Побудовано феноменологічну модель твердості композиційного матеріалу на базі нержавіючих сталей. Досліджено вплив структури та складу дисперсних включень на твердість таких композиційних материалів. Адекватність побудованої моделі перевірено на зразках, виготовлених із нержавіючої сталі Х18Н15, що вміщує 0,6 % вуглецю та 10 - 30 % дисперсних включень карбіду хрому. Побудована модель дозволяє не тільки оцінити армуючий эфект дисперсних включень, але й визначити його як оптимальний.

Роботу присвячено теоретичному визначенню ресурсу пластичності порошкових пористих матеріалів. В основу дослідження покладено припущення, що руйнування може бути ототожнене з втратою стійкості під час пластичного деформування. Прийнято до уваги зміну пористості, зростання деформації твердої фази та еволюція декогезійних характеристик матеріалу. Для траєкторій пропорціонального навантаження визначено напруження відповідно до граничного стану. Підкреслено, що для побудови граничної поверхні використовуються дані лише стосовно поверхні навантаження.

Описано процедуру теоретичного побудування граничної поверхні для пористих матеріалів. Процедура вимагає завдання пористості, механізму деформування твердої фази та декогезійних характеристик. Граничну поверхню визначено для пропорціональних шляхів навантаження. Отримані граничні стани інтерпретовано також у вигляді діаграм пластичності. Встановлено задовільну відповідність теоретичних розрахунків експериментальним результатам для матеріалів на основі порошків ряду чорних та кольорових металів.

Розглянуто поведінку порошкових матеріалів, властивості яких чутливі до третіх інваріантів напружень і швидкостей деформацій. Знайдено тензорно-нелінійні співвідношення між напруженнями та швидкостями деформацій для ізотропного стисливого матеріалу. Сформульовано обмеження на матеріальні параметри моделі, що забезпечують її коректність. У межах розвинутих модельних уявлень одержано оцінки осьового та радіального тиску під час пресування в матриці, що обертається. Встановлено, що трьохінваріантні моделі більш точно описують зниження робочих параметрів у разі збільшення швидкості кручення, ніж моделі, що містять перші два інваріанти.

Виведено в загальному вигляді визначальні рівняння пластичної течії пористих тіл, поведінка яких чутлива до третього інваріанту швидкостей деформацій. Використання мікромеханічного підходу, що включає аналіз поведінки елементарної комірки, а також таких понять, як дисипація енергії та асоційований закон течії, дозволяє одержати структуру макроскопічних визначальних рівнянь у загальному вигляді. Однак, аналіз і використання таких рівнянь викликає утруднення, оскільки співвідношення, що містяться в них, зводяться до еліптичних інтегралів і не можуть бути виражені через елементарні функції. Тому визначальні рівняння загального вигляду є основою для наступного аналізу - визначення нижнього і верхнього граничних наближень для компонентів макроскопічного тензора напруг, а також формулювання макроскопічних умов плинності в зручній і компактній формі.

Наведено нижнє та верхнє граничне наближення для опису стану текучості пористих тіл, поведінка яких чутлива до третього інваріанту швидкостей деформацій. Поряд із пористостю визначальні рівняння містять такий матеріальний параметр, як схильність матеріалу до зміни форми пор. Даний підхід дозволяє розглянути макроскопічні умови текучості в компактній формі, зручній для аналізу та застосування в різних додатках. Зокрема, наведено узагальнення відомих умов пластичності Гурсона і Гріна - Шими. Нижня оцінка узагальнює модель Гурсона, а верхня оцінка - модель Гріна - Шими. Побудовано октаедричні контури поверхні тиску, що узгоджуються з даними експериментальних досліджень сипучих матеріалів і порошкових пористих тіл.

Розглянуто зв'язок теорії консолідації М. Ю. Бальшина з сучасною механікою компактування. Проаналізовано основні принципи М. Ю. Бальшина та сформульовані ним положення теорії пресування порошків. Установлено зв'язок принципу ідентичності з гіпотезою існування репрезентативного елемента, висвітлено один із можливих шляхів визначення його розмірів. Основну увагу приділено гіпотезі суцільності та її застосуванню. Відзначено зв'язок між теорією консолідації та концепцією середньоквадратичних в'язких напружень В. В. Скорохода. Визначено проблеми М. Ю. Бальшина, що можна розв'язати за допомогою концепції середньоквадратичних в'язких напружень. Констатовано відносне вирішення проблеми визначення розподілу густини. Розглянуто проблеми руйнування порошків безпосередньо в матриці. Оцінено внесок вчених Вірменії, Білорусі, Росії та України в становлення сучасної механіки компактування.

Ключ. слова: горячее прессование, моделирование, уплотнение, деформация, пористость, граничная диффузия
Індекс рубрикатора НБУВ: К390.45-1

Рубрики:

Гаряче пресування. Спікання металевих порошків і металокерамічних сумішей

Шифр НБУВ: Ж28502 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Розглянуто особливості використання методів комп'ютерного моделювання для проектування оптимальних за формою та складом імплантатів. Як матеріал ендопротезів суглобів використано наноструктурний біологічно чистий титан і біоактивні керамічні компоненти, одержані на основі гідроксиапатиту. Дослідження базуються на припущенні, що компактна кістка є пружним ортотропним пористим матеріалом. Враховано тертя та нагрівання на ділянці контакту. Задачу розглянуто в термопружній постановці, а її розв'язок дозволяє оптимізувати геометричні характеристики імплантатів та їх склад.

