Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента
Исследована деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Численный анализ основан на использовании метода конечных элементов и теории пластичности пористых тел. Показано, что при достаточно высоком уровне противодавления (порядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является эфф...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70407 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 69-82. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860031766070296576 |
|---|---|
| author | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. Олевский, Е. |
| author_facet | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. Олевский, Е. |
| citation_txt | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 69-82. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Исследована деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Численный анализ основан на использовании метода конечных элементов и теории пластичности пористых тел. Показано, что при достаточно высоком уровне противодавления (порядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является эффективным методом уплотнения материала. Определены условия достижения значения плотности более 0.95 при одновременном сохранении наноструктуры. Методами компьютерного анализа установлена локализация зон интенсивных деформаций сдвига и максимальной скорости уплотнения. Рассмотрены возможные варианты накопления повреждений при ВЭ и способы предотвращения разрушения.
Powder material deformation by twist extrusion (TE) method has been investigated. The numerical analysis is based on the finite-element method and plasticity theory for porous bodies. It is shown that with a high enough backpressure (of the order of powder-particle yield strength) the TE is effective for the compaction of materials. Conditions, when the density of 0.95 and higher is attained and nanostructure is preserved, have been determined. Zones of severe shearing strain and maximum compaction rate localization have been determined by methods of computer analysis. Possible versions of damages accumulation under TE and ways of failure prevention have been considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:52:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
69
PACS: 81.40.Vw
Я.Е. Бейгельзимер1, О.В. Михайлов2, А.С. Сынков1, М.Б. Штерн2,
Е. Олевский3
ВИНТОВАЯ ЭКСТРУЗИЯ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК.
I. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОМ КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
1
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
2
Институт проблем материаловедения НАН Украины
ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03142, Украина
3
Калифорнийский университет, Сан-Диего, США
Статья поступила в редакцию 29 ноября 2007 года
Исследована деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии
(ВЭ). Численный анализ основан на использовании метода конечных элементов и
теории пластичности пористых тел. Показано, что при достаточно высоком
уровне противодавления (порядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является
эффективным методом уплотнения материала. Определены условия достижения
значения плотности более 0.95 при одновременном сохранении наноструктуры.
Методами компьютерного анализа установлена локализация зон интенсивных де-
формаций сдвига и максимальной скорости уплотнения. Рассмотрены возможные
варианты накопления повреждений при ВЭ и способы предотвращения разрушения.
Введение
Винтовая экструзия – метод интенсивных пластических деформаций
(ИПД), который используется для создания в материалах субмикрокристал-
лических структур [1−3]. Как правило, с этой целью обрабатывают моно-
литные заготовки, в которых при ИПД происходит образование фрагментов
субмикронных размеров с большими углами разориентации. Дополнитель-
ные и очень широкие возможности открывает обработка порошковых заго-
товок. В этом случае необходимая структура и заданный химсостав могут
быть созданы предварительно в частицах порошка, а роль ИПД сводится к
его консолидации. Такой подход позволяет снизить энергосиловые парамет-
ры процесса получения субмикрокристаллического материала, повысить
стойкость деформирующего инструмента, значительно расширить спектр
материалов и структур. В частности, в работе [4] этим путем получены объ-
емные образцы с аморфной структурой.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
70
При указанных выше достоинствах ВЭ порошковых заготовок сопря-
жена с целым рядом вопросов и проблем, осложняющих ее реализацию.
Прежде всего, речь идет о возможности эффективного уплотнения по-
рошка. Исследования показывают [1], что при ВЭ материалы, склонные к
локализации деформации, слабо деформируются в приосевой зоне. По
этой причине порошковые материалы, в которых при малом уровне дав-
ления происходит локализация сдвигового течения [5], могут плохо уп-
лотняться при ВЭ, если уровень противодавления недостаточен для ис-
ключения локализации.
Кроме того, серьезные проблемы возникают с обеспечением прочных
связей между частицами. Этому способствуют большие пластические де-
формации под давлением и высокие температуры. Однако последние могут
привести к рекристаллизации и полной потере субмикрокристаллической
структуры.
