Журнал - Вісник Донбаської державної машинобудівної академії 2010 №1 (6Е)

Подождите немного. Документ загружается.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЁНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Агулов А. В., Гончаров А. А., Гончарова С. А., Богданова Т. Л., Петухов В. В.

Проведен анализ формирования плёночных покрытий на основе нитридов, карбидов

и боридов переходных металлов в зависимости от условий получения. Выявлены общие за-

кономерности синтеза тонких плёнок данного класса соединений – формирование аксиаль-

ной текстуры и столбчатой структуры. Проведен анализ физико-механических характери-

стик нитридов, карбидов и боридов переходных металлов в зависимости от их структурного

состояния. Показана зависимость получаемой структуры от условий осаждения покрытий,

а также взаимосвязь между структурой покрытия и его физико-механическими характери-

стиками.

Проведено аналіз формування плівкових покриттів на основі нітридів, карбідів та бо-

ридів перехідних металів в залежності від умов отримання. Виявлені загальні закономірності

синтезу тонких плівок даного класу сполук – формування аксіальної текстури та стовбчастої

структури. Проведено аналіз фізико-механічні характеристики нітридів, карбідів та боридів

перехідних металів в залежності від їх структурного стану. Показана залежність отриманої

структури від умов осадження покриттів, а також взаємозв’язок між структурою покриття та

його фізико-механічними характеристиками.

In the present work the analysis of formation of film coverings on the basis of nitrides,

carbides and borides of transitional metals depending on obtaining conditions was carried out.

General conformities to the law of synthesis of thin-films of this class of connections – forming

of axial texture and columnar structure are bound out. The analysis of physic-mechanical de-

scriptions of nitrides, carbides and borides of transitional metals depending on their structural

state was made. Dependence of the structure received on the terms of besieging of covering, and

also interconnection between the structure of covering and its physic-mechanical characteristics

is shown.

Агулов А. В. аспирант ДГМА

tm@dgma.donetsk.ua

Гончаров А. А. канд. физ-мат. наук, доц. кафедры ПМ ДГМА

Гончарова С. А. канд. хим. наук, доц. кафедры ХиОТ ДГМА

Богданова Т. Л. канд. пед. наук, ст. преп. кафедры физики ДГМА

Петухов В. В. канд. физ-мат. наук, ст. преп. кафедры физики ДГМА

ДГМА – Донбасская государственная машиностроительная академия

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 620.198

Агулов А. В., Гончаров А. А., Гончарова С. А., Богданова Т. Л., Петухов В. В.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЁНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ТУГОПЛАВКИХ

СОЕДИНЕНИЙ

Плёнки тугоплавких соединений, т. е. карбидов, нитридов и боридов переходных ме-

таллов III–IV групп периодической системы, а также алмазоподобные плёнки в настоящее

время активно исследуются благодаря их высоким физико-механическим характеристикам.

Применение данных плёнок в инструментальной промышленности и в электронике стимули-

ровало изучение особенностей их синтеза и формирования структуры и свойств.

Особенности

синтеза плёночных покрытий твёрдых и сверхтвёрдых материалов про-

являются в зависимости формируемой структуры и соответственно свойств плёнок (твёрдо-

сти, модуля упругости, электросопротивления) от энергии падающих ионов, независимо от

метода получения (вакуумно-дуговой метод, ВЧ и ПТ – магнетронные методы).

При этом возникали сильные сжимающие напряжения, которые наблюдали авторы

для плёнок карбидов [1–7], нитридов [3–6] и боридов [8–13] переходных металлов, что сви-

детельствует о возникновении областей, в которых реализуются высокие плотности энергии,

способные повлиять на процессы структурной перестройки в формируемой области.

Анализируя результаты, полученные для данного класса соединений можно сделать

вывод, что наиболее исследованными являются плёнки карбидов и нитридов переходных ме-

таллов (особенно TiС, WC и TiN, WN). При

этом практически не исследованы процессы

формирования плёночных покрытий боридных плёнок.

