Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Пленарное заседание

Павловым проведены глубокие исследования по трению при обработке давлением, особенно при

прокатке. Впервые он объяснил, почему коэффициент трения при прокатке с увеличением

скорости снижается, при низких температурах растет, а при высоких – падает. Он впервые

наблюдал, что коэффициент трения может зависеть также от таких параметров, от которых он

зависеть не должен, например, от силы нормального давления на трущихся поверхностях. Это

явление было объяснено значительно позднее Грудевым Алексеем Петровичем. Исследуя трение,

Павлов объяснил причины образования продольных и поперечных трещин в металле при

прокатке, объяснил причину налипания металла на инструмент и исследовал влияние налипания

на коэффициент трения. Совместно с Николаем Николаевичем Гетом им получены

экспериментальные данные по предельным углам захвата при прокатке многих цветных металлов

и сплавов. Эти данные не утратили своей ценности до настоящего времени.

И. М. Павлов совместно с сотрудниками кафедры большое внимание уделял лабораторному

практикуму студентов. Им было заново поставлено несколько лабораторных работ по теории

прокатки и осадки. Никто уже, наверное, не обращает внимания на то, что широко применяемый

теперь метод определения коэффициента трения при прокатке по опережению разработал Игорь

Михайлович во время пребывания в стенах Политехнического института.

Круг интересов Игоря Михайловича был очень широким. Он занимался не только

исследованием самих процессов прокатки, ковки, прессования, но большое внимание уделял

формированию свойств металла при деформации. Он имел собственные взгляды на механизм

пластической деформации, на процессы формирования остаточных напряжений при прокатке.

Совместно с сотрудником кафедры Галлаем Яковым Самойловичем были проведены обширные

исследования по сопротивлению деформации при холодной прокатке цветных сплавов, изучены

ударные характеристики армко-железа, которые привели к конкретным рекомендациям по выбору

технологических параметров для прокатки этих металлов.

Игорь Михайлович Павлов во многом определил направления развитие кафедры

пластической обработки металлов в Политехническом институте. Они были связанны с глубоким

теоретическим исследованием технологических процессов обработки давлением и вскрытием

механизмов формирования конечных свойств металла. Эти направления были бережно сохранены

и развиты в послевоенные годы также выдающими учеными, последователями Игоря

Михайловича Павлова – Василием Сергеевичем Смирновым, Анатолием Константиновичем

Григорьевым и другими. Эти традиции сохранены до сегодняшнего дня.

В настоящее время на кафедре Пластическая обработка металлов СПбГПУ ведутся работы по

следующим направлениям:

развитие теории, технологии и моделирования процессов пластической и термомеханической

обработки металлов и порошковых материалов,

исследование и создание нанотехнологий в металлургии, включающих в себя получение

наноразмерных порошков, наноструктурных материалов и изделий из них, а также изделий и

заготовок из наноструктурированных материалов методами интенсивного пластического

деформирования и термомеханической обработки.

Проводятся исследования в области получения металлических нанопорошков и разработка

технологий их компактирования для получения материалов с особыми эксплуатационными

свойствами, в частности, разработаны и внедрены в промышленность установки и технологии

получения нанопорошковых металлических, керамических и композиционных материалов

методом газофазного синтеза при атмосферном давлении, технологии создания из нанопорошков

материалов и изделий методами порошковой металлургии, включая твердые сплавы,

Пленарное заседание

высокотемпературные композиции на основе вольфрама и молибдена с интерметаллидами

переходных металлов, магнитные сплавы на основе железа и др.

Разработаны теоретические основы и созданы высокоэффективные технологии обработки

компактных и порошковых материалов методами интенсивной пластической деформации и

термомеханической обработки для получения ультрамелкодисперсной и нано структуры в

изделиях из конструкционных, инструментальных и специальных материалов с уникальными

эксплуатационными и физико-механическими характеристиками. В частности с использованием

методов горячего прессования, экструзии и прокатки разработаны технологические процессы

получения из порошковых заготовок в капсулах изделий из инструментальных сталей с

повышенными эксплуатационными характеристиками (стойкость инструмента повышается в

несколько раз), при значительном снижении их стоимости.

