СПОСОБ СФЕРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЪЕМНОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF SPHERODYNAMIC 3D NANOSTRUCTURING AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к области обработки материалов давлением, в частности к способам и устройствам для холодного пластического деформирования и получения деталей с заданным уровнем эксплуатационных характеристик, и может быть использовано при изготовлении:
- нового поколения датчиков измерения физических параметров в химически активных средах, при сверхмалых и сверхвысоких давлениях, а также при высоких и криогенных температурных;
- определяющих деталей жидкостных реактивных двигателей (камер сгорания);
5
max
- нового поколения определяющих деталей видео- и аудиоаппаратуры (герконы - магнитоуправляемые контакты), позволяющих создать на базе одного элемента взаимоисключающие физические характеристики: «высокая упругость - коррозионная стойкость - высокая магнитная индукция B - стабильная максимальная магнитная проницаемость µ».
Известны способ и устройство для обработки материалов: способ сферодинамического объемного наноструктурирования материалов, включающий размещение заготовки на сферодинамическом модуле и приложение к ней от пуансона усилий осадки и обкатывания и устройство для сферодинамического объемного наноструктурирования материалов, содержащее пуансон и сферодинамический модуль (пат. РФ №2282519, B21J 5/06, 27.08.2006 - наиболее близкий аналог для способа и устройства).
Недостатками известных способа и устройства являются:
- невозможность в процессе деформирования заготовки регламентированно переводить деформирующую систему в состояние деформационного резонанса многократно, т.е. периодически создавать в процессе деформирования заготовки условия реализации эффекта Баушингера («запоминание» металлом истории его нагружения), что обуславливает периодические совпадения частотой колебаний заготовки и всей деформирующей системы (деформационный резонанс).
-9
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих регламентированно реализовать прохождение волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень обрабатываемого материала (10 м) и формирующих феноменологический комплекс физико-механических характеристик.
1
1
δ1
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе сферодинамического объемного наноструктурирования материалов, включающем размещение заготовки на сферодинамическом модуле и приложение к ней от пуансона усилий осадки и обкатывания, новым является то, что усилие осадки прикладывают поэтапно с обеспечением перевода заготовки в состояние деформационного резонанса и нарушения ее контакта со сферодинамическим модулем, при этом степень деформации заготовки по высоте на первом этапе осадки ε определяют из соотношения ε=(0,6…0,8)ε,
δ1
где ε - степень деформации материала заготовки, соответствующая нижнему пределу реализации эффекта Баушингера, %,
2
2
δ2
степени осадки заготовки на всех последующих этапах осадки εопределяют из соотношения ε=(0,2…0,3)ε,
δ2
где ε - степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера, %,
а обкатывание заготовки начинают в момент перевода ее в состояние деформационного резонанса и нарушения контакта заготовки и сферодинамического модуля.
В устройстве для сферодинамического объемного наноструктурирования материалов, содержащем пуансон и сферодинамический модуль, новым является то, что пуансон выполнен цилиндрической формы и с рабочей поверхностью, выполненной по логарифмической спирали Бернулли, пуансон и сферодинамический модуль установлены с возможностью вращения и качания в вертикальной плоскости, причем вертикальная ось сферодинамического модуля смещена в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси пуансона на величину е, определяемую из соотношения (3…4)δ,
где δ - шаг логарифмической спирали Бернулли рабочей поверхности пуансона, мм.
Способ сферодинамического объемного наноструктурирования материалов и устройство для его осуществления представлены следующим графическим материалом, где на:
фиг.1 - принципиальная схема устройства для сферодинамического объемного наноструктурирования материалов;
фиг.2 - принципиальная схема сферодинамического объемного наноструктурирования материалов;
фиг.3 - структурное состояние металла наноструктурированного полуфабриката;
фиг.4 - текстурное состояние металла наноструктурированного полуфабриката.
Устройство содержит составную платформу 1 с полостью в нижней части, в которой установлена полая опора 2 с размещенным упругим элементом 3. Верхняя часть платформы соединена с подвижной траверсой 4 колоннами 5, на одной из которых на упругих элементах 6 размещен ложемент 7, на котором устанавливают заготовку 8, фиксируя ее на сферодинамическом модуле 9. Модуль 9 центрируется в верхней части платформы с помощью направляющего элемента 10. На траверсе 4 размещен пуансон 11 с возможностью вертикальных перемещений, силовое замыкание которого с заготовкой 8 сферодинамическим модулем 9, упругим элементом 3, полой опорой 2 и нижней частью платформы 1 реализуется с помощью упругих элемента 12, втулки 13 и крышки 14.
Пуансон 11 выполнен цилиндрической формы, с рабочей поверхностью, выполненной по геометрии логарифмической спирали Бернулли, сферодинамический модуль 9 выполнен в форме половины эллипсоида вращения, при этом его вертикальная ось смещена по отношению к вертикальной оси пуансона 11 на величину, определяющую из соотношения e=(3…4)δ,
где е - величина смещения в горизонтальной плоскости вертикальных осей пуансона и сферодинамического модуля, мм;
δ - шаг логарифмической спирали Бернулли рабочей поверхности пуансона, мм,
пуансон 11 и сферодинамический модуль 9 установлены с возможностью вращения и качения в вертикальной плоскости.
