Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 36 ТЕХНОЛОГИЯ Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией Денис Салихянов 1, 2, a,*, Николай Мичуров 2, 3, b 1 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 2 Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия 3 Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, ул. Мира, 22, г. Екатеринбург, 620062, Россия a https://orcid.org/0000-0001-7235-7111, d.r.salikhianov@urfu.ru, b https://orcid.org/0000-0003-1775-6181, n.michurov@ya.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 36–49 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-36-49 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669 История статьи: Поступила: 16 июня 2023 Рецензирование: 28 июня 2023 Принята к печати: 06 июля 2023 Доступно онлайн: 15 сент ября 2023 Ключевые слова: Слоистые композиты Алюминиевые сплавы Совместная деформация Напряженно-деформированное состояние Соединение материалов Конечно-элементное моделирование Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20243 «Мульти-масштабное моделирование процессов соединения разнородных материалов пластической деформацией» при поддержке правительства Свердловской области. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Прочность соединения разнородных материалов является наиболее важной характеристикой слоистых композитов, определяющей успех их освоения при промышленном производстве. С целью развития теории соединения материалов пластической деформацией в работе предложено выполнение компьютерного моделирования совместной деформации представительных объемов разнородных материалов в микромасштабе и сопоставление параметров напряженно-деформированного состояния с ранее представленным теоретическим механизмом. Цель работы заключается в анализе напряженно-деформированного состояния разнородных материалов при пластической деформации в микромасштабе и установлении месторасположения начала разрушения поверхностных оксидных пленок. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы: 1) исследование поверхностных профилей разнородных материалов, соединяемых пластической деформацией; 2) моделирование методом конечных элементов (КЭ) пластической деформации контактных поверхностей разнородных материалов в микромасштабе; 3) изучение стадий совместной деформации разнородных материалов в микромасштабе и верификация теоретической модели. Методика исследований. Исследование трехмерной топографии и шероховатости выполнено на Veeco Wyko NT1100 Optical Profi ling System. В качестве основного инструмента для выполнения исследований выбран пакет КЭмоделирования Deform-3D. В качестве исследуемых материалов выбраны алюминиевые сплавы АМг3 и Д16. Результаты и обсуждение. В работе выполнено компьютерное КЭ-моделирование совместной деформации поверхностей сплавов АМг3 и Д16 в микромасштабе, проведен анализ поверхностных профилей материалов после различных видов обработки, исследованы параметры напряженно-деформированного состояния и сопоставлены с параметрами теоретического механизма. По результатам сопоставления оценена адекватность предлагаемого теоретического механизма и отмечены практические трудности теоретического моделирования совместной деформации разнородных материалов в микромасштабе. КЭ-моделирование в микромасштабе позволило изучить протекание пластической деформации в приповерхностных слоях материалов, а также выявить области наиболее вероятного разрушения поверхностных оксидных пленок и, следовательно, области первичного соединения разнородных материалов. Для цитирования: Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 36–49. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-36-49. ______ *Адрес для переписки Салихянов Денис Ринатович, к.т.н., доцент Уральский федеральный университет, ул. Мира, 28, 620002, г. Екатеринбург, Россия Тел.: +7 (343) 375-44-37, e-mail: d.r.salikhianov@urfu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 37 TECHNOLOGY Введение Влияние шероховатости контактных поверхностей на соединение материалов при пластической деформации Прочность соединения разнородных материалов является наиболее важной характеристикой слоистых композитов, определяющей успех их освоения при промышленном производстве [1]. Среди известных технологий производства слоистых металлических композитов (сварка взрывом, совместная прокатка, нанесение порошковых покрытий и др.) наиболее перспективными являются технологии на основе совместной прокатки благодаря высокой производительности процесса, возможности автоматизации и относительной простоты контроля качества. По сравнению с широко распространенной сваркой взрывом, полученные деформацией слоистые композиты обладают более высокой точностью, качеством и стабильностью свойств, а также меньшим уровнем вредных растягивающих остаточных напряжений. Сдерживающим фактором развития производства слоистых композитов прокаткой и другими способами на основе обработки