Следующая группа вопросов связана с ИПД частиц порошка, в которых
при этом может происходить фрагментация структуры и образование пор
деформационного происхождения. Первый процесс желателен для получе-
ния субмикроструктур, второй – нет, так как приводит к разрушению частиц
и прессовок.
Указанные выше вопросы исследованы нами как теоретически, так и экс-
периментально. В настоящей статье осуществлена постановка задачи чис-
ленного исследования ВЭ порошковых заготовок на основе теории необра-
тимой деформации пористых тел; выполнен конечно-элементный анализ на-
пряженно-деформированного состояния заготовки и распределения порис-
тости в ней. Показано, что при достаточно высоком уровне противодавления
(порядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является эффективным ме-
тодом уплотнения материала. Результаты экспериментальных исследований
будут представлены во второй части данной статьи.
1. Моделирование процесса винтовой экструзии пористых заготовок:
основные гипотезы и задачи
Метод ВЭ состоит в том, что призматическую заготовку пропускают че-
рез винтовую матрицу (рис. 1,а). Канал винтовой матрицы (рис. 1,б) состоит
из трех участков: заходного 1, винтового 2 и калибрующего 3. Поперечные
сечения всех участков одинаковы. Характеристикой винтового участка 2 яв-
ляется угол β наклона винтовой линии, наиболее удаленной от оси матрицы,
к оси экструзии.
Указанные особенности геометрии канала приводят к тому, что при вы-
давливании через него форма заготовки не изменяется. Это позволяет осу-
ществлять ее многократную экструзию с целью накопления интенсивных
деформаций. При этом происходит изменение структуры и свойств заготов-
ки при сохранении идентичности начальной и конечной ее формы.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
71
1
2
3
β
а б
Рис. 1. Схема, поясняющая суть винтовой экструзии: а – схема прохождения заго-
товки через винтовую матрицу; б – схема канала винтовой матрицы
Особенности пластического течения пористой заготовки исследовали в
процессе ее продавливания через винтовую матрицу. Изучали распределе-
ние остаточной пористости, относительной плотности и накопленной де-
формации в материале твердой фазы, а также возможности образования до-
полнительной пористости, которая может служить причиной образования
макродефектов. Указанные факторы изучали в зависимости от отсутствия
или наличия противодавления, расчеты полей проводили с учетом внешнего
трения заготовки о матрицу.
Исследование основано на математическом моделировании данного про-
цесса, которое, в свою очередь, базируется на предположениях о том, что:
1) течение пористой заготовки может быть описано методами механики
необратимо сжимаемого континуума;
2) в ходе деформирования пористая заготовка ведет себя как изотропный
материал, не чувствительный к скорости деформаций;
3) скорость диссипации энергии вследствие необратимой деформации оп-
ределяется скоростями изменения формы и объема и не зависит от третьего
инварианта тензора скоростей деформаций.
Таким образом, в отличие от большинства исследований, посвященных
рассматриваемому вопросу, приводимый ниже анализ не ограничивается
определением компонент напряжений. Основными объектами внимания яв-
ляются плотность, ее распределение по объему, накопленная пластическая
деформация в различных участках заготовки и пористость, возникающая в
ходе деформирования. При этом внимание сосредоточено на эволюции рас-
пределений данных параметров в ходе нагружения.