Устройство работает следующим образом: заготовку 8 размещают на сферодинамическом модуле 9, установленном на упругом элементе 3 в полой опоре 2, размещенной в полости платформы 1, выполненной составной из двух частей, модуль 9 контактирует боковой поверхностью с направляющим элементом 10. Заготовка 8 устанавливается на ложементе 7, который размещен на одной из направляющих колонн 5, соединяющих траверсу 4 с верхней частью платформы 1, ложемент 7 установлен на упругих элементах 6 упомянутой колонны.
1
δ1
Процесс деформирования осуществляют следующим образом: заготовку 8 размещают на опорном элементе 9, установленном с возможностью спонтанных вращательно-колебательных движений, и прикладывают к заготовке 8 со стороны инструмента 11 усилия осадки и обкатывания, при этом усилие осадки прикладывают поэтапно, при этом степень деформации на первом этапе осадки определяют из соотношения ε=(0,6…0,8)ε,
1
где ε - степень деформации заготовки по высоте на первом этапе осадки, %;
δ1
ε - степень деформации материала заготовки, соответствующая нижнему пределу реализации эффекта Баушингера, %,
2
δ2
а степени осадки полуфабриката на всех последующих этапах осадки определяют из соотношения ε=(0,2…0,3)ε,
2
где ε - степень деформации заготовки по высоте на втором и последующих этапах осадки, %;
δ2
ε - степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера, %,
обкатывание заготовки начинают в момент перевода ее в состояние деформационного резонанса и нарушения контакта заготовки и опорного элемента.
1
δ1
1
δ1
2
δ2
-9
Было установлено, что при ε<0,6 ε структурное состояние металла заготовки не обладает «памятью формы» согласно эффекту Баушингера, а потому механизмы ротационной пластичности, реализуемые воздействием сферодинамического модуля 9 в виде пластических роторов (вихрей), не проникают на наноуровень (10 м) металла обрабатываемой заготовки 8. При ε>0,8 ε механизмы деформации носят сдвиговый характер, и металл заготовки 8 не запоминает историю его нагружения. При ε>0,3 εлинейные дислокации суммируются, и создается большая вероятность нарушения сплошности металла заготовки 8.
Процесс объемного сферодинамического наноструктурирования материала заготовки 8 происходит следующим образом. Пуансон 11 поэтапно деформирует заготовку 8 осадкой своей рабочей поверхности, выполненной по геометрии логарифмической спирали Бернулли, что обеспечивает подачу в очаг деформации порций металла заготовки 8, позволяющей реализовать волновую природу пластической деформации. Смещение вертикальной оси сферодинамического модуля 9 на величину е, определяемую вышеуказанным соотношением, обеспечивает регламентированный перевод всей деформирующей сферодинамической системы в состояние деформационного резонанса, что обеспечивает проникновение механизмов волновой пластичности - пластических роторов (вихрей) на наноуровень обрабатываемого материала заготовки 8. Размещение пуансона 11 и сферодинамического модуля 9 с возможностью вращения и качания обеспечивает перемещение пластического момента деформации от пуансона 11 и сферодинамического модуля 9 по всему массиву металла обрабатываемой заготовки 8. В состоянии деформационного резонанса сферодинамическая деформирующая система в виде пуансона 11 и сферодинамического модуля 9 обеспечивают при одновременном деформировании встречное перемещение волновых фронтов деформации. При встрече фронтов происходит переход всей системы в состояние взрывной неустойчивости, следствием чего является временная потеря контакта сферодинамического модуля 9 с упругим элементом 3, размещенным в полой опоре 2, и приобретение им свойств бесприводного реактивного источника деформирования, питаемого потерями инерции активного источника (пуансона 11) диссипатируемыми массивом металла заготовки 8. В результате сферодинамического объемного наноструктурирования в металле формируется наноформатная структура.
Кристаллографическим отражением проникновения пластических роторов (вихрей) на наноуровень является преобладание объемной доли ротационной компоненты (110) <111> [2] в массиве матричного металла наноструктурированного материала.
Пример осуществления способа: в условиях пресса мод. ДБ2432А с использованием устройства для сферодинамического объемного наноструктурирования материалов (фиг.1) осуществили обработку партии листовых образцов сплавов АМг6, 12Х18Н10Т и 36НХТЮ в режиме деформационного резонанса, энергосиловые параметры которого, а также параметры текстурного состояния матричного металла в исходном и наноструктурированном состоянии приведены в таблице.
Таблица
Материал образцов
Энергосиловые параметры реализации деформационного резонанса
Объёмная доля ротационной компоненты (110) <111>, % наноструктурированное (исходное)
ε<sub>1</sub>, % σ<sub>т</sub>
ε<sub>2</sub>, % σ<sub>т</sub>
e, мм
δ, мм
σ<sub>т</sub> - предел текучести материала, кг/мм<sup>2</sup>
АМг6
4
8
2
3
68 (17)
12Х18Н10Т
6
9
4
5
54 (10)
36НХТЮ
5
7
3
4
48 (7)
Источники информации
1. Патент РФ №2363560, B21J 13/02, 22.11.2007 г.
2. Патент РФ №2282519, B21J 5/08, 24.12.2004 г.
3. Вассерман Ф., Гревен Л. «Текстуры металлов». М.: «Наука», с.112-118, 1966 г.