На основе результатов исследований особенностей пластического деформирования

малопластичных и хрупких материалов, в том числе редких и рассеянных (бериллия, рения,

кобальта, ниобия, тантала, их сплавов и др.) разработаны теоретические и технологические

основы получения сверхтонких фольг и пленок (толщиной 2-10 мкм) методами интенсивной

пластической деформации. В основе этих технологий лежит возможность создания

ультрамелкозернистой (наноразмерной) структуры в металлах, а также управления ею в процессе

деформирования при помощи термомеханических параметров.

В настоящее время совместно с ОАО "Институт Неорганических Материалов" им. А.А.

Бочвара проводятся работы по получению бериллиевой фольги из нанокристаллического

высокопористого бериллия, полученного по гидридной технологии, что позволяет значительно

снизить хрупкость данного металла.

Разработаны новые ресурсосберегающие технологии регенерации и утилизации отходов

машиностроительного производства на основе процессов порошковой металлургии, в частности

регенерации отходов твердых сплавов на основе карбида вольфрама. При реализации этих

процессов, были разработаны технологии получения композиционных материалов в виде

биметаллических листов, обладающих высокой износостойкостью.

На основе разработанных технологий обработки порошковых материалов созданы изделия,

обладающие уникальными эксплуатационными свойствами, в том числе армированные

композиционные сорбционные элементы, применяемые в системах вакуумно-криогенной техники,

композиционные пористые электроды для источников тока многоцелевого назначения и другие.

С использованием комплекса Gleeble-3800, приобретенного в рамках реализации

инновационной программы по ИОП-2 «МАТЕРИАЛЫ, НАНОМАТЕРИАЛЫ И ХИМИЧЕСКИЕ

ТЕХНОЛОГИИ» на кафедре проводятся комплексные исследования условий получения

ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры при горячей пластической деформации.

Таким образом, традиции, заложенные основателями научной школы в области обработки

давлением Политехнического университета, к которым несомненно относится Игорь Михайлович

Павлов, продолжаются и развиваются.

Пленарное заседание

ЖИЗНЬ И ТВОРЧЕСТВО И.М.ПАВЛОВА

Шелест А.Е.

Россия, Учреждение Российской академии наук

Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН

shelest99@mail.ru

Игорь Михайлович Павлов родился 23 июня 1900 г. в г. Сулине (ныне г. Красный Сулин

Ростовской области). Он был третьим ребенком в семье (на 8 лет моложе брата и на 4 года моложе

сестры). Когда он родился, отец, Михаил Александрович Павлов, работал заведующим доменным

производством на Сулинском заводе. Вскоре вся семья переехала в г.Екатеринослав

(Днепропетровск), где М.А. Павлова занял должность профессора в высшем горном училище. В

своей книге «Воспоминания металлурга» [1] на 215-ой странице он пишет:

«Я постарался уехать из Сулина до морозов, так как летом у меня родился сынишка, и я

боялся везти его в Екатеринослав зимой... Мой маленький сынишка, теперешний профессор-

доктор, был завернут в мех и отлично вынес переезд».

Следует заметить, что цитируемая книга увидела свет в 1943 году, когда автору

исполнилось 80 лет. При чтении книги, написанной очень живым и образным языком, наибольшее

впечатление производит сам автор, обладающий великолепной памятью, всесторонними

инженерными знаниями и умением их рационально применять. Эти качества в полной мере были

унаследованы его младшим сыном. В 1904 году семья Павловых переехала в Петербург, М.А.

Павлов стал профессором политехнического института и деканом металлургического факультета.

Избрав специальность отца, известного металлурга, который позднее стал академиком и

Героем Социалистического труда, И.М. Павлов с отличием окончил Петроградский

политехнический институт. Его учителями были такие выдающиеся ученые, как Е.Л. Николаи

(теоретическая механика), А.Ф. Иоффе (физика), Н.С. Курнаков (физико-химический анализ), Б.Н.