2. Основные положения теории пластичности пористых тел
В основе используемого ниже варианта теории пластичности пористых
тел лежит представление о пластическом потенциале как о функции компо-
нентов тензора напряжений, которой в пространстве напряжений соответст-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
72
вует гладкая, выпуклая и замкнутая поверхность. В силу предположения о
независимости свойств пористой заготовки от вида напряженного и дефор-
мированного состояний (третьих инвариантов тензоров скоростей деформа-
ций и напряжений) данная поверхность является поверхностью вращения
относительно гидростатической оси. Поэтому в дальнейшем будем рассмат-
ривать лишь ее контур, который на основе многочисленных эксперимен-
тальных и теоретических исследований [1,14−20] может быть представлен в
одной из эквивалентных форм (модифицированный закон Cam–Clay):
2
2
2 1
(1 )
s
s
m
p
m
F m
⎛ ⎞+ ρσ ψ⎜ ⎟τ +⎝ ⎠= + + −ρσ
ϕ ψ
, (1)
2
2
0(1 )( )
p
F k p∗= τ − ϕ − θ + α −
ψ
. (2)
Наряду с инвариантами тензора напряжений σij
1
3 ij ijp = σ δ ,
( )( )ij ij ij ijp pτ = σ − δ σ − δ , уравнения (1) и (2) включают ряд параметров,
которые характеризуют дефекты, содержащиеся в пористой заготовке. В
первую очередь это пористость θ или относительная плотность ρ , связанная
с пористостью очевидным соотношением 1ρ = −θ . В соответствии с [21]
2(1 )ϕ = −θ ,
22 (1 )
3
− θψ =
θ
. Параметры σ0 и k0 характеризуют напряжение
течения твердой фазы пористого тела.
Содержащиеся в (1) и (2) родственные между собой параметры m и α ха-
рактеризуют разносопротивляемость материала пористой заготовки растя-
жению и сжатию. Параметр m связывают [22,23] с наличием двумерных де-
фектов, а параметр α [20] − с аккомодационными эффектами.
В соответствии с принципом нормальности компоненты тензора скоро-
стей деформаций вычисляются по правилу
ij
ij
F
e
∂= λ
∂σ
. (3)
В частности, изменение объема, сопутствующее пластической деформа-
ции пористого тела, может быть оценено в рамках модели (1):
2
02 (1 )2(1 )
~
m mm
e p
+ σ+ +
ψ ψ
. (4)
Простейший анализ данного соотношения приводит к выводу, что общее
изменение объема является следствием аддитивного вклада двух факторов:
первый из них пропорционален среднему давлению р, второй − определяет-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
73
ся величиной m. К аналогичному выводу приводит результат применения
правила нормальности к уравнению (2); в данном случае второй фактор оп-
ределяется величиной α.
Следствием полученного результата является то обстоятельство, что мо-
дели (1) и (2) предусматривают возможность изменения объема в отсутствие
среднего давления. Данный факт достаточно давно известен в практике де-
формирования грунтов и сыпучих материалов как дилатансия. Для порош-
ков и пористых тел он был зафиксирован и изучен в работе [11]. Позднее в
работах [5,20], а также [22−24] была установлена связь дилатансии с поро-
образованием. Само же изменение объема в ходе пластической деформации
пористых тел является следствием двух факторов: изменения объема пор в
результате действия среднего давления и появления новых пор (порообразо-
вания) вследствие дилатансии. Физическая интерпретация дилатансии с
привлечением представлений о роли аккомодационных эффектов достаточ-
но подробно изложена в [20].
В работе [12] также вводится правило разделения общего изменения объ-
ема по принципу аддитивности. В то же время слагаемое, ответственное за
порообразование, никак не связано с формой пластического потенциала, в
качестве которого используется функция текучести Гэрсона−Твергаарда [12].
Вычисление данной величины связано с определением удельной скорости
диссипации пористого тела. С этой целью аналогично выражению для ско-
рости объемной деформации вычисляется величина макроскопической де-
формации сдвига
2
~
τγ
ϕ
. Совместно с выражением (4) данная величина по-
зволяет получить дилатансионное соотношение
0
2
(1 )
1 (1 )
m
pe m m
+ − θ σ ψϕ += +
γ ψ τ
. (4)
Удельную скорость диссипации энергии
1
( )
1
pe + τγ
−θ
можно вывести из
(4) с учетом (1). Далее используется постулат В.В. Скорохода [21] об одно-
значности диссипативной функции, в результате чего и получается искомое
выражение
2 2 2(1 )
1
1 1
m em
w e
m m
⎛ ⎞+ γ ϕ+ ψ
⎜ ⎟= −θ − ψ +
+ +⎜ ⎟
⎝ ⎠
. (5)
Данная величина характеризует скорость накопления деформаций в твер-
дой фазе пористого тела. Сама же величина накопленной пластической де-
формации ω восстанавливается путем решения дифференциального уравне-
ния
d
d
w
t
ω = .