Цель данной работы – выявить общие закономерности, происходящие при формиро-

вании плёночных покрытий тугоплавких соединений.

Анализ литературных данных показал, что для данного класса соединений имеют ме-

сто общие закономерности их формирования в плёночном состоянии: это наличие сильных

сжимающих остаточных макронапряжений, и формирование волокнистой столбчатой струк-

туры (рис. 1), а также текстуры роста (рис. 2). Причём, для плёнок карбидов и нитридов пе-

реходных металлов имеют место два возможных направления роста <111> и <100>, для ди-

боридов переходных металлов таковым является <0001>. Данные особенности формирова-

ния плёночных соединений определяются их структурными особенностями, которые зависят

от условий получения синтезируемых плёнок.

В рассматриваемых плёнках нитридов и карбидов переходных металлов эта особен-

ность проявляется в образовании структуры NaCl с преимущественной ориентацией и фор-

мированием столбчатой структуры.

В работе [8] исследовались влияние толщины плёнки и парциального давления азота

при распылении мишени ТiN. Увеличение толщины плёнки приводило к изменению ориен-

тации текстуры от <200> до <111>, повышение парциального

давления азота приводило

к противоположному изменению ориентации, при этом уменьшались остаточные сжимаю-

щие напряжения.

В работе [10] изучено влияние давления азота, температуры подложки и её потенциа-

ла на структурные и механические свойства покрытий. Показано, что фазовый состав опре-

деляется давлением азота при конденсации, в то время как напряжение смещения на под-

ложке

и ее температура Т

оказывают существенное влияние на стехиометрию и форми-

рование текстуры. Установлено, что при определённых сочетаниях условий осаждения, мо-

гут быть получены покрытия близкие к стехиометрической фазе CrN с текстурой роста (200)

и микротвёрдостью до 22 ГПа. Кроме того, замечено наличие значительной кристаллографи-

ческой анизотропии в параметрах деформации решётки для достехиометрического и стехио-

метрического нитрида титана [11].

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Рис. 1. Поверхность излома пленки

TiN, полученной методом магнитронного

нереактивного распыления в постоянном

токе (МНРПТ)

Рис. 2. Излом плёнки со столбчатой

структурой TaB

В некоторых случаях [6] при формировании неоднородных твёрдых растворов Ti

1-x

авторы наблюдали покрытия с текстурой (200) и (111), что можно считать подтверждением

того, что замена металла в нитридах переходных металлов не приводит к серьёзным струк-

турным изменениям, а зависит от связи N–N.

Итак, анализируя приведенные результаты исследований нитридов переходных ме-

таллов можно сделать вывод, что со структурой NaCl формируются покрытия преимущест-

венно с текстурой роста (111) либо (200), либо и той и другой [8], при этом они имеют

столбчатую (волокнистую) структуру, и высокие остаточные напряжения. Не вызывает со-

мнений, что особенности формирования структуры плёнок нитридов переходных металлов

зависит от энергетических условий формирования покрытий, что определяет в итоге соот-

ношение химических связей в соединении, и как следствие их физико-механические харак-

теристики.

Плёнки, обладающие данной структурой, как показывают литературные данные,

имеют более высокие физико-механические характеристики, по сравнению с плёнками тако-

вой структурой не обладающие.

В работе [14] проведены исследования и сравнительный анализ формирования нитри-

дов и карбидов Ti, Al, Zr. Показано, что нитриды и карбиды Ti, Zr и Al имеющие структуру

NaCl формируются преимущественно плоскостью (111). На

рис. 3 изображены дифракто-

граммы карбида титана, на которых наблюдаются различные дифракционные пики в зависи-

мости от подаваемого в камеру газа. На дифрактограмме видно два растущих пика (220)

и (111). Когда же в рабочую камеру подается СН

, то наблюдается следующая картина: пик

(111) становится преимущественным, дифракционный пик (220) остаётся без изменений,

и начинает расти пик (200), что свидетельствует о том, что преимущественная ориентация

формируется в зависимости не только температуры, а также и от парциального давления уг-

лерода в реакционной газовой смеси находящейся в рабочей камере.