давлением является проблема получения прочного соединения их слоев [2]. На межслойной границе материалов при пластической деформации протекают сложные физико-химические процессы, поэтому определение режимов обработки давлением является трудоемкой задачей для каждого нового разрабатываемого композита. В результате разработка новых технологий неизбежно связана с большим объемом экспериментальной работы. На настоящий момент проведено большое количество исследований, посвященных изучению влияния различных факторов совместной прокатки на прочность соединения материалов [3–8]. Джамаати и Торогинежад [3], а также Ли с соавторами [4] представили достаточно подробные обзорные работы, описывающие влияние этих факторов на прочность соединения однородных и разнородных металлов при совместной прокатке. В частности, Джамаати и Торогинежад [3] описали влияние обжатий, отжига до и после прокатки, исходной толщины листов, скорости прокатки, направления прокатки, коэффициента трения и наличия упрочняющих частиц. В работе Ли с соавторами [4] рассмотрено влияние условий прокатки, в частности обжатия, параметров очага деформации, наличия загрязнений и толщины оксидной пленки на соединяемых поверхностях, метода подготовки поверхности, условий трения и постотжига. Обзорные [3, 4] и экспериментальные [9–17] работы показывают, что технология подготовки контактных поверхностей материалов относится к одному из наиболее значимых факторов, влияющих на процесс их соединения. Обработка поверхностей необходима для удаления частиц влаги, жира и загрязнений, а также для уменьшения толщин поверхностных оксидных пленок, препятствующих соединению материалов. Важно отметить, что в опубликованных работах до сих пор не приведены оптимальные параметры контактных поверхностей для соединения материалов, такие как средняя арифметическая шероховатость Ra, высота выступов H, средний шаг неровностей по вершинам S, длина волн выступов W и др. Например, в [9] наивысшая прочность соединения стали и алюминия получена для поверхностей с шероховатостью Ra = 5,8 мкм среди возможных вариантов шероховатости соединяемых поверхностей 1,7, 1,8, 1,9, 3,6, 4,2 и 5,8. Худший результат получен для поверхностей с шероховатостью 1,8 мкм. В [10] максимальная прочность соединения латуни и IF-стали получена при шероховатости контактных поверхностей 4,2 мкм среди шести вариантов шероховатости контактных поверхностей: 0,5, 1,7, 2,2, 2,9, 3,6 и 4,2 мкм. Худший результат наблюдается при шероховатости контактных поверхностей, равной 0,5 мкм. В работах, указанных выше, сделан вывод о том, что чем больше шероховатость контактных поверхностей, тем выше достигаемая прочность соединения материалов. Далее представлены работы, в которых этот вывод не подтверждается. В [11] лучшее качество соединения чистого алюминия и алюминиевого сплава AA2024 наблюдалось для соединяемых поверхностей с шероховатостью Ra менее 0,58 мкм из возможных вариантов 0,58, 0,13 и 0,03 мкм, полученных микроинжинирингом поверхностей, а также 0,05 и 0,25 мм, полученных макроинжинирингом. Худшее качество наблюдалось для поверхностей с шероховатостью Ra = 0,25 мм.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 38 ТЕХНОЛОГИЯ В [12] наивысшая прочность соединения чистого алюминия и сплава AA2024 достигнута при шероховатости контактных поверхностей 1 мкм среди следующих вариантов: полированная поверхность, Ra = 1, 3 и 5 мкм. Худший результат получен для полированной поверхности. В [13] максимальная прочность соединения листов из технически чистой меди достигнута при шероховатости соединяемых поверхностной Rz = 0,09 мкм среди вариантов Rz, равных 0,09, 1,5, 4,4 и 14 мкм. В работе говорится, что чем больше отношение высоты H к ширине основания W выступов профилей соединяемых поверхностей металлов, тем больше прочность соединения. Стоит отдельно отметить, что только в указанной работе были представлены результаты измерения отношения H/W. В [14] наивысшая прочность соединения листов из нержавеющей мартенситной стали 1Cr11Ni2W2MoV получена при шероховатости контактных поверхностей Ra = 0,43 мкм среди двух вариантов: 0,43 и 0,95 мкм. Как видно из двух последних работ, для определенных условий совместной пластической деформации уменьшение шероховатости контактных поверхностей способствует соединению материалов. Механизм контактного взаимодействия между разнородными материалами при пластической деформации С целью развития теории соединения материалов пластической деформацией и создания новых фундаментальных моделей в предыдущей работе автора [18] была представлена разработанная теоретическая модель совместной пластической деформации разнородных материалов. В модели предполагался контакт двух материалов, один из которых более твердый по отношению к другому. До определенного предела интенсивности напряжений на контакте между материалами более твердый материал допустимо считать недеформируемым. Модель была разработана в плоской