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
74
3. Особенности применения метода конечных элементов при решении
задач о формировании УМЗ в пористых материалах
При решении задач формообразования в проблемах обработки металлов
давлением одним из основных объектов поиска является поле напряжений,
возникающее при сопротивлении деформированию. В силу условия несжимае-
мости кинематические поля имеют ограниченное число степеней свободы, по-
этому расчет полей скоростей сопутствует определению напряженного состоя-
ния. Последнему уделяется особое внимание в связи с тем, что именно его ана-
лиз и лежит в основе предсказания разрушения при пластической деформации.
При решении задач, связанных с течением сжимаемых материалов, к чис-
лу наиболее важных проблем относится определение плотности или связан-
ной с ней пористости, а также деформации, накопленной в твердой фазе.
Здесь анализ кинематического поля представляет основной интерес. В соот-
ветствии с этим и формулируется общий алгоритм решения всей задачи.
В общей постановке поля плотности и накопленной деформации твердой
фазы удовлетворяют уравнениям эволюции
0
t
∂ρ + ∇ρ +∇
∂
=v v , (6)
0w
t
∂ω + ∇ω− =
∂
v . (7)
Уравнение (6) является прямым следствием закона сохранения массы, в
то время как соотношение (7) представляет собой записанное в эйлеровом
представлении макроскопическое определение накопленной деформации
твердой фазы [21,24]. Расчет дополнительной пористости, т.е. пористости,
возникшей вследствие порообразования, производится на основании (4).
Поскольку эволюционные уравнения для рассматриваемых параметров
состояния пористого тела помимо искомых параметров содержат также за-
ранее не известные компоненты вектора скорости, их дополняют требовани-
ем, которому обязано удовлетворять это векторное поле. В том случае, когда
определяющие уравнения имеют дивергентную форму (т.е. выведены из
факта существования потенциала для поля скоростей), указанное требование
эквивалентно вариационному принципу
( ) 1
( ) d d( )
p
i iD v x W p v
Ω ∂Ω
= Ω+ ∂Ω
ρ∫ ∫ , (8)
который в совокупности с эволюционными уравнениями используется для
нахождения как компонент вектора скорости, так и полей исследуемых па-
раметров. Естественно, что, исходя из законов, связывающих напряжения и
скорости течения, на основе найденного решения могут быть восстановлены
компоненты напряженного состояния.
Для получения таких решений здесь используется метод конечных эле-
ментов, который может быть представлен в виде последовательности изло-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
75
женных ниже процедур. Первой из них является
триангуляция области пластически деформи-
руемого тела или переход от сплошной заготов-
ки к ее конечно-элементному аналогу (рис. 2).
В последующем осуществляется переход от
операций, содержащих дифференцирование, к
алгебраическим выражениям, связывающим уз-
ловые скорости.
При решении задач неустановившегося пла-
стического течения получили распространение
пошаговые алгоритмы. В соответствии с ними в
эволюционных уравнениях (6), (7) осуществляет-
ся переход от дифференцирования по времени к
приращению соответствующего параметра на
данном шаге нагружения. Для пластических ма-
териалов роль времени может играть любой монотонно изменяемый пара-
метр (например, перемещение верхнего пуансона).
Специфика пошагового алгоритма для пористых тел заключается в том,
что анализ каждого шага нагружения начинается с предположения о том,
что плотность, накопленная деформация твердой фазы и пористость, воз-
никшая в ходе деформирования, принимаются равными тем значениям, ко-
торые были в данном элементе на предыдущем шаге. Далее на основании
этих параметров, используя требование об экстремуме функционала, а также
нелинейные методы вычислительной алгебры, определяют скорости течения
материалов в узлах конечных элементов. Затем по соотношениям для функ-
ций формы элементов находят компоненты тензоров скоростей деформаций
и напряжений в каждом из элементов. Попутно вычисляют искомые пара-
метры: ρ , ω и пористость, возникающую в ходе деформирования. Естест-
венно, что как пошаговое интегрирование, так и вычисления полей внутри
элементов включают ряд дополнительных итерационных процедур, обеспе-
чивающих контроль сходимости вычислений в целом.