Меншуткин (химия), А.А. Байков (металлургия), В.А. Кистяковский (электрохимия и коррозия

металлов), Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (минералогия и петрография) и др. Получив квалификацию

инженера-металлурга, И.М. Павлов вначале, с 1923 года, работал инженером литейного цеха

завода «Русский дизель», а затем, до 1930 года, мастером литейного цеха, мастером, начальником

прокатных цехов завода «Красный Выборжец». Работу на производстве он с 1926 года совмещает

Игорь Михайлович

ПАВЛОВ

1900-1985 гг

Пленарное заседание

с преподавательской работой в Ленинградском политехническом институте, где в 1933 году

организовал и возглавил кафедру технологии обработки цветных металлов и сплавов.

Деятельность И.М. Павлова в институте в качестве профессора и заведующего кафедрой

продолжалась до 1942 года, когда после первой блокадной зимы, пережитой в Ленинграде, он был

эвакуирован на Урал, где в 1942-43 гг. работал главным металлургом завода по обработке цветных

металлов в г. Верхняя Салда Свердловской области. Основное оборудование этого завода было

вывезено с «Красного Выборжца» и было хорошо знакомо И.М. Здесь в труднейших условиях

военного времени им велась большая работа по налаживанию производства продукции

оборонного назначения.

Преподавательскую деятельность в высшей школе И.М. Павлов возобновил в 1943 году,

возглавив кафедру технологии и автоматизации прокатного производства в Московском институте

стали. В 1946 году он был избран членом-корреспондентом АН СССР. С 1953 года И.М. Павлов

совмещал руководство кафедрой с заведованием лабораторией пластической деформации

металлических материалов Института металлургии им. А.А. Байкова АН СССР, где и проработал

до своей кончины 19 октября 1985 года.

В самом начале творческого пути И.М. Павлова интересовали примерно в равной степени

проблемы и литья и обработки давлением. Об этом можно судить по его публикациям в 1926-27

гг. Вот названия первых статей: «Накопление примесей при повторных плавках», «Шихта с

компонентами непостоянного состава», «К вопросам калибровки углового железа», «Прокатка,

волочение и выдавливание металлов в связи с теорией образования трещин». В них был отражен

большой опыт практической работы непосредственно на производстве. Автором этих больших по

объему и глубоких по содержанию статей был по существу молодой специалист, обладающий не

только обширными знаниями, но и редкой способностью к аналитическому восприятию сложных

процессов со стремлением выделения в них главных решающих факторов и установления связей

между ними. Собственно в этом состоял его методологический подход к решению научно-

технических задач, включающий гармоничное сочетание элементов анализа и синтеза.

Постепенно проблемы обработки металлов давлением начинают превалировать над

проблемами литья и, начиная с 1933 года, И.М. Павлов отдает себя полностью обработке металлов

давлением и, в частности, теории прокатки. Уже вскоре результаты его оригинальных

исследований были обобщены в монографии [2].

К числу оригинальных разработок И.М. Павлова в области теории обработки металлов

давлением можно отнести: - новое истолкование понятия трения, существенно дополняющее

укоренившиеся классические представления; - метод определения результирующих сил по

проекциям контактной поверхности; - обобщенный вывод типовых формул работы деформации; -

выявление и анализ действия «геометрического фактора деформации»; - установление

несовершенства обычных диаграмм рекристаллизации и предложение «истинных диаграмм»; -

обобщение явлений неоднородности деформации, вызываемых формой инструмента и тела,

физической неоднородностью материала и условиями контактного трения; - установление нового

понятия «внеконтактной деформации» и фундаментального правила «замкнутых контуров»; -

анализ основных соотношений в процессах формоизменения с помощью «гиперболического

параболоида деформации».