Так же на рис. 4 можно наблюдать величину дифракционного пика в зависимости от

силы тока для (Ti,Al)N: на верхнем рисунке отчётливо виден преимущественный пик (111)

для нитрида титана, и небольшой пик (220). Данная дифрактограмма снята при I = 90 A. Из

второго рисунка видно, что при снижении силы тока до I = 50 A величина пика (111) снижает-

ся и пик (220) и вовсе пропадает, что свидетельствует о зависимости ориентации от силы тока.

Из результатов, изложенных в работе [14] следует, что наноструктурные плёнки

с преимущественной ориентацией формируются при определённых энергетических услови-

ях. Если условия не выполняются, то формируются нанокристаллические плёнки, не имею-

щие текстуры и столбчатой структуры.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Рис. 3. Дифрактограммы плёнки карбида

титана 0 см:

1 – C

; 2 – CH

Рис. 4. Дифрактограмма плёнок (Ti, Al)N:

1 – I

= 90 A; 2 – I

= 90 A

Проанализировав два случая изменения дифракционных пиков для карбида титана

и нитрида титана, можно сделать вывод о подобии физических процессов формировании

нитридов и карбидов переходных металлов.

В монографии [15] подробно исследовано влияние условий синтеза (смесь газов, тем-

пература подложки и влияние легирующего элемента) на формирование структуры карбидов

переходных металлов. На рис. 5 показано влияние легирующих элементов на формирование

структуры. Дифрактограмма показывает, что преимущественная ориентация (111) при уве-

личении содержания легирующих элементов переходит в структуру (200), но не линейно:

данный процесс достигает своего максимума при х = 0,51 содержания легирующего элемента.

При формировании плёнок диборидов переходных металлов (TiB

, CrB

, TаB

, VB

HfB

и др.) замечено, что наиболее характерной морфологической особенностью, является

столбчатая структура, с текстурой роста плоскостью (00.1) [12, 13] (рис. 6). При этом степень

текстуры в работах разных авторов изменялась очень существенно, что указывало на разли-

чие условий получения плёнок.

Рис. 5. Дифрактограмма плёнок

с различным содержанием легирующих

элементов

Рис. 6. Дифрактограмма плёнки HfB

Интерес к формированию текстуры (00.1) для плёнок диборидов переходных метал-

лов обусловлен тем, что плёнки, имеющие такую текстуру и столбчатую структуру, по своим

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

физико-механическим характеристикам превосходят, как правило, аналогичные плёнки, та-

ковой структурой не обладающие. Данный факт для плёнок TiB

был отмечен H. Hollеck ещё

в 1986 году [14].

Например, для плёнок TiB

, имеющего столбчатую структуру и текстуру (00.1), полу-

чена твёрдость ~70 ГПа, что в 2 раза выше, чем для массивного состояния (~ 33,7 ГПа) [16].

Кроме того, авторы [16] исследуют влияние степени текстуры (по плоскости (00.1)) на твёр-

дость полученных плёнок. Значения твёрдости изменялись от 59 до 77 GPa и имели макси-

мальное значение у плёнок с более совершенной текстурой.

На наш взгляд, полученные значения являются несколько завышенными, однако каче-

ственно они совпадают с данными других авторов. В работе [1] авторы обращали внимание

на формирование слабо выраженной столбчатой структуры в плёнках TiB

, без образования

текстуры (00.1). При этом твёрдость плёнок была достаточно высокая и составляла

~ 35 ÷ 40 ГПа при модуле упругости 350 ÷ 400 ГПа, однако ниже чем для сильно текстуриро-

ванных плёнок. Это можно объяснить составом плёнок, которые, по данным Оже-анализа

содержали довольно много примесей азота, кислорода и углерода. Влияние азота в рабочей

смеси для CrB

и для TаB

приводило к исчезновению аксиальной текстуры (00.1) и к обра-

зованию многофазной плёнки МеВ

и BN. Сравнительный анализ плёнок, имеющих столбча-

тую структуру и текстуру (00.1) с аморфными плёнками, показал, что столбчатые нанострук-

турные плёнки имеют значения твёрдости и модуля упругости в 1,5 ÷ 2 раза выше, чем плен-

ки, не имеющие такой ориентации.

В ряде работ был проведен сравнительный анализ, который показал, что для плёнок

TiB

, имеющих столбчатую структуру и текстуру (00.1), значения твёрдости имели величину

~ 33 ÷ 36 ГПа при модуле упругости 330 ÷ 365 ГПа против 20,1 ГПа и 126 ГПа, соответст-

венно, для плёнок в аморфном состоянии. Другие авторы [13] для квазибинарной системы

Ti–W–B показали, что наибольшие значения твёрдости и модуля упругости проявили плён-

ки, имеющие столбчатую структуру и текстуру (00.1) 37,9 ГПа и 317 ГПа против 27,3 ГПа

и 291 ГПа, для наноструктурных нетекстурированных плёнок. В продолжение работы был

проведен сравнительный анализ структурных данных с результатами исследования твёрдо-

сти и модуля упругости полученных плёнок методом наноиндентирования [15]. Результаты

показали, что при повышении степени структурного упорядочения покрытия, которое на-

блюдается в интервале температур конденсации (300 ÷ 700 °С) происходит непрерывный

рост твёрдости и модуля упругости от Н = 28,6 ГПa и E = 290 ГПa при T

= 300 °C до

H = 34,6 ГПa и E = 323 GPa при T

= 700 °C. До 300 °С плёнки находились в кластерном со-

стоянии, при этом значения их твёрдости и модуля упругости находились в пределах

Н = 13 ÷ 19 ГПа и Е = 160 ÷ 200 ГПа, что указывало на зависимость их характеристик от раз-

мерного фактора.

Аналогичные результаты наблюдались также для диборида хрома. В работе [17] силь-

но текстурированные плёнки по направлению <00.1> имели нанотвёрдость в пределах

42 ÷ 49 ГПa, против 33 ГПa и 27 ÷ 28 ГПa со слабо выраженной аксиальной текстурой, при

которой ось «С» совпадает с направлением роста покрытий. Полученные результаты превос-

ходят также в 1,5 ÷ 2,0 раза значение твёрдости (21 GPa) по сравнению с массивным состоя-

нием. Подобные результаты получены нами для плёнок диборидов тантала: плёнки со столб-

чатой структурой и текстурой (00.1) имели твёрдость ~ 44 ГПa, против 28 ГПa в массивном

состоянии.

Как показывает приведённый литературный анализ, плёнки диборидов переходных

металлов, обладающие столбчатой структурой и текстурой роста плотностью (00.1), имели

твёрдость в 1,5–2 раза выше, чем для массивного состояния, либо для плёнок, не имеющей

данной структуры. Её формирование возможно при определённых энергетических условиях,

которые в свою очередь влияют на степень текстуры. Все вышеперечисленные факторы яв-

ляются определяющими при формировании физико-механических характеристик синтези-

руемых плёнок.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ зависимости формирования структуры и соответственно свойств

плёнок от энергетических условий получения; выявлены особенности синтеза плёночных

покрытий твёрдых и сверхтвёрдых соединений; обозначены общие моменты для плёнок нит-

ридов и карбидов переходных металлов. Так же показана зависимость получаемой структуры

от температуры, количества легирующего элементов, парциального давления.

2. Выявлены общие закономерности плёнок нитридов, карбидов и боридов переход-

ных металлов: формирование аксиальной текстуры и волокнистой (столбчатой) структуры.

Анализируя факторы, отражённые в работе, можно сделать вывод, что плёнки тугоплавких

соединений при их синтезе имеют общие закономерности, что в итоге сказывается при фор-

мировании их кристаллической и электронной структуры и соответственно на их электрофи-

зические и физико-механические характеристики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Some peculiarities of fracture of nanocrystalline nitride and borides films / R. A. Andrievsky,

G. V. Kalinnikov, J. Jauberteau, J. Bates // Journal of materials science. – 2000. – V. 35. – P. 2799–2806.

2. Musil J. Plasma surface Engineering and its Practical Applications / J. Musil, P. Banoch, P. Zeman //

Research signpost Publisher. – USA. – 2007. – P. 463.

3. Береснев В. М. О фрикционных свойствах износостойких вакуумно-плазменых покрытий на основе

нитрида титана / В. М. Береснев, М. С. Борушко, А. П. Лобченко // Электрон. обраб. материалов. – 1981. –

№3. – С. 22–24.

4. Kant R. A. Adherent TiN films produced by ion beam inhanced deposited at room temperature / R. A. Kant,

B. D. Sartwell, L. L. Sirger, R. G. Vardiman // Nucl. Instr. and Meth. Res. – 1985. – V.7/8. – P. 515–519.

5. Nowak R. Surface deformation and electrical properties of HfN thin films deposited by reactive sputtering /

R. Nowak, S. Maruno // Material Science and Engineering. – A 202. – 1995. – P. 226–237.

6. Слоистые Ti-Cr-N – покрытия получаемые методом вакуумно-дуговоого осаждения / Ю. В. Кунченко,

В.

В. Кунченко, И. М. Неклюдов, Г. Н. Картмазов, А. А. Андреев // Вопросы атомной науки и техники. – 2007. –

№2. – С. 203–215. – (Серия «Физика радиационных поверхностей и радиационных материалов»).

7. (TiC)N and Ti/TiN PVD coating on 304 stainless steel substrates: Texture and residual stress / M. Leoni,

P. Scandi, S. Rossi, L. Fedrizzi, Y. Massiani // Thin. Sol. Films. – 1999. – V. 345. – P. 263–269.

8. Остаточные напряжения и структура покрытий нитридов титана и хрома, полученных методом

ионно-плазменного осаждения / Л. И. Гладких, С. В. Малыхин, А. Т.

Пугачёв, Е. Н. Решетняк, Д. Б. Глушкова,

С. С. Дьяченко, Т. П. Ковтун // Металлофизика и нов. техн. – 2003. – Т. 25. – № 6. – С. 241–248.

9. CrN-покрытия, полученные вакуумно-дуговым методом / В. В. Кунченко, А. А. Андреев, Ю. В. Кунченко,

Г. Н. Картмазов // ВАНТ. – 2004. – № 3. – С. 87–95. – (Серия «Физика радиационных поверхностей и радиаци-

онных материалов»).

10.

Гончаров А. А. Фазообразование, структура и напряжённое состояние наноструктурных плёнок

боридов тантала / А. А. Гончаров, П. И. Игнатенко, В. А. Коновалов, В. А. Ступак, Г. К. Волкова,

В. А. Глазунова, В. В. Петухов // ФММ. – 2007. – Т. 103. – № 1. – С. 1–6.

11. Гончаров А. А. Состав, структура и свойства наноструктурных плёнок боридов тантала /

А. А

. Гончаров, П. И. Игнатенко, В. В. Петухов, В. А. Коновалов, Г. К. Волкова, В. А. Ступак, В. А. Глазунова //

ЖТФ. – 2006. – Т. 76. – Вып. 10. – С. 87–90.

12. Соболь О. В. Влияние радиационного фактора на формирование структуры и напряжённого со-

стояния ионно-плазменных конденсатов. // Сб. докладов Межд. конф. ОТТОМ. – 2003. – № 6. – С. 209–212.