4. Результаты расчета и их анализ
Приводимые ниже результаты расчетов в первую очередь касаются рас-
пределений плотности, накопленной деформации твердой фазы и порообра-
зования за счет продолжающейся деформации. Для оценки возникающих
напряжений приводятся также данные по распределению среднего давления.
Анализ носит сравнительный характер и направлен главным образом на
оценку роли противодавления в процессе ВЭ. Кроме того, расчеты проведе-
ны для различных моментов деформирования, что дает возможность отсле-
дить некоторые закономерности формирования искомых полей при наличии
или отсутствии противодавления.
Анализ выполнен при условии, что исходная пористость заготовки равна
0.3, а ее неоднородным распределением в начале ВЭ можно пренебречь. Сис-
Рис. 2. Триангуляция очага
деформации при ВЭ
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
76
тему эволюционных уравнений и вариационный принцип дополняли законом
упрочнения для материала твердой фазы, который связывает величины σs из (1)
или k из (2) с накопленной деформацией твердой фазы ω той же зависимостью,
которой связаны напряжение и деформация при одноосном растяжении медно-
го образца. При проведении расчетов полагали, что на границе заготовка–мат-
рица имеет место условие одностороннего контакта совместно с условием тре-
ния по Кулону. Коэффициент трения предполагали равным 0.15, что соответст-
вует применению смазки. Учет противодавления проводили в предположении,
что все точки подпятника подвержены действию равномерно приложенного
нормального к его поверхности напряжения, равного половине предела текуче-
сти меди. Следствием такого предположения являлся факт депланации подпят-
ника при отсутствии противодавления и при его наличии, что, как свидетельст-
вуют экспериментальные данные [1], соответствует истине.
Вполне ожидаемым результатом является тот факт, что наличие противо-
давления приводит к увеличению средней плотности. Об этом свидетельст-
вует сравнение этих распределений (рис. 3,I) при наличии и отсутствии про-
тиводавления (результаты соответствуют одному и тому же шагу деформи-
рования, обеспечивающему равенство текущих высот заготовки).
Наименее плотным участком является светлая область, примыкающая к
подпятнику. В отсутствие противодавления относительная плотность в ней
составляет 0.308, в то время как наличие противодавления снижает относи-
тельную плотность в данной области до 0.134.
Обращает на себя внимание тот факт, что в отсутствие противодавления
наблюдается достаточно заметное разрыхление (увеличение пористости с
0.3 до 0.306). Это в первую очередь обусловлено депланацией подпятника,
которая связана с наличием растягивающих деформаций на его поверхности
(рис. 3,I). Указанный факт подтверждается результатами расчетов поля
среднего давления p, представленными на рис. 3,II.
В отсутствие противодавления в обширной области, прилегающей к под-
пятнику, величина р положительна. В соответствии с формулой (4) указан-
ное обстоятельство даже при отсутствии порообразования приводит к
уменьшению плотности. Приложение противодавления меняет характер из-
менения объема: практически во всей области, занимаемой заготовкой,
плотность возрастает (рис. 3,I,б).
Иная картина наблюдается для распределений накопленной деформации
твердой фазы. В данном случае противодавление является фактором, связы-
вающим течение пористого материала, поскольку налагает на поле скоро-
стей кинематическое ограничение: выдавливание материала происходит с
меньшей скоростью, чем это имеет место в отсутствие противодавления.
По этой причине наиболее интенсивно деформируются области, располо-
женные ближе к подпятнику и прилегающие к поверхностям трения. Ближе к
оси заготовки наблюдаются резкое снижение темпа накопления деформации и
фактическая ее локализация в указанных периферийных областях.