постановке, анализ напряжений проводился методом линий скольжения с соответствующими методу допущениями. В модели учитывался поверхностный профиль только твердого материала, так как мягкий материал на первых стадиях активно деформируется и принимает форму более твердого материала. Косвенно это предположение подтверждается в исследовании [10], в котором сделан вывод о большем влиянии шероховатости поверхности твердого материала в сравнении с мягким. Схематично модель соединения изображена на рис. 1 в виде последовательных стадий развития деформации в приконтактных слоях материалов: I стадия – внедрение выступов более твердого материала в мягкий материал. Мягкий материал выдавливается из-под выступов более твердого материала и течет в полости поверхностного профиля твердого материала. Очаги деформации друг с другом не контактируют; II стадия – заполнение полостей на поверхности твердого материала мягким материалом. Очаги деформации в контакте, в центре образуется общий очаг деформации, заполняемый изпод соседних выступов; III стадия – критическая стадия заполнения полостей поверхности твердого материала мягким материалом, течение которого затруднено влиянием соседствующих выступов. Незаполненная часть полости представляет собой остаточную пору на межслойной границе; IV стадия – распространение пластической деформации в глубинные слои мягкого металла за счет подпора, создаваемого на контакте с твердым материалом. Дальнейшее заполнение полостей твердого материала, а также его пластическая деформация возможны только после наклепа основного объема мягкого материала. С точки зрения образования соединения важным является момент и место разрушения поверхностных оксидных пленок. По результатам теоретического анализа, выполненного в [18, 19], были выявлены участки наиболее вероятного разрушения поверхностных оксидных слоев: ● участки мягкого металла под выступами, характеризующиеся большими значениями накопленной пластической деформации Λ и низкими значениями относительного среднего нормального напряжения σ/Т, что означает превалирующую долю сжимающих напряжений (Λ – степень деформации сдвига; σ – среднее напряжение; Т – интенсивность касательных напряжений); ● участки мягкого металла в центре свободной поверхности, характеризующиеся низкими
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 39 TECHNOLOGY Рис. 1. Теоретическая модель пластической деформации разнородных материалов в микромасштабе Fig. 1. Microscale theoretical model of plastic deformation of dissimilar materials значениями накопленной пластической деформации Λ и высокими значениями показателя напряженного состояния σ/Т, соответствующими повышенной доле растягивающих напряжений. В зависимости от профиля поверхности твердого материала, выраженного отношением высоты к ширине основания выступов H/W, значения напряженно-деформированного состояния и объем незаполнения полости варьируются в широком диапазоне [18]. Вследствие указанных ограничений теоретической модели установить расположение места разрушения оксидных пленок и последующей инициации образования мостиков связи между чистыми металлами не представляется возможным. Кроме того, не известно, насколько разработанная теоретическая модель отражает реальное контактное взаимодействие поверхностей разнородных материалов при пластической деформации. В связи с этим в настоящей работе поставлена цель: анализ напряженно-деформированного состояния разнородных материалов при пластической деформации в микромасштабе и установление месторасположения начала разрушения поверхностных оксидных пленок. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы: 1) исследование поверхностных профилей разнородных материалов, соединяемых пластической деформацией; 2) моделирование методом конечных элементов (КЭ) пластической деформации контакт-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 40 ТЕХНОЛОГИЯ ных поверхностей разнородных материалов в микромасштабе; 3) изучение стадий совместной деформации разнородных материалов в микромасштабе и верификация теоретической модели. Методика исследований Объектом исследования являлся процесс совместной деформации алюминиевых сплавов Д16 (сплав серии 2ххх, термически и деформационно упрочняемый) и АМг3 (сплав серии 5ххх, деформационно упрочняемый) [20]. Соединяемые поверхности алюминиевых сплавов перед пластической деформацией подвергались обезжириванию ацетоном, сушке и поверхностной обработке. Механическая обработка поверхности сплавов проводилась по двум крайним вариантам: а) ленточное шлифование лентой с зернистостью Р40 (средняя зернистость); б) ленточное шлифование лентой с зернистостью Р120 (мелкая зернистость). Шлифование выполнялось со скоростью движения ленты 250 м/мин, направление шлифования совпадало с направлением прокатки. Исследование трехмерной топографии и шероховатости выполнено на Veeco Wyko NT1100 Optical Profi ling System. В результате исследования получен массив