13. Соболь О.

В. Особенности физического состава, структуры, напряжённого состояния и механиче-

ских х-к конденсаторов боридных систем W-Ti-B / О. В. Соболь, С. Н. Дуб, О. Н. Григорьев, А. Н. Стеценко,

А. А. Подтележников // Сверх твёрдые материалы. – 2005. – № 5. – С. 38–47.

14. Н. Holleck. Material selection for hard coatings / Journal of Vacuum Science and Technology. AF4. –

1986. – P. 2661.

15. Ola Wilhelmsson. Synthesis and characterization of ternary carbide thin films. ACTA universitatis upsa-

liensis Uppsala 2007.

16. Kunc F. Low stress superhard Ti–B films prepared by magnetron sputtering / F. Kunc, J. Musil,

P. H. Mayrhofer, C. Mitterer // Surf. And Coat. Techn. – 2003. – № 175. – P. 744.

17. Magnetron sputter deposition of chromium diboride coatings / K. L. Dahm, L. R. Jordan, J. Haase,

P. A. Dearnley // Surf. and Coat. Techn. – 1998. – № 108–109. – P. 413–418.

18. Соболь О.

В. Процесс наноструктурного упорядочения в конденсатах системы W–Ti–B // ФТТ. –

2007. – Т. 49. – № 6. – С. 1104–1110.

19. А. А. Гончаров, В. А. Коновалов, С. Н. Дуб, В. А. Ступак, В. В. Петухов // Сб. докладов Харьковской

нанотехнологической Ассамблеи. НИИ «ХФТИ», Харьков, 2006. – P. 365.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ПРИ ХОЛОДНОМ

ВЫДАВЛИВАНИИ ВТУЛОК С ФЛАНЦЕМ

Алиев И. С., Алиева Л. И., Мартынов С. В., Ткаченко Н. Ю.

С помощью экспериментально-аналитического метода координатных делительных се-

ток определены компоненты тензора деформаций и напряжений, компоненты девиатора на-

пряжений и гидростатическое давление при осесимметричном выдавливании внутреннего

фланца из трубной заготовки. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что

картина распределения напряжений соответствует распределению деформаций. Наиболее

проработанной является область в зоне нижнего торца фланца у наружной стенки фланца.

Гидростатическое давление имеет отрицательное значение по всему очагу деформации, что

способствует повышению пластичности и снижает вероятность разрушения металла. Наибо-

лее вероятной с точки зрения разрушения является зона, которая простилается в направлении

от внутренней поверхности фланца к наружной поверхности стенки заготовки у нижнего ее

торца, а также зона у переходной кромки оправки.

За допомогою експериментально-аналітичного методу координатних ділильних сіток

визначено компоненти тензора деформацій і напружень, компоненти девіатора напружень

і гідростатичний тиск при осесиметричному видавлюванні внутрішнього фланця із трубної

заготовки. Аналіз напружено-деформованого стану показав, що картина розподілу напру-

жень відповідає розподілу деформацій. Найбільш проробленої є область у зоні нижнього то-

рця фланця біля зовнішньої стінки фланця. Гідростатичний тиск має від'ємне значення по

всьому осередку деформації, що сприяє підвищенню пластичності і знижує ймовірність руй-

нування металу. Найбільш вірогідною з точки зору руйнування є зона, яка простягається

у напрямку від внутрішньої поверхні фланця до зовнішньої поверхні стінки заготовки у ни-

жнього її торця, а також зона у перехідної кромки оправки.

With the help of experimental and analytical method of the coordinate dividing grids the

components of the stress and strain, the components of deviatoric stress and hydrostatic pressure for

axisymmetric extrusion of the inner flange of the tube blank is determined. Analysis of the stress-

strain state showed that the pattern of stress distribution corresponds to distribution of strains. The

most worked out is an area in the zone of the lower end of the flange at the outer wall of the flange.