Тем не менее, как свидетельствуют приведенные графики, наличие про-
тиводавления обусловливает более равномерный характер распределения ω.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
77
I
а б
II
а б
III
а б
Рис. 3. Распределение относительной пористости заготовки (I), среднего давления
(Pa) (II) и накопленной деформации твердой фазы (III) в отсутствие (а) и при нали-
чии (б) противодавления
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
78
Наиболее простой и наглядный способ проиллюстрировать эволюцию
рассматриваемых параметров во времени – это анализ поведения сечения,
перпендикулярного оси прессования. В частности, анализ эволюции распре-
деления пористости для трех последовательных ориентаций подпятника в от-
сутствие противодавления (рис. 4,I) свидетельствует о преимущественном
I II
а
б
в
Рис. 4. Эволюция распределения пористости для трех последовательных ориента-
ций подпятника в отсутствие (I) и при наличии (II) противодавления: а, б, в − по-
следовательные сечения образца в матрице
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
79
уплотнении на периферии, где относительная плотность практически дости-
гает единицы. В то же время на свободной поверхности после слабого уп-
лотнения наблюдается рост пористости до 0.308.
Приложение противодавления изменяет ситуацию (рис. 4,II). Уплотнение
наблюдается по всей поверхности подпятника. Наиболее интенсивным оно
является по периферии, в то время как в сердцевине его рост незначителен.
Аналогично распределению интенсивности уплотнения изменяется и рас-
пределение накопленной деформации. Наиболее заметным оно является на
контуре подпятника, где в силу внешнего трения имеет место наиболее зна-
чительное изменение формы.
Результаты проведенных вычислений, иллюстрируемые рис. 5, позволяют
сделать вывод о достаточно пассивном поведении материала в окрестности
оси заготовки и весьма интенсивной деформации в тех областях, где заметно
влияние внешнего трения. Можно предположить, что при наличии противо-
давления в окрестности оси заготовки объемные изменения более сущест-
венны, чем сдвиговые деформации. Именно они и вносят основной вклад в
формирование величины накопленной деформации.
а б
в
То обстоятельство, что наиболее интенсивные деформации имеют место в
окрестности контура подпятника, подтверждается и данными эксперимента [25].
Представленные на рис. 6 данные свидетельствуют о том, что результаты
расчетов качественно правдоподобны и подтверждают факт формирования в
Рис. 5. Эволюция распределения нако-
пленной деформации твердой фазы для
трех последовательных ориентаций
подпятника при наличии противодав-
ления: а, б, в − последовательные сече-
ния образца в матрице
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
80
ходе ВЭ сердцевины, где интенсивность касательных напряжений сущест-
венно ниже, чем в окрестности контура подпятника.
Представляет интерес область сопряжения сердцевины и контура, т.е. об-
ласть весьма высокого градиента интенсивности деформаций. Соответст-
вующие расчеты позволяют сделать вывод, что именно здесь наблюдается
довольно заметное порообразование в отсутствие противодавления (рис. 7).
Со сказанным выше может быть связано и развитие возникших дефектов,
их коалесценция и последующее разрушение заготовки. Необходимо отме-
тить, что приложение противодавления может рассматриваться и как сред-
ство предотвращения разрушения.
Рис. 6. Распределения накопленной деформации твердой фазы для одной из ориен-
таций подпятника
Рис. 7. Области возникновения пористости на финишных стадиях винтовой экструзии
Выводы
На основе модели пористого тела, учитывающей эффект дилатансии, вы-
полнен численный анализ винтовой экструзии порошковых заготовок. Пока-
зано, что для уплотнения порошка этим методом необходимо создать проти-
водавление, превышающее некоторую пороговую величину, зависящую от
характеристик материала и геометрии матрицы.
1. Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков, Винтовая экструзия –
процесс накопления деформаций, ТЕАН, Донецк (2003).
2. Я.Е. Бейгельзимер, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, А.В. Решетов, КШП № 6, 15 (2004).
3. В.В. Столяров, Х.Ш. Салимгареев, Е.П. Сошникова, Я.Е. Бейгельзимер, Д.В. Ор-
лов, С.Г. Сынков, А.В. Решетов, ФТВД 13, № 1, 54 (2003).
4. V.N. Varyukhin, Y.Y. Beygelsimer, S.G. Synkov et al., Material Science Forum
503−504, 699 (2006).
5. Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Б.М. Эфрос, Физическая механика гидроста-
тической обработки материалов, ДонФТИ НАНУ, Донецк (2000).
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
81
6. Р.З Валиев, И.В Александров, Наноструктурные материалы, полученные интен-
сивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000).
7. В.В. Рыбин, Большие пластические деформации и разрушение металлов, Ме-
таллургия, Москва (1986).
8. П. Людвик, в сб.: Расчеты на прочность в машиностроении, Машиностроение,
Москва (1970), вып. 15, с. 130–166.
9. В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов, Физические основы прочности
тугоплавких металлов, Наукова думка, Киев (1975).
10. В.И. Трефилов, В.Р. Моисеев, Дисперсные частицы в тугоплавких металлах,
Наукова думка, Киев (1978).
11. В.З. Мидуков, В.Д. Рудь, Порошковая металлургия № 1, 10 (1982).
12. V. Tvergaard, J. Mech. Phys. Solids 35, № 1, 43 (1987).
13. В.Т. Трощенко, А.А. Лебедев, В.А. Стрижало и др., Механическое поведение
материалов при различных видах нагружения, Лотос, Киев (2000).
14. Я.Е. Бейгельзимер, Порошковая металлургия № 3, 11 (1987).
15. Р. Дж. Грин, Механика 4, 109 (1973).
16. S. Shima, M. Oyane, Int. J. Mech. Sci. 6, 285 (1976).
17. М.Б. Штерн, Порошковая металлургия № 4, 17 (1981).
18. М.Б Штерн, О.В. Михайлов, в сб. научн. тр.: Вопросы механики и физики про-
цессов резания и холодного пластического деформирования, Сер. Г.: Процессы
механической обработки, станки и инструменты, ИСМ НАН Украины, Киев
(2002), с. 434−441.
19. M. Shtern, O. Mikhailov, Proc. of Powder Metallurgy European Congress, 22–24
October, 2001, Nice, France, Vol. 3.
20. Y. Beygelzimer, Mechanics of Materials 37, 753 (2005).
21. В.В. Скороход, Реологические основы теории спекания, Наукова думка, Киев (1972).
22. М.Б. Штерн, В.Д. Дудунов, Порошковая металлургия № 11/12, 31 (1999).
23. М.Б. Штерн, В.Д. Дудунов, Порошковая металлургия № 1/2, 9 (2000).
24. М.Б. Штерн, Порошковая металлургия № 9, 17 (1992).
25. Я.Е. Бейгельзимер, А.В. Решетов, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, Р.Ю. Кулагин, Н.С.
Кулаков, в сб.: Совершенствование процессов и оборудования обработки дав-
лением в металлургии и машиностроении, Краматорск (2005), с. 39−44.
Ya.E. Beygelzimer, O.V. Mikhailov, A.S. Synkov, M.B. Shtern, E. Olevsky
TWIST EXTRUSION OF POWDER BILLETS.