координатных точек поверхности площадью 1159×756 мкм и параметры шероховатости: средняя шероховатость Ra, среднеквадратичная шероховатость Rq, общая высота профиля шероховатости Rt. Полученный массив координатных точек был использован для создания трехмерной поверхности и трехмерных твердотельных моделей представительных объемов приповерхностных слоев материалов с размерами 1159×756×600 (Д×Ш×В) для КЭ-моделирования в микромасштабе. Сплавы Д16 и АМг3 поставлялись в отожженном (мягком) состоянии. Кривые упрочнения сплавов были построены с использованием кулачкового пластометра ИМАШ УрО РАН, а затем интегрированы в среду Deform3D. Получившееся соотношение сопротивлений деформаций сплавов Ä16 ÀÌã3 σ σ близко к 0,8. В качестве основного инструмента для выполнения исследований выбран пакет КЭмоделирования Deform-3D. С целью экономии вычислительных ресурсов при решении задач были использованы окна плотности с размером КЭ внутри окон 22–23 мкм, снаружи 50 мкм. Перед пластической деформацией представительные объемы материалов сводились к контакту, как показано на рис. 2, с заданными граничными условиями. С целью предотвращения смещения одного представительного объема относительно другого, а также предотвращения потери устойчивости на одной из граней задавалось граничное условие vy = 0 мкм/с. На верхней грани, Рис. 2. Постановка задачи моделирования процесса пластической деформации сплавов АМг3 и Д16 в микромасштабе Fig. 2. Problem statement of microscale simulation of the process of plastic deformation of alloys AMg3 and D16
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 41 TECHNOLOGY Рис. 3. Представительный объем сплава АМг3 с поверхностной обработкой шлифмашиной с лентой зернистости Р40 Fig. 3. Representative volume of AMg3 alloy with surface machined by a grinder with a P40 grit band противоположной поверхности выступов представительного объема материала АМг3, приложена скорость перемещения vz = 150 мкм/с. Под воздействием создаваемого усилия в определенный момент в обоих материалах возникала пластическая деформация. Процесс пластической деформации продолжался до момента достижения максимального значения сопротивления деформации сплава Д16. Результаты и их обсуждение Исследование поверхностных профилей На первом этапе исследования получены твердотельные модели представительных объемов сплавов АМг3 и Д16 после обработки шлифмашиной со шлифовальной лентой зернистости Р40 и Р120. Пример модели для сплава АМг3 после обработки лентой зернистости Р40 представлен на рис. 3. Благодаря выбранному виду поверхностной обработки на всех материалах получен продольный профиль, как показано на рис. 3. В связи с этим моделируемые процессы допустимо рассматривать в контексте сравнения с теоретической моделью в плоской постановке. Созданные твердотельные модели были подвергнуты анализу в отдельных сечениях через шаг 100 мкм с целью установления средних значений фактического отношения высоты к ширине основания выступов H/W или фактического значения ½ctg(α), где α – угол вершины выступа. Пример анализа сечений представительных объемов материалов после разных видов поверхностной обработки показан на рис. 4. Как видно из рис. 4, поверхностный профиль материалов после обработки представляет собой набор хаотически расположенных фигур разной формы и размеров. Исходя из визуального наблюдения наиболее подходящими геометрическими фигурами для описания сечения поверхностных профилей являются треугольники и трапеции. Результаты оценки параметров поверхностных профилей α и H/W сведены в табл. 1. Видно, что один и тот же вид поверхностной обработки создает разные поверхностные профили в зависимости от материала, что связано в первую очередь с прочностными характеристиками и твердостью обрабатываемых материалов. Чем мягче материал (в нашем случае отожженный Д16), тем параметры шероховатости Ra и Rt ниже. Шлифование лентами с разной зернистостью оказало неодинаковое влияние на исследуемые материалы: уменьшение зернистости ленты с Р40 до Р120 привело к уменьшению параметров шероховатости Ra и Rt и уменьшению среднего угла вершины выступов сплава АМг3, в то время как у сплава Д16 отмечено небольшое увеличение параметров шероховатости Ra и Rt и уменьшение среднего угла вершины выступа. Полученные средние углы вершин выступов для всех материалов лежат в диапазоне 40–60°, а отношение высоты выступа к ширине основания H/W – в диапазоне 0,29–0,6. Согласно теоретической модели [18] для полученной геометрии выступов относительная глубина внедрения hl /H должна лежать в диапазоне 0,56–0,64 к моменту начала распространения пластической деформации в объеме мягкого материала, где hl – глубина внедрения выступов твердого материала в мягкий материал. Приведенное нормальное напряжение на контакте материалов σ/k должно лежать в диапазоне от –2,4 до –3,09, где k – сопротивление деформации мягкого материала на сдвиг.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1