Hydrostatic pressure has a negative value around the center of deformation, which increases ductil-

ity and reduces the probability of failure of the metal. From the standpoint of fracture the zone

stretching in the direction from the inner surface of the flange to the outer wall surface of workpiece

at the lower end of it, as well as the transition zone at the edge of the mandrel are most likely.

Алиев И. С. д-р. техн. наук, проф., зав кафедрой ОМД ДГМА

omd@dgma.donetsk.ua

Алиева Л. И. канд. техн. наук, ст. преп. кафедры ОМД ДГМА

Мартынов С. В. ассистент кафедры ОМД ДГМА

Ткаченко Н. Ю. студент ДГМА

ДГМА – Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 621.7

Алиев И. С., Алиева Л. И., Мартынов С. В., Ткаченко Н. Ю.

ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ПРИ ХОЛОДНОМ

ВЫДАВЛИВАНИИ ВТУЛОК С ФЛАНЦЕМ

В приборостроении получили применения детали типа втулок с внутренним фланцем.

Это всевозможные корпусные детали, крышки, втулки и т. д. Одним из способов получения

подобных деталей является точная объемная штамповка холодным выдавливанием. Данный

способ имеет конкурентные преимущества в сравнении с традиционными методами (обра-

ботка резанием, литье, горячая штамповка), которые выражаются в увеличении коэффициен-

та использования металла (до 90 %), деформационном упрочнении, качественной поверхно-

сти детали и т. д.

При исследовании новых технологических схем, таких как радиальное выдавливание

внутренних фланцев из трубной заготовки, важно знание распределения деформаций

и напряжений по объему детали, а также положение, форма и размеры очага деформации по

ходу процесса [1]. Это дает возможность оценки формоизменения заготовки и определения

вероятных зон разрушения заготовки, т. е. исчерпания ресурса пластичности. Это позволяет

прогнозировать механические свойства штампованных деталей и оптимизировать геометрию

инструмента для уменьшения градиента деформации, т. е. снижения вероятности разруше-

ния детали в процессе эксплуатации. В последнее время развиваются критерии разрушения,

в которых накладываются ограничения на деформации [2, 3] (критерии Огородникова В. А.,

Колмогорова В. Л., Ильюшина А. А. и др.). Например, в работе [2] для формулирования ус-

ловия разрушения Г. А. Смирновым-Аляевым предложен критерий:

()

=Ψ

где

Ψ – использованный ресурс пластичности, который при деформировании без раз-

рушения меньше единицы. При разрушении 1

;

∫

⋅

τε

– степень деформации;

()

e – диаграмма пластичности.

Показатель

введен в практику оценки пластичности С. И. Губкиным,

В. А. Бабичковым [2] и впервые использован для построения диаграмм пластичности

Г. А. Смирновым-Аляевым. Диаграммы пластичности это экспериментальные кривые, кото-

рые отображают зависимость граничной деформации

e от показателя жесткости напряжен-

ного состояния

(показатель Г. А. Смирнова-Аляева):

ии

3210

⋅

где

– гидростатическое (среднее) напряжение;

321

– компоненты тензора главных напряжений;

– интенсивность напряжений.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Однако трудоемкость вычисления компонент тензора главных напряжений значи-

тельно усложняло расчет использованного ресурса пластичности. С развитием прикладного

математического программного обеспечения расчет таких задач значительно упрощается,

что открывает широкие возможности в анализе технологической деформируемости штампо-

вок.

Цель данного исследования – определение напряженно-деформированного состояния

в очаге деформации при центростремительном выдавливании фланца из трубчатой

заготовки

и оценки ресурса исчерпания пластичности.