Соотношения между высотной (H/h), продольной (L

) и поперечной (B

)

деформациями в общем виде определяются законом постоянства объема, а при постоянстве

высотной деформации связью между продольной и поперечной деформациями служит уравнение

равнобокой гиперболы (рис. 1). И.М. Павлов показал, что все виды, формы и отдельные случаи

деформации при условии H/h = const укладываются только на данной гиперболе в виде отдельных

Пленарное заседание

ее участков или точек. Учитывая эти свойства рассматриваемой гиперболы, он назвал ее

«гиперболой деформации». На гиперболе деформации две точки (L

= 1 и B

= 1)

соответствуют схеме сдвига (D

), интервал между ними - схеме сжатия (D

), а внешние по

отношению к этим точкам ветви гиперболы - схеме растяжения (D

III

Аналогичным образом И.М. Павлов определил положение различных технологических

процессов обработки металлов давлением (ОМД) на гиперболе деформации. Далее анализ

продольной и поперечной деформации он дополнил введением переменной величины высотной

деформации и в итоге пришел к криволинейной трехмерной поверхности, названной им

«гиперболический параболоид деформации» [2].

Рис. 1. Гипербола деформации и расположение на ней процессов,

идущих по различным схемам деформации (D

, D

III

)

Большое внимание в работах И.М. Павлова уделено неравномерности деформации при

обработке металлов давлением, поскольку он считал ее первоосновой многих важных явлений,

сопровождающих процессы формоизменения. Обращение к данной теме содержится в уже

упоминавшейся одной из первых публикаций, посвященной теории образования трещин [4].

Исследованию этой проблемы была посвящена его докторская диссертация на тему «Продольная

деформация при прокатке», успешно защищенная в 1938 году. Тесная связь качества

полуфабрикатов с условиями деформации, в частности, с ее неравномерностью, прослеживается

во всех монографиях И.М. Павлова [2, 5-7] . Им предложена наиболее полная классификация

причин, приводящих к неравномерности деформации, к числу которых относятся:

- трение по поверхности соприкосновения рабочего инструмента и деформируемого тела;

- особый характер приложения деформирующих сил (сосредоточенные и распределенные

нагрузки, изгиб и пр.), наличие остаточных напряжений в теле;

форма рабочего инструмента;

- форма тела перед деформацией;

- неоднородность свойств обрабатываемого металла (химический состав, структура,

анизотропия, температура, наклеп и пр.).

И.М. Павлов при этом подчеркивал, что на практике чаще всего указанные причины возникают не

изолировано, а в том или ином сочетании [7].

Прямое следствие неравномерности деформации - наличие остаточных напряжений I - III

рода, которые не только определяют качество полученного продукта, но и, складываясь с

Пленарное заседание

активными напряжениями, направленными на формоизменение, могут привести к различного вида

разрушениям при или после обработки, а также вызвать искажение формы тела. И.М. Павловым

предложены способы расчета и экспериментального определения остаточных напряжений в теле в

зависимости от масштабов их проявления.

В тесной связи с неравномерностью деформации находится теория «жестких концов»,

предложенная И.М.Павловым и основывающаяся на положении о существовании связи и

взаимодействия между внешними частями тела и непосредственно деформируемой его массой [4].

С позиций указанной теории проведен анализ условий образования трещин на движущемся

деформируемом теле, способствующий пониманию сущности самих процессов обработки

металлов давлением. Позднее было показано, что «жесткие концы» оказывают существенное

влияние на геометрические, скоростные и силовые условия в очаге деформации, разделяя процесс

обработки на три основные стадии: начальную стадию, стадию установившегося процесса и

завершающую стадию. Роль «жестких концов» в конечном итоге заключается в формировании

ими граничных условий на поверхностях, ограничивающих очаг деформации. Придавая

решающее значение этой функции «жестких концов», И.М.Павлов в дальнейшем предложил

использовать наряду с традиционным новое понятие – «внеконтактная область деформации» [7,8].

Наибольший вклад внес И.М. Павлов в теорию процесса прокатки. В качестве самых

существенных разработок в этой области можно отметить следующие: - оригинальный вывод

соотношений для характеристических углов (угол касания, угол трения и нейтральный угол) с

учетом неравномерности сил трения и трехмерной геометрией очага деформации; - теория

жестких концов», основывающаяся на положении о существовании связи и взаимодействия

между внешними и деформируемыми частями полосы и формулирующая граничные условия на

поверхностях, ограничивающих очаг деформации; - первая научная классификация процессов

прокатки с выделением и всесторонним анализом типовых случаев, в частности, процесса

асимметричной прокатки; - выявление глубокого внутреннего противоречия между условиями

захвата и установившегося процесса прокатки, порождающего резерв трения, который определяет

все скоростные и силовые соотношения процесса прокатки.