I. NUMERICAL ANALYSIS BY THE FINITE-ELEMENT METHOD
Powder material deformation by twist extrusion (TE) method has been investigated. The
numerical analysis is based on the finite-element method and plasticity theory for porous
bodies. It is shown that with a high enough backpressure (of the order of powder-particle
yield strength) the TE is effective for the compaction of materials. Conditions, when the
density of 0.95 and higher is attained and nanostructure is preserved, have been deter-
mined. Zones of severe shearing strain and maximum compaction rate localization have
been determined by methods of computer analysis. Possible versions of damages accu-
mulation under TE and ways of failure prevention have been considered.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
82
Fig. 1. Scheme explaining the essence of twist extrusion: а – billet run through twist die;
б – twist-die channel
Fig. 2. Triangulation of deformation site under TE
Fig. 3. Distribution of billet’s relative density (I), average pressure (II) and accumulated
strain of solid phase (III) with no (а) and under backpressure (б). Numerical results are in
arbitrary units
Fig. 4. Evolution of density distribution for three consecutive orientations of thrust bear-
ing with no (I) and under (II) backpressure: а, б, в − consecutive sections of the specimen
Fig. 5. Evolution of distribution of solid-phase accumulated strain for three consecutive
orientations of thrust bearing in the presence of backpressure: а, б, в − consecutive sec-
tions of the specimen
Fig. 6. Distribution of solid-phase accumulated strain for one of thrust bearing orienta-
tions
Fig. 7. Regions of porosity origination at final stages of twist extrusion
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70407 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:52:01Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. Олевский, Е. 2014-11-04T15:24:27Z 2014-11-04T15:24:27Z 2008 Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 69-82. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Vw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70407 Исследована деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Численный анализ основан на использовании метода конечных элементов и теории пластичности пористых тел. Показано, что при достаточно высоком уровне противодавления (порядка предела текучести частиц порошка) ВЭ является эффективным методом уплотнения материала. Определены условия достижения значения плотности более 0.95 при одновременном сохранении наноструктуры. Методами компьютерного анализа установлена локализация зон интенсивных деформаций сдвига и максимальной скорости уплотнения. Рассмотрены возможные варианты накопления повреждений при ВЭ и способы предотвращения разрушения. Powder material deformation by twist extrusion (TE) method has been investigated. The numerical analysis is based on the finite-element method and plasticity theory for porous bodies. It is shown that with a high enough backpressure (of the order of powder-particle yield strength) the TE is effective for the compaction of materials. Conditions, when the density of 0.95 and higher is attained and nanostructure is preserved, have been determined. Zones of severe shearing strain and maximum compaction rate localization have been determined by methods of computer analysis. Possible versions of damages accumulation under TE and ways of failure prevention have been considered. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента Гвинтова екструзія порошкових заготовок. І. Числовий аналіз методом скінченного елемента Twist extrusion of powder billets. I. Numerical analysis by the finite-element method Article published earlier |
| spellingShingle | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента Бейгельзимер, Я.Е. Михайлов, О.В. Сынков, А.С. Штерн, М.Б. Олевский, Е. |
| title | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента |
| title_alt | Гвинтова екструзія порошкових заготовок. І. Числовий аналіз методом скінченного елемента Twist extrusion of powder billets. I. Numerical analysis by the finite-element method |
| title_full | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента |
| title_fullStr | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента |
| title_full_unstemmed | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента |
| title_short | Винтовая экструзия порошковых заготовок. I. Численный анализ методом конечного элемента |
| title_sort | винтовая экструзия порошковых заготовок. i. численный анализ методом конечного элемента |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70407 |
| work_keys_str_mv | AT beigelʹzimerâe vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokičislennyianalizmetodomkonečnogoélementa AT mihailovov vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokičislennyianalizmetodomkonečnogoélementa AT synkovas vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokičislennyianalizmetodomkonečnogoélementa AT šternmb vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokičislennyianalizmetodomkonečnogoélementa AT olevskiie vintovaâékstruziâporoškovyhzagotovokičislennyianalizmetodomkonečnogoélementa AT beigelʹzimerâe gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokíčisloviianalízmetodomskínčennogoelementa AT mihailovov gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokíčisloviianalízmetodomskínčennogoelementa AT synkovas gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokíčisloviianalízmetodomskínčennogoelementa AT šternmb gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokíčisloviianalízmetodomskínčennogoelementa AT olevskiie gvintovaekstruzíâporoškovihzagotovokíčisloviianalízmetodomskínčennogoelementa AT beigelʹzimerâe twistextrusionofpowderbilletsinumericalanalysisbythefiniteelementmethod AT mihailovov twistextrusionofpowderbilletsinumericalanalysisbythefiniteelementmethod AT synkovas twistextrusionofpowderbilletsinumericalanalysisbythefiniteelementmethod AT šternmb twistextrusionofpowderbilletsinumericalanalysisbythefiniteelementmethod AT olevskiie twistextrusionofpowderbilletsinumericalanalysisbythefiniteelementmethod |