Основные закономерности формообразования заготовок

Наряду с плотностью материала качество СВС-прессованного изделия определяется его размерной точностью, которая, в свою очередь, определяет трудоемкость последующих операций механической обработки. Вот почему практический интерес представляет исследование закономерностей формообразования. Для проверки предположения о влиянии реологических свойств материала заготовки на формообразование анализировался процесс формообразования для двух типов материалов – с низким и высоким сопротивлением деформации. Низкопрочным материалом служил сплав TiC-20% Ni с температурой Тк = 2270 оС, начальной плотностью r10 = 0,5 и объемной долей жидкой фазы mL = 0,27. Карбид титана TiC выступал в роли модельного высокопрочного материала. С целью повышения сопротивления деформации для карбида TiC принимались следующие параметры: температура прессования Тк = 1730 оС, т.е. на 540 oС ниже, чем для сплава TiC-20% Ni; начальная относительная плотность твердой фазы rS = 0,53, что соответствует теоретическому значению насыпной относительной плотности, и отсутствует жидкая фаза (mL = 0).

На рис. 5.6 приведены результаты расчета формы сечения заготовок после прессования при давлении q = 120 МПа. Эти данные показывают, что в СВС-прессованной заготовке формируются две зоны– центральная и периферийная. Центральная зона имеет одинаковую высоту и, следовательно, деформируется однородно. Вокруг однородно деформируемой центральной зоны находится неоднородно деформируемая периферийная зона. При прессовании сплава TiC-20% Ni высота заготовки в периферийной зоне увеличивается при приближении к ее боковой поверхности. Сама боковая поверхность искривляется и становится вогнутой. Плотность материала при приближении к боковой поверхности уменьшается (рис. 5.6, а). В случае прессования карбида титана TiC при приближении к боковой поверхности высота заготовки уменьшается, а плотность материала увеличивается (рис. 5.6, б).

Неоднородный характер формообразования и распределения плотности по объему заготовки при изотермическом прессовании с однородным начальным распределением температуры и реологических свойств следует связать с различием реологических свойств продуктов синтеза и материала оболочки. Рассмотрим более подробно механические свойства деформируемых материалов.

а

б

Р и с. 5.6. Форма сечения и распределение относительной плотности r по объему заготовки при СВС-прессовании сплава TiC-20% Ni (а) и карбида титана TiC (б)

Сопротивление деформации литых несжимаемых материалов оценивается, как правило, по результатам испытаний на растяжение. Сопротивление деформации порошковых сжимаемых материалов характеризуют кривые уплотнения, связывающие деформирующее напряжение s с относительной плотностью порошка r. Экспериментальное построение кривых уплотнения осуществляют по результатам одностороннего прессования в закрытой пресс-форме или при изостатическом прессовании. Уменьшение объема и уплотнение порошков происходят при отрицательном значении шаровой части тензора напряжений, поэтому для теоретической оценки сопротивления деформации порошковых материалов по теории течения сначала получают зависимость гидростатического напряжения s = 1/3 sijdij от скорости объемной деформации е = eijdij. Затем по зависимости s(е) строят кривую уплотнения s(r). Дисперсные материалы имеют различную начальную (насыпную) плотность, поэтому для сопоставления кривых уплотнения s(r) удобно рассматривать относительную плотность , приведенную к насыпной плотности r0:  = r/r0. Для твердожидких продуктов СВС сопротивление деформации оказывает только твердая фаза, и начальная объемная доля твердой фазы принимается равной r0=rS0= 0,53. Из определяющих соотношений (4.21), (4.22) получим следующие зависимости s(е):

для нелинейно-вязких продуктов СВС

                                 ;                              (5.5)

для сыпучего материала оболочки

                                        .                                     (5.6)

Для склерономного материала сыпучей оболочки с пороговым механизмом пластической деформации величина деформирующего напряжения s инвариантна к скорости деформации и непосредственно определяется функциями плотности a2(r), y(r) и прочностью частиц tb (формула (5.6)). Для реономного вещества продуктов СВС согласно (5.5) сопротивление деформации зависит от скорости объемной деформации е, поэтому зависимость s() для продуктов синтеза находилась в процессе решения краевой задачи. На каждом шаге нагружения для конечных элементов, расположенных вдоль оси заготовки, вычислялись средняя скорость объемной деформации е, относительная доля твердой фазы rS и приведенная относительная плотность . Затем по формуле (5.5) выполнялся расчет кривой уплотнения s(). Расчетные кривые уплотнения s() для сплава TiC-20% Ni, карбида титана TiC и песка приведены на рис. 5.7. Согласно расчетам сопротивление деформации сплава TiC-20% Ni синтеза меньше, а карбида титана TiC больше, чем сопротивление деформации песка. Это различие и обуславливает разный характер формообразования заготовки.

Р и с. 5.7. Кривые уплотнения s() песка (1), твердого сплава TiC-20% Ni (2) и карбида титана TiC (3)

Выше уже отмечалось, что уплотнение заготовки происходит в основном за счет осевой деформации. Совместно с осадкой заготовки происходит осадка и уплотнение оболочки. Рассмотрим процесс формообразования при совместном деформировании заготовки и оболочки. В деформируемом объеме выделим заготовку 1 и кольцевую зону оболочки К с высотой hК, которая равна высоте заготовки: hК = h1 (рис. 5.8, а). При прессовании общая высота деформируемого объема уменьшится на Dh. При этом высота заготовки h1 уменьшится на Dh1, а высота элемента К – на DhК. Если сопротивление деформации материала оболочки будет выше, чем продуктов СВС, то кольцевой элемент оболочки К1 будет осаживаться в меньшей степени, чем заготовка: DhК < Dh1 (рис. 5.8, б). И, наоборот, если прочность заготовки выше, чем оболочки, то деформация элемента оболочки К будет больше деформации заготовки: DhК > Dh1 (рис. 5.8, в). В силу неразрывности поля скоростей осевая деформация боковой поверхности заготовки будет определяться осевой деформацией сопряженной с ней кольцевой оболочки. При низкой прочности в продуктах синтеза, когда DhК < Dh1, осадка боковой поверхности заготовки будет меньше, чем осадка центральных объемов заготовки, и опорные поверхности становятся вогнутыми. Именно этот случай имеет место при прессовании в песчаной оболочке сплава TiC-20% Ni. Аналогичным образом объясняется и вогнутость боковой поверхности заготовки, формообразование которой определяется величиной радиальной деформации. В случае прессования высокопрочной заготовки из карбида титана TiC при DhК > Dh1 боковая поверхность заготовки осаживается в большей степени, чем центральные объемы, и ее опорные поверхности получаются выпуклыми. Таким образом, различие реологических свойств деформируемых материалов приводит к возмущению поля скоростей на границе заготовки и оболочки и к неоднородному деформированию и уплотнению прилегающих к границе объемов.

          а                                        б                                     в

Р и с. 5.8. Схема формообразования заготовки