетов применялись при разработке техпроцессов и конструировании оборудования на НПО ВНИИМетмаш, ПО "Электростальтяжмаш", ПО "Московский институт теплотехники", Харьковском заводе им.Малышева, ГП "НПО Техномаш", КБ Машиностроения (г.Миасс), Машиностроительном заводе им.Ленина (г.Златоуст), AIRBUS INDUSTRY Aerospatiale Sociente Nationale Industrielle, France; Daimler--Benz Aerospace Airbus GmbH, Germany; Construcciones Aeronauticas S.A., Spain; British Aerospace (Operations) Ltd., England, Казанском моторостроительном ПО, ПО "Ижсталь" (г.Ижевск), АП ПО "23 подшипниковый завод" (г.Вологда), АПЗ-20 (г.Курск), Магнитогорском металлургическом комбинате и др.

    Авторы признательны доценту И.В.Логашиной за большую помощь в подготовке рукописи к печати.

    Авторы

     Введение

    Способность поликристаллических материалов при определенных температурно-скоростных условиях испытания проявлять аномально высокое удлинение в сотни и даже тысячи процентов при относительно низких напряжениях течения принято называть сверхпластичностью. Научно-технический прогресс выдвинул эффект сверхпластичности материалов в число важных факторов, способствующих повышению эффективности технологии и качества выпускаемой продукции. Использование режимов сверхпластичности в процессах объемной штамповки, формовки листовых заготовок в различных специализированных процессах формообразования позволяет добиваться беспрецедентного расширения возможностей формообразования, снижения энергоемкости процессов деформации, существенной экономии металла, повышения коэффициента использования металла и коэффициента необрабатываемых поверхностей в результате уменьшения или исключения припуска на механическую обработку, соответствующего уменьшения объема и трудоемкости механической обработки, повышения качества готовой продукции.

    Вместе с тем реализация состояния сверхпластичности при деформировании материалов значительно усложняет и удорожает технологию их обработки, в связи с необходимостью подготовки ультрамелкозернистой структуры исходных заготовок, и регламентации температурно-скоростного режима сверхпластической деформации. Это требует создания дорогостоящих изотермических блоков, реконструкции привода гидравлических прессов, оснащения штамповочных агрегатов устройствами для автоматического контроля и регулирования температуры штампов и скорости деформирования.

    Для наиболее эффективного использования сверхпластичности в процессах обработки материалов следует проанализировать особенности состояния сверхпластичности и на этой основе сформулировать принципы, которыми необходимо руководствоваться при решении вопроса о целесообразности разработки и реализации технологии, основанной на преимуществах сверхпластической деформации.

    Начало систематическому изучению сверхпластичности было положено классическими работами А.А.Бочвара [1, 2], который дал название этому явлению и впервые предложил гипотезу механизма сверхпластической деформации. За шестьдесят лет, прошедших со времени появления этих работ, отечественными и зарубежными учеными исследовано состояние сверхпластичности большого числа металлов и сплавов в диапазоне от легкоплавких до тугоплавких, а также интерметаллидов, керамик, композитов, изучены многие аспекты физической природы сверхпластической деформации и механики течения сверхпластичных материалов.

    Интерес к проблеме сверхпластичности со стороны специалистов в области обработки металлов давлением объясняется удачным сочетанием технологических характеристик сверхпластичных материалов: ресурс деформационной способности металлов в состоянии сверхпластичности в десятки раз больше, а сопротивление деформации в несколько раз меньше аналогичных характеристик тех же металлов в пластическом состоянии. В результате использование состояния сверхпластичности, например, при штамповке позволяет получить на прессах относительно небольшой мощности более крупные изделия сложной формы. В отдельных случаях оказывается возможным использовать при деформировании сверхпластичных материалов не типичные для обработки металлов давлением деформации растяжения и кручения, которые осуществляются на более простых и экономичных по сравнению с типовым кузнечно-штамповочным оборудованием установках.

    Одним из основоположников технологического использования сверхпластичности является Я.М.Охрименко, который в конце 30-х гг. наблюдал аномалию течения металла при штамповке колец из стали ШХ15 в области температур перлитного превращения. Эти наблюдения привели его к созданию в 1949 г. оригинальной методики исследования деформации сталей в процессе фазовых превращений. Позднее на основе этих исследований Я.М.Охрименко и одним из авторов книги была впервые разработана конструкция инструмента для штамповки сталей в режиме сверхпластичности, обусловленной фазовым превращением.

    Первые успехи, связанные с использованием состояния сверхпластичности при объемной штамповке, пневмостатической формовке, бесфильерном волочении в лабораторных условиях [3, 4], положили начало в нашей стране и во многих промышленно развитых странах исследованиям этих процессов в производственных условиях, созданию опытно-промышленных установок и целых цехов.

