Совершенствование технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных электропроводников

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 43 работы, получено 4 авторских свидетельства, 3 награды международных и российских выставок.

Структура и объем  диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 243 наименований, приложений. Основная часть работы изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 40 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой научно-технической проблемы, определена цель работы, научная новизна и практическая ценность работы, приведены данные о публикациях и структуре работы.

В первой главе описаны основы теории сверхпроводимости, рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления слоистых композиционных длинномерных изделий для электротехники, рассмотрено современное состояние технологии волочения с использованием алмазного волочильного инструмента.

Наиболее широко применяются би- и триметаллические электропроводники круглого сечения, включающие сердечник и одну или две оболочки.

Проводники для СМС диаметром 0,1-1,0 мм являются комбинированными композитами, важнейшими характеристиками которых являются критические значения напряженности магнитного поля , температуры Т_С и плотности тока , определяемые структурным состоянием используемого металла или сплава, которое зависит от термомеханической обработки композиционной заготовки.

Рис.1. Схематизация конструкций сверхпроводников в виде би- и триметалла: 1 – оболочка; 2 – промежуточный слой; 3 – сердечник; R – радиус проводника; Rc1 – наружный радиус промежуточного слоя; Rc2 – радиус сердечника

Сечение композиционной заготовки для СМС может быть представлено как би- или триметалл,  промежуточный слой или сердечник которого являются композитом, состоящим из сверхпроводящих волокон на основе сплавов NbTi или соединений Nb (~10¹-10⁴ шт.) размещенных в медной матрице или в матрице из высокооловянистой бронзы (рис.1).

Технология изготовления проводников для СМС заключается в многократном повторении процессов сборки, прессования, волочения и отжига композита.

Особенности эксплуатации композиционных электропроводников определяют и требования к заготовке, получаемой волочением (рис.2).

 

Рис.2. Требования к заготовке для композиционных электропроводников

 

При волочении заготовок традиционных электропроводников и особенно проводников СМС на основе Nb₃Sn, в которых в качестве матрицы используются бронзы с содержанием олова до 14%, имеющие низкую пластичность и трещиностойкость, основной задачей является обеспечение целостности сердечника, оболочек и ниобиевых волокон. При волочении заготовок для СМС на основе сплавов NbTi также нужно обеспечить дефектность структуры, обеспечивающую необходимую плотность центров пиннинга после окончательного отжига.

Традиционный метод  проектирования маршрутов многопереходного волочения не учитывает различие пластических свойств и условий деформирования слоев композиционных заготовок, что ведет к различию скорости увеличения плотности линейных и планарных дефектов структуры (дислокаций, субмикро- и микротрещин), накопления латентной энергии и наступлению момента их разрушения, и не рассматривает возможность формирования структуры с заданной плотностью дефектов. Поэтому задача обеспечения целостности каждого из элементов композиционного проводника и управление уровнем дефектности структуры при пластической деформации, в частности, при тонком волочении, когда стоимость заготовки существенно возрастает, является актуальной задачей.

Прогнозирование разрушения и управление уровнем дефектности при пластической деформации и последующем упругом нагружении осуществляется на основе критериев разрушения и поврежденности.

В расчетах на трещиностойкость широкое  применение получил силовой критерий линейной механики разрушения

,

где K и - коэффициент интенсивности напряжений и его критическое значение; - действующее растягивающее напряжение; Y – коэффициент.

Методологические проблемы экспериментального определения и проблема истинности определяемых значений , стимулируют работы по поиску связи этой величины со стандартными механическими характеристиками, поучаемыми из испытаний на растяжение или кручение. Однако анализ известных формул для определения , основанных на таких опытах, показал, что они имеют недостатки, затрудняющие их использование в практических расчетах.

Для описания процесса накопления поврежденности и разрушения в процессах ОМД, широко используется скалярный критерий разрушения , основанный на модели линейного накопления поврежденности (Колмогоров В.Л.). Однако, как показано в работах Колмогорова В.Л., Богатова А.А., Смирнова С.В., Мигачева Б.А., Бурдуковского В.Г., процесс накопления поврежденности является нелинейным.

Анализ известных критериев  разрушения и моделей накопления поврежденности позволил сформулировать требования к критериям, которые можно использовать для прогнозирования уровня дефектности и разрушения металла.

Основным препятствием на пути повышения  качества изделий при волочении является внешнее трение. Различают граничный (ГРТ), смешанный (СРТ) и гидродинамический (ГДРТ) режимы трения.

Рис.3. Сечение тонкой медной проволоки с никелевой оболочкой

Волочение композиционных заготовок в режиме ГРТ часто малоэффективно. Так при волочении биметаллической проволоки стойкость алмазных волок резко снижается, по сравнению с волочением медной проволоки, искажается профиль калибрующей части канала волок (рис.3), наблюдается интенсивный кольцевой износ, разрушение защитной оболочки и высокая обрывность проволоки.

Радикальным способом снижения сил трения при волочении является реализация режима ГДРТ, исследованию которого посвящены работы Д. Кристоферсона, Х. Найлора, Х. Татерсола, Недовизия И.Н., Белоусова А.С., Владимирова Ю.В., Перлина И.Л., Колмогорова В.Л., Колмогорова Г.Л. и др. Однако при среднем и тонком волочении длинномерных заготовок из цветных металлов с использованием дорогостоящего алмазного волочильного инструмента, при высоких требованиях к гладкости поверхности, форме и точности размеров по-перечного сечения и наличию поверхностных и внутренних дефектов готового изде-лия, предпочтительнее волочение в режиме СРТ с использованием жидких смазок.

Анализ современного состояния  теории и технологии волочения  позволил сформулировать цель диссертационного исследования: совершенствование технологии волочения композиционных электропроводников путем прогнозирования и управления уровнем дефектности на основе критериев разрушения и поврежденности, учитывающих влияние технологических параметров процесса волочения и условий трения (рис.4).

Рис.4. Критерии, условия и технологические параметры прогнозирования

и управления при волочении  композиционных электропроводников

Во второй главе предложены условие безобрывности и технологический критерий поврежденности для проектирования маршрута многопереходного волочения композиционной заготовки.

Условие безобрывности

При волочении планарные  дефекты, образующиеся в очаге пластической деформации, ведут к разрушению (обрыву) переднего конца заготовки, который находится в условиях одноосной упругой деформации растяжения.

Процесс образования  и роста трещины обусловлен пластической деформацией в локальном объёме V, имеющем форму дислокационного скопления, например, сферы, в котором латентная энергия достигает критического значения.

Упрочнение металла при пластической деформации является функцией необратимого приращения энтропии вследствие образования диссипативных (дислокационных) структур (Григорьев А.К., Колбасников В.Г.). Можно показать, что при нагружении-разгрузке идеально-упругого тела и идеального упруго-пластического тела его латентная энергия не изменяется. Тогда при пластическом деформировании упрочняемого металла часть латентной энергии, связанная с энергией остаточных макронапряжений , может быть определена

.

Принимая гипотезу о том, что на образование единицы поверхности трещины в локальном объёме V идет энергия равная величине в момент достижения максимальной скалярной плотности дислокаций, получим критерий разрушения в виде

,                                                  (1)

где - энергетический эквивалент ; - коэффициент, зависящий от принