Идентификация модифицированного условия текучести Друкера–Прагера и моделирование процесса уплотнения пластифицированного титансодержащего сырья

Рассматривается методика компьютерного моделирования процесса уплотнения некомпактного материала из титанового сырья. Для описания реологического течения деформируемой массы использована модифицированная модель текучести Друкера–Прагера. Показано, что при идентификации принятой модели с точностью, приемлемой для инженерных расчетов, целесообразно использовать вспомогательную кривую на основе лемнискаты Бернулли, что позволяет снизить количество экспериментов, необходимых для построения кусочно-гладкой кривой текучести Друкера–Прагера. Исследован процесс пластической деформации ячейки представительного объема отсева титановой губки в различных напряженно-деформированных состояниях. Для улучшения формуемости некомпактного титансодержащего сырья использован эффект пластифицирования, связанный с увеличением количества пластичной β-фазы при легировании водородом. На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что легирование водородом позволяет получить более плотную заготовку при неизменных температуре и усилии прессования по сравнению с традиционной технологией уплотнения титановой губки. Установлено, что равномерность распределения относительной плотности по осевому сечению заготовки увеличивается при дополнительном легировании водородом. Показана удовлетворительная сходимость результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования процесса компактирования титановой губки в закрытой пресс-форме.

титановая губка, термоводородное легирование, пластифицирование титана, моделирование, пористый материал, метод конечных элементов, модифицированная модель текучести Друкера–Прагера

1. Ивасишин О.М., Саввакин Д.Г., Бондарева К.А., Моксон В.С., Дузь В.А. Производство титановых сплавов и деталей экономичным методом порошковой металлургии для широкомасштабного промышленного применения // Наука та iнновацii. 2005. Т. 1. No. 2. С. 44—57.

2. Шевченко В.В., Низкин И.Д., Мальков А.В., Лукьянова Е.В. Особенности компактирования гранул титанового сплава ВТ5-1кт, легированных водородом // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2008. No. 3. С. 39—45.

3. Скворцова С.В., Ильин А.А., Сенкевич К.С. Формирование структуры гранул из сплава ВТ6 при термоводородной обработке // Титан. 2010. No. 4. С. 18—22.

4. Lapovok R., Tomus D., Skripnyuk V.M., Barnett M.R., Gibson M.A. The effect of hydrogenation on the ECAP compaction of Ti—6Al—4V powder and the mechanical properties of compacts // Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 513—514. P. 97—108.

5. Lapovok R., Tomus D., Barnett M.R., Gibson M.A. Use of residual hydrogen to produce CP-Ti powder compacts for low temperature rolling // Int. J. Mater. Res. 2009. Vol. 100. No. 12. P. 1727—1738.

6. Мюллер В., Блэкледж Д., Либовиц Дж. Гидриды металлов. М.: Атомиздат, 1973.

7. Nesterenko A.V., Novozhonov V.I., Zalazinskii A.G., Skripov A.V. Influence of temperature on compactibility of briquettes of titanium sponge alloyed with hydrogen // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 3. P. 287—292.

8. ABAQUS 6.10 Theory Manual 2010, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA.

9. Chtourou H., Guillot M., Gakwaya A. Modeling of the metal powder compaction process using the cap model. Part I. Experimental material characterization and validation // Int. J. Solids Struct. 2002. Vol. 39. No. 4. P. 1059—1075.

10. Zhang B.S., Jain M., Zhao C.H., Bruhis M., Lawcock R., Ly K. Experimental calibration of density-dependent modified Drucker-Prager Cap model using an instrumented cubic die for powder compact // Powder Technol. 2010. Vol. 204. No. 1. P. 27—41.

11. Shang C., Sinka I.C., Pan J. Constitutive Model Calibration for Powder Compaction Using Instrumented Die Testing // Exper. Mech. 2012. Vol. 52. No. 7. P. 903—916.

12. Garner S., Strong J., Zavaliangos A. The extrapolation of the Drucker-Prager/Cap material parameters to low and high relative densities // Powder Technol. 2015. Vol. 283. P. 210—226.

13. Hernandez J.A., Oliver J., Cante J.C., Weyler R. Numerical modeling of crack formation in powder forming processes // Int. J. Solids Struct. 2011. Vol. 48. No. 2. P. 292—316.

14. Jonsen P., Haggblat H.A., Sommer K. Tensile strength and fracture energy of pressed metal powder by diametral compression test // Powder Technol. 2007. Vol. 176. No. 2-3. P. 148—155.

15. Procopio A.P., Zavaliangos A., Cunningham J.C. Analysis of the diametrical compression test and the applicability to plastically deforming materials // J. Mater. Sci. 2003. Vol. 38. No. 17. P. 3629—3639.

16. Han L.H., Elliot J.A., Bentham A.C., Mills A., Amidon G.E., Hancock B.C. A modified Drucker-Prager Cap model for die compaction simulation of pharmaceutical powders // Int. J. Solids Struct. 2008. Vol. 45. No.10. P. 3088—3106.

17. Рыбин Ю.И., Рудской А.И., Золотов А.М. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб.: Наука, 2004.

18. Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. Екатеринбург: УрО РАН, 2000.

19. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.

20. Аксенов Ю.А., Башкин И.О., Колмогоров В.Л., Понятовский Е.Г., Талуц Г.Г., Катая В.К., Левин И.В., Потапенко Ю.И., Трубин А.Н. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации технического титана ВТ1-0 при температурах до 750 °C // ФММ. 1989. Т. 67. No. 5. С. 993—999.