ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия:

Ю. Н. Логинов, профессор кафедры обработки металлов давлением, докт. техн. наук, эл. почта: j.n.loginov@urfu.ru

Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия:
Ю. В. Замараева, и. о. мл. науч. сотрудника лаборатории прочности, эл. почта: zamaraevajulia@yandex.ru
Б. И. Каменецкий, ведущий науч. сотрудник лаборатории прочности, канд. техн. наук, эл. почта: kamenetski@imp.uran.ru

Проведена оценка влияния подпора со стороны оболочки на напряженное состояние при осадке заготовки из литого магния. Работа включает экспериментальную и расчетную части. В экспериментальной части представлены результаты опыта по осадке цилиндрической заготовки из магния марки МГ90 с помощью вертикального пресса марки ДБ 2240 номинальным усилием 10 МН в двух вариантах: с использованием оболочки и без нее. Конфигурация сборки предусматривает наличие оболочки, высота которой превышает высоту заготовки. В образовавшиеся полости были помещены пуансоны. При воздействии на пуансоны усилия пресса высота цилиндрической заготовки уменьшалась, а диаметр увеличивался. В результате диаметр оболочки также увеличивался, и создавалось противодействие изменению формы заготовки. Между заготовкой и оболочкой возникали напряжения сжатия, что позволило достичь относительного обжатия 24 % (логарифмическая степень деформации 0,27). При этом следы разрушения не обнаружены. Для сравнения цилиндрическую заготовку из того же магния осаживали без подпора на том же прессе. Уже при относительном обжатии 6 % (логарифмическая степень деформации 0,06) появились трещины как на торцах, так и на боковой поверхности заготовок. Таким образом, эксперимент показал, что наличие оболочки позволяет увеличить степень деформации до разрушения минимум в 4,5 раза. Для оценки напряженно-деформированного состояния применили метод конечных элементов, реализованный в программном модуле DEFORM-3D. Постановка задачи включала в себя описание геометрии очага деформации в исходном состоянии, описание физических и пластических свойств на основе справочных данных, задание граничных условий в перемещениях. Показатель трения по Зибелю в процессе равен 0,2, что соответствует применению смазки, как это было описано в экспериментальной части работы. Упругие и пластические свойства материалов заданы в соответствии с интерфейсом программы. Применение компьютерного моделирования позволило получить визуальное представление о перемещениях металла и распределении деформации на всем протяжении цикла осадки. При переходе к материалу цилиндрической заготовки наблюдается увеличение по модулю значений радиальных напряжений вплоть до уровня –330 МПа. Средние напряжения показаны для варианта как с оболочкой, так и без нее. В случае применения оболочки выявлены зоны с высоким по модулю уровнем средних напряжений — до –390 МПа. В варианте осадки без оболочки максимальное по модулю значение средних напряжений равно –110 МПа, что в 3,5 раза ниже, чем в предыдущем варианте. Наиболее высокий уровень деформации получен в зонах примыкания кромок заготовки к пуансонам. Степень деформации по объему заготовки может достигать значения 0,6. Отмечено, что зоны концентрации повышенных деформаций совпадают с зонами повышенных по модулю средних напряжений, что снижает вероятность разрушения. Экспериментальные и расчетные данные подтвердили возможность изменения напряженного состояния заготовки в процессе осадки за счет подпора со стороны оболочки. В результате повышен уровень напряжений сжатия и показана возможность деформации литого магния в холодном состоянии.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке постановления № 211 Правительства Российской Федерации, контракт № 02.A03.21.0006 и в рамках государственного задания по теме «Давление» № АААА-А18-118020190104-3 и проекту № 18-10-2-24 Программы УрО РАН.

1. Musfirah A. H., Jaharah A. G. Magnesium and aluminum alloys in automotive industry // Journal of Applied Sciences Research. 2012. Vol. 8. No. 10. P. 4865–4875.
2. Буркин С. П., Бабайлов Н. А., Овсянников Б. В. Сопротивление деформации сплавов Al и Mg : Справочное пособие. — Екатеринбург : УрФУ, 2010. — 344 с.
3. Alaneme K. K., Okotete E. A. Enhancing plastic deformability of Mg and its alloys — A review of traditional and nascent developments // Journal of Magnesium and Alloys. 2017. Vol. 5, Iss. 4. P. 460–475.
4. Jia J., Xu Y., Yang Y., Chen C., Liu W., Hu L., Luo J. Microstructure evolution of an AZ91D magnesium alloy subjected to intense plastic straining // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 721. P. 347–362. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.06.009.
5. Ahmad R., Yin B., Wu Z., Curtin W. A. Designing high ductility in magnesium alloys // Acta Materialia. 2019. Vol. 172. P. 161–184. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.04.019.
6. Proust G. Processing magnesium at room temperature // Science. 2019. Vol. 364, Iss. 6448. P. 30–31. DOI: 10.1126/science.aax9732.
7. Бриджмен П. У. Исследования больших пластических деформаций и разрыва: влияние высокого гидростатического давления на механические свойства материалов; пер. с англ. — 2-е изд., испр. — М. : Либроком, 2010. — 446 с.
8. Loginov Yu. N, Volkov A. Yu., Kamenetskii B. I. Analysis of the scheme of nonequal channel angular pressing as applied to the formation of sheet magnesium in a cold state // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2019. Vol. 60, Iss. 2. P. 146–151.
9. Volkov A. Yu., Kliukin I. V. Improving the mechanical properties of pure magnesium through cold hydrostatic extrusion and lowtemperature annealing // Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 627. P. 56–60.
10. Tork N. B., Pardis N., Ebrahimi R. Investigation on the feasibility of room temperature plastic deformation of pure magnesium by simple shear extrusion process // Materials Science and Engineering A. 2013. Vol. 560. P. 34–39.
11. Каменецкий Б. И., Логинов Ю. Н. Угловое прессование листовой заготовки магния из круглого слитка // Цветные металлы. 2018. № 9. С. 77–81.
12. Воронцов А. Л. Осадка малопластичных материалов в оболочках // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2007. № 7. С. 1–11.
13. Бача Й., Чаус А. С. Влияние пластической деформации на структуру и свойства чугуна с шаровидным графитом // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 5. С. 11–14.
14. Каменецкий Б. И., Логинов Ю. Н., Волков А. Ю. Методы и устройства для повышения пластичности хрупких материалов при холодной осадке с боковым подпором // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 9. С. 15–22.
15. Byoung Ho Lee, Sung Hyuk Park, Seong-Gu Hong, Kyung-Tae Park, Chong Soo Lee. Role of initial texture on the plastic anisotropy of Mg–3Al–1Zn alloy at various temperatures. Materials Science and Engineering A. 2011. Vol. 528. P. 1162–1172.

16. Rodriguez A. K., Ayoub G. A., Mansoor B., Benzerga A. A. Effect of strain rate and temperature on fracture of magnesium alloy AZ31B. Acta Materialia. 2016. Vol. 112. P. 194–208.
17. Комкова Д. А., Волков А. Ю. Структура и текстура магния после низкотемпературной мегапластической деформации // Вектор науки ТГУ. 2017. № 3. С. 70–75.
18. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением : справочник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Металлургия, 1973. — 224 с.
19. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. — Екатеринбург : УГТУ – УПИ. 2001. — 836 с.