    Технико-экономический анализ свидетельствует о перспективности процессов обработки материалов давлением в состоянии сверхпластичности; выявлены отрасли производства, в которых эти процессы характеризуются высокой эффективностью, обеспечивают повышение качества и снижение себестоимости продукции, экономию металла, энергии и рабочей силы, более эффективное использование основного оборудования, повышение производительности, улучшение условий труда. Хороших результатов, как показывает опыт, достигают при использовании сверхпластичности в процессах обработки давлением малопластичных и труднодеформируемых материалов, при получении деталей особо сложных форм с минимальными припусками на механическую обработку или без них, при штамповке крупногабаритных деталей, возможность получения которых обычно лимитируется номинальным усилием прессов, относящихся в этом случае, как правило, к уникальному оборудованию.

    Широкое промышленное освоение указанных технологических процессов в определенной степени сдерживается все еще недостаточным знанием физической природы сверхпластичности, слабой изученностью реологии сверхпластичных материалов, крайне скудными сведениями о влиянии реологического состояния материала заготовки на напряженно-деформированное состояние очага деформации в процессах обработки металлов давлением, определяющее их энергетические параметры, на характер течения деформируемой заготовки и формирование качества готового изделия.

    На основе обобщения теоретических и экспериментальных данных авторы настоящей книги предложили реологическую модель упруговязкопластической среды и соответствующее ей уравнение состояния, позволяющее описать изменение напряжения течения материала в состоянии сверхпластичности в зависимости от температурно-скоростных условий деформации и структуры деформируемого материала. Особенностью полученного уравнения состояния является инвариантность входящих в него реологических параметров материала относительно скорости деформации. Это позволяет использовать модель и уравнение при изучении и компьютерном моделировании процессов обработки материалов давлением в состоянии сверхпластичности, в частности исследовать связь между реологическими параметрами деформируемого материала и характеризующими очаг деформации инвариантами тензоров напряжений, деформаций и скоростей, являющимися скалярными величинами.

    В книге сформулированы признаки сверхпластического состояния, охарактеризованы условия и особенности его проявления у металлических и керамических материалов, представлены результаты исследования механики течения деформируемого металла в очаге деформации на основе физического и компьютерного моделирования. Это послужило базой для разработки научных основ проектирования и создания технологических процессов обработки давлением материалов в состоянии сверхпластичности. Особое внимание в книге уделено математическому моделированию контактного взаимодействия в процессах обработки материалов давлением и практической реализации в методе конечных элементов, а также моделированию оптимальных технологических режимов управления формоизменением материалов в условиях близких к режимам сверхпластичности. Обсуждается влияние формы штампов, условий контактного трения, исходной структуры и технологических параметров на формоизменение заготовки. Приводятся примеры построения технологических режимов, обеспечивающих получение изделий с заданными формой и свойствами.

    Книга может быть использована для подготовки специалистов технических вузов в области математического моделирования, для проектирования и оптимизации технологических процессов обработки материалов давлением в условиях сверхпластичности, для разработки и усовершенствования соответствующего кузнечно-прессового оборудования. Отдельные структурные разделы книги вошли в лекционные курсы по прикладной математике (МГИЭМ), по обработке металлов давлением (МИСиС), по металлургическому машиностроению (МГТУ им.Н.Э.Баумана) и т.п. [5--8].


     Об авторах

    Евгений Николаевич ЧУМАЧЕНКО

    Член-корреспондент РАЕН. Доктор технических наук, профессор Московского института электроники и математики.

    Выпускник механико-математического факультета МГУ (1974), один из ведущих специалистов в области математического моделирования поведения сложных нелинейных физико-механических систем и технологических процессов обработки металлов давлением. Автор около 200 научных трудов, в том числе патентов и книг. Им разработаны теоретические основы имитационного моделирования формоизменения материалов с повышенной скоростной чувствительностью. Построены алгоритмы, обеспечивающие контроль и управление процессами получения специальных изделий в условиях сверхпластичности.

    Олег Михайлович СМИРНОВ

    Действительный член РАЕН. Доктор технических наук, профессор Московского института стали и сплавов.

    Закончил Московский институт стали (1959). Известный ученый в области сверхпластичности материалов. С 1982 года по настоящее время является научным руководителем созданной при его участии проблемной лаборатории деформации сверхпластичных материалов. Автор 250 научных трудов, в том числе 4 монографий и 51 авторского свидетельства на изобретение. Заслуженный деятель науки РФ. За вклад в совершенствование аэрокосмической техники Президиумом Федерации космонавтики РФ награжден медалью имени академика С.П.Королева.

    Михаил Анатольевич Цепин

    Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник Московского института стали и сплавов.

    Окончил кафедру кузнечно-штамповочного производства МИСиС и в 1974 году защитил кандидатскую диссертацию. Автор 220 научных трудов, в том числе более 50 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения. Наиболее известными результатами его научной деятельности являются работы по подготовке ультрамелкозернистой структуры в заготовках, исследования в области листовой сверхпластической формовки алюминиевых, магниевых, титановых, медно-цинковых сплавов и сталей, исследования и описания реологических свойств сверхпластичных материалов.

     
    © URSS 2016.

    Информация о Продавце