Упомянутые выше характеристические углы (угол касания α, угол трения β и

критический угол γ) играют решающую роль в теории продольной прокатки. В 1927 году

С.Экелунд установил связь между этими углами в виде соотношения:

sinγ = [cos(β - α) - cosβ] / 2sinβ, (1)

полученного при упрощенных условиях процесса. Спустя 5 лет И.М. Павлов опубликовал свое

оригинальное соотношение

sinγ = [sin(α/2) ⋅ sin(β-α/2)] / sinβ, (2)

установленное аналитически и графически для процесса плоской прокатки [9]. Последнее

соотношение было приведено автором к более простой форме:

γ = (α/2) ⋅ (1 - α/2β). (3)

К анализу связи между характеристическими углами И.М. Павлов обращался неоднократно. В

1947 году он опубликовал статью о равновесии сил при прокатке с уширением [10], в которой с

учетом трехмерной геометрии очага деформации зависимость (3) приобрела следующий вид:

γ =

(α/2) ⋅ [1 - С

(α/2β)], (4)

где коэффициенты С

, С

и С

были призваны отразить влияние уширения. Позднее, на основании

глубокого анализа равновесия сил в очаге деформации при прокатке с учетом условий захвата и

неравномерности сил трения И.М. Павлов, сохраняя структуру соотношения (4), в 1962 году

доопределил физический смысл упомянутых коэффициентов и показал, что коэффициент С

отражает изменение относительного значения сил трения в зонах отставания и опережения; С

Пленарное заседание

изменение величины равнодействующей R сил, направленных нормально к поверхности валков,

относительно силы трения в зоне отставания; С

- изменение положения силы R [11]. Им была

предложена диаграмма для определения С

, С

и С

(рис. 2).

Так, последовательно, постепенно отходя от упрощенной схемы и приближаясь к

условиям реального процесса, И.М. Павлов анализировал основное соотношение теории прокатки,

регулярно возвращаясь к нему в течение 3-х десятилетий. Такое постоянство в стремлении к

совершенству является ценным качеством. Следует подчеркнуть, что проделанный И.М. анализ

равновесия сил, опирающийся на интегрированные показатели, не утратил своей актуальности и

был подтвержден результатами последующих многочисленных исследований.

Рис. 2. Диаграмма для определения коэффициентов С

, С

и С

в зависимости

от В

/В

при различных относительных значениях критического угла γ/α

В творчестве И.М.Павлова большое место занимали экспериментальные исследования, так как он

считал, что критерием истины является результат прямого эксперимента. И нужно отдать

И.М.Павлову должное - он был неистощимым источником идей новых экспериментов и новых

методик. При этом он всегда следил за тем, чтобы в экспериментах использовались современные

образцы аппаратуры и измерительной техники - месдозы с различными типами датчиков,

усилители постоянного тока, катодные и шлейфные осциллографы, инструментальные

микроскопы, поляризационно-оптические установки и т.п. К числу предложенных им устройств и

методов относятся: - клещевой прибор для определения усилия трения при прокатке; - метод

определения коэффициента трения по опережению; - способ экстраполяции кривых

сопротивления деформации с целью определения данной характеристики в условиях отсутствия

трения; - электроконтактный измеритель скорости металла; - сплошной и разрезной валковые

торсиометры; - метод определения минимальной длины «жестких концов» по кривым полного

Пленарное заседание

давления; - метод вращающихся подшипников для измерения чистого момента прокатки; - способ

моделирования действия различных дефектов в металле как концентраторов напряжений и многие

другие.

В качестве примера применения оригинальной и простой методики можно привести

выполненное И.М. Павловым и Н.Н. Гетом исследование зависимости коэффициента внешнего

трения от среднего давления при холодной прокатке [12] (рис. 3). По предложению И.М. были

изготовлены составные образцы с комбинированием оболочки и сердечника из разных металлов,

при этом оставались неизменными материалы пары трения и одновременно в широких пределах

варьировались средние давления. С помощью таких образцов были получены уникальные данные,

а сама схема эксперимента стала классической.

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения при прокатке от среднего давления для

различных поверхностей: а – смазанные валки; б – сухие валки; 1 – алюминиевая

оболочка; 2 – медная; 3 – железная; 4 – латунная

Вопросам внешнего трения в процессах обработки металлов давлением, вообще и в

процессе прокатки, в частности, И.М. Павлов постоянно уделял большое внимание. Определялось

это тем, что с напряжениями трения тесно связаны силовые, деформационные и скоростные

условия процесса прокатки. Уже упоминаемый клещевой прибор был одним из первых устройств,

предложенных И.М. Павловым для определения усилия трения между валками и полосой в

условиях торможения [13] (рис. 4). Первые результаты исследования трения при прокатке были

обобщены в монографии [14].

Рис. 4. Клещевой прибор И.М.Павлова для определения коэффициента трения

при прокатке (1 – клещевой захват; 2 – месдоза)

Пленарное заседание

Понимая, что с помощью клещевого прибора могут быть измерены только интегральные

значения усилия трения и общего давления металла на валки, позднее по предложению И.М.

Павловым были изготовлены валковые торсиометры различной конструкции, наиболее

совершенным из которых явился валковый торсиометр с разрезом [15] (рис. 5). В этом случае

появляется возможность прямого измерения напряжений трения и построения эпюры их

распределения по длине очага деформации.

Новаторским было предложение И.М.Павлова исключения потерь на трение в

подшипниках с целью проверки аналитических соотношений для расчета чистого момента

прокатки, что имеет важное теоретическое и практическое значение. На базе стана дуо 300 было

создано сложное механическое устройство с вращающимися подшипниками, приводимыми во

вращение от дополнительного электродвигателя [16] (рис. 6). Проектирование этого устройства

было выполнено Н.П.Ганиным, который для точной синхронизации угловых скоростей валков и

подшипников предусмотрел в цепи питания дополнительного электродвигателя установку

трехфазного жидкостного реостата. Аналогичные усовершенствования во времени были присущи

многим другим экспериментальным методам, предложенным И.М. для исследования основных

параметров процессов обработки металлов давлением.

Рис. 5. Схема составного (с разрезом) валкового торсиометра

(1 – подвижная часть; 2 – место разреза; 3 – месдоза; 4 - упор)

Рис. 6. Схема прокатного стана с подшипниками,

приводимыми во вращение от самостоятельного двигателя

Пленарное заседание

Научная школа И.М. Павлова отличается комплексным анализом процессов и явлений в

обработке металлов давлением, объединяющим подходы различных научных дисциплин и методы

теоретического и экспериментального (или физического) моделирования. Им подготовлено свыше

100 кандидатов наук и около 20 докторов наук; многие видные ученые, среди которых профессора

Р.М. Голубчик, Г.Г. Григорян, А.П. Коликов, В.Я. Осадчий, В.П. Полухин, Ф.С. Сейдалиев, В.Н.

Чернышев не без оснований считают себя его учениками. И.М.Павлов пользовался большим

уважением среди коллег. Наглядной демонстрацией благодарности учеников и уважения среди

коллег может служить собрание монографий и других изданий, которое он хранил в лаборатории

ИМЕТ, и большинство книг было подарено авторами с автографами. На рис. 7 приведено два

примера таких изданий с автографами В.П.Полухина и М.З.Ерманка.

К 75-летию И.М.Павлова его ученики сделали оригинальный подарок – перекидной

календарь на каждой странице которого помещалась фамилия ученика, защитившего под его

руководством или при консультации кандидатские и докторские диссертации. Хорошо видно на

рис. 8, что в этом календаре довольно много страниц.

Рис. 7. Автографы В.П.Полухина и М.З.Ерманка на книгах, подаренных И.М.Павлову