Для определения деформированного состояния в данной работе использован экспе-

риментально-аналитический метод координатных делительных сеток, который позволяет ка-

чественно и количественно оценить распределение деформаций и напряжений в объеме заго-

товки [4]. Заготовка имела следующие размеры: внутренний и наружный диаметр

28,2 × 36 мм, высота 21,3 мм. Радиус закругления переходной

кромки оправки 1,8 мм, высота

зазора между верхней и нижней втулкой разборной оправки 3,2 мм (высота фланца). Сетка

была нанесена строганием и имела базу 2 мм. Образцы при деформации не спаивались, так

как раскрытие полувтулок при центростремительном выдавливании не происходит. Экспе-

риментальная оснастка состояла из контейнера 1 (рис. 1, а), противопуансона 2, подкладного

кольца 3, разборной оправки 4,

матрицы 5, пуансона 6, подкладной плиты 7. Деформирова-

ние происходило на испытательной машине МС-500. После каждого этапа деформации заго-

товки измерялись и сканировались. Координаты узлов пересечения делительной сетки изме-

рялись с помощью программы Grafula 3. Далее по методике И. П. Ренне [4] в пакете MathCAD

рассчитывались компоненты тензора деформаций и интенсивность деформаций.

Решение краевых задач по определению напряженного

состояния предполагает моно-

тонность функции. Если деформация немонотонна, а в данном случае можно говорить что

она квазимонотонна только в зоне над нижним торцом фланца, то это приводит

к погрешностям расчета. В качестве граничного условия принимаем значение радиального

напряжения равное нулю

на свободной от нагрузок внутренней поверхности фланца.

Направление расчета (см. рис. 2 по

) слева направо по горизонтальному ряду ячеек. Пере-

ход на ряд выше происходит по предпоследней, третей, ячейке ряда. Крайние значения на-

пряжений первого ряда не рассчитаны, так как при расчете, по правилу трапеций, требуются

законтурные значения девиатора сдвиговых напряжений. Попытка получения последних

экстраполяцией полиномом n-ой степени не дала положительных результатов ввиду

не мо-

нотонности функции. В результате расчета в пакете MathCad получали матрицы значений

напряжений, контурные графики распределения компонент напряжений в цвете, а также

график, имитирующий координатную сетку. Далее график с координатной сеткой наклады-

вался на графики распределения деформаций и напряжений, экстраполированные области

обрезались в пакете CorelDRAW и записывали значения компонент НДС в ячейках

а б

Рис. 1. Штамповая оснастка и картины поэтапного изменения делительной сетки

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

При известном тензоре деформированного состояния, компоненты девиатора тензора

напряженного состояния вычисляются по соотношениям деформационной теории пластич-

ности упрочняющегося материала [5]. Компоненты девиатора напряжений:

σσ

⋅⋅=−=

;

θθθ

σσ

⋅⋅=−=

0 z

σσ

⋅⋅=−=

(1)

При сложном нагружении девиатор касательных напряжений следует определять из

соотношений теории течения:

⋅⋅=

. (2)

Для определения гидростатического давления интегрируем одно из уравнений равно-

весия для осесимметричной деформации. Согласно первому из этих уравнений:

rrz

ArBr

∫

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

∂

±=

σσ

)()(

. (3)

По второму уравнению:

rzrz

CzDz

∫

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

∂

±=

ττ

σσ

)()(

. (4)

Определив одно из напряжений

, вычитаем из него соответствующую компо-

ненту девиатора напряжений (1) и находим гидростатическое давление

. Прибавив его

к остальным компонентам девиатора, находим соответствующие им напряжения.

Если пластическая зона имеет свободный от нагружения контур, то окружное напря-

жение у этого контура равно:

)(

εε

θθ

−⋅⋅=

, (5)

где

– главная деформация в направлении нормали к контуру.

Следовательно, гидростатическое давление и остальные напряжения можно опреде-

лить по формулам:

θθ

S−=

;

S+

. (6)

Эти напряжения могут быть использованы как граничные условия.

Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния были использованы

для оценки значений использованного ресурса пластичности

, который определяли по

формуле (7) по критерию [6, 7]:

()

∫

=Ψ

μη

(7)