Теоретично досліджено критичний радіус включення, який відповідає моменту відшарування матеріалу пористої матриці від жорсткого вкраплення. Аналіз граничного стану базується на критерії В. В. Скорохода. У розрахунках враховано зміну пористості та накопиченої деформації твердої фази матеріалу за умови пластичного деформування. Показано, що величина досліджених характеристик залежить від концентрації включень та пористості пластичного шару. Одержано залежності нагромадженої деформації твердої фази від пористості.

Розглянуто ретроспективу, сучасний стан і можливі перспективи розвитку основних моделей технологічних процесів порошкової металургії. Особливу увагу приділено реологічній концепції спікання та деформування, а також концепції "середньоквадратичних", які розглянуто як ідейне джерело багатьох існуючих моделей. Розглянуто сучасні узагальнення моделей спікання на випадок анізотропії та фазових перетворень у матеріалі матриці. Моделі пластичної та нелінійно в'язкої течії, які випливають з концепції "середньоквадратичних", порівняно з іншими теоріями течії пористих середовищ. Установлено зв'язок між ними. Розглянуто можливість використання ідей, пов'язаних із згаданими концепціями, під час вирішення актуальних проблем технологій матеріалознавства.

Сформульовано теорію пластичності пористого тіла, що враховує специфіку поведінки порошків у разі пресування. Модель стисливого середовища є однопараметричною, всі функції якої залежать від поточної щільності. Для визначення параметрів моделі використано рівноважну щільність у разі стиску незв'язаних порошкових тіл - таке значення щільності, починаючи з якої подальше деформування не супроводжується об'ємними змінами. Викладено методи визначення матеріальних параметрів моделі.

Запропоновано модифікацію методу скінченних елементів, яка використовує сформульований раніше варіант теорії пластичності пористого тіла та призначена для моделювання процесів пресування порошкових матеріалів. Розглянуто ряд схем пресування виробів із переходом по висоті. Проаналізовано вплив зовнішнього тертя та схеми пресування на перебіг процесу ущільнення. Окремо досліджено схему ущільнення, застосування якої забезпечує одержання порошкових виробів з рівномірним розподілом густини. Одержані теоретичні результати досить близькі до експериментальних даних.

С помощью метода компьютерного моделирования исследован процесс теплого прессования. Использованы соотношения необратимого течения пористых тел и метод конечных элементов. Установлено, что в силу неоднородного распределения температур в объеме прессовки наблюдается радиальное течение порошка. Более нагретый слой материала уплотнялся интенсивнее, чем менее нагретый. Неоднородное распределение температур влияет на величины осевого и радиальных давления. Моделирование процесса прессования ступенчатого изделия сложной формы позволило установить, что неравномерный нагрев может усиливать радиальное течение порошка, что, в свою очередь, способствует выравниванию плотности. Результаты моделирования могут быть использованы для оптимизации процесса теплого прессования порошковых изделий путем выбора специальных схем нагрева заготовки.

Рассмотрено влияние схемы нагружения и условий, ограничивающих макроскопические деформации, на кинетику уплотнения и накопление деформаций в твердой фазе при спекании материалов с бимодальным распределением пор. Установлено, что активное нагружение интенсифицирует уменьшение маленьких пор. При этом наиболее эффективным является сочетание спекания со всесторонним сжатием. В то же время наличие кинематических ограничений (частичное или полное закрепление поверхности) существенно тормозит уменьшение больших пор, обеспечивая тем самым возможность управления пористой структурой.

Предложена теоретическая методика нахождения порога протекания и эффективной проводимости композитов, получаемых на основе полидисперсных порошковых смесей проводящей и изоляционной фаз. Изучено влияние соотношения размеров частиц проводящей и изоляционной фаз на порог протекания и эффективную проводимость в композите. Обсуждены вопросы численного моделирования микроструктуры, эффективных свойств и порога протекания в композитах.

Зазначено, що модель спікання матеріалів із бімодальним розподілом пор формулюється як узагальнення континуальної ізотропної теорії спікання. На відміну від відомих моделей, які містять лише один параметр поведінки - пористість, запропонована модель характеризується двома значеннями пористості для кожного типу пор. Рівняння їх еволюції, а також узагальнені коефіцієнти в'язкості та Лапласівський тиск (потенціал спікання) визначаються шляхом аналізу на комірці.

Розглянуто спікання матеріалів із бімодальним розподілом пор за умов зовнішніх кінематичних обмежень, що роблять неможливим їх макроскопічне деформування. Встановлено, що на відміну від матеріалів, які містять пори лише одного розміру, при спіканні матеріалів із бімодальним розподілом пор за умов, зазначених вище, має місце деформування в межах матричного матеріалу. Доведено, що мономодальна пориста структура за цих же умов не є стійкою у тому розумінні, що малі збурення рівномірного розподілу пор за розмірами можуть призводити до помітного розшарування під час спікання. Оцінено дотичні напруження, що виникають у твердій фазі внаслідок існування двох типів пор.

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.

Исследована деформация порошковых материалов методом винтовой экструзии (ВЭ). Экспериментальные исследования выполнены на образцах порошковой меди. Показано, что ВЭ с противодавлением приводит к интенсивному и достаточно однородному уплотнению порошковых материалов. В частности, относительная плотность заготовок из порошковой меди, деформированных одним проходом ВЭ с противодавлением 200 МПа при комнатной температуре, составила 95 % в центре сечения и 98 % - на ее периферии. Эти данные хорошо соответствуют теоретическому расчету, выполненному в первой части работы, в результате которого были получены следующие значения плотности: 86 - 88 % для центральной области и 98 - 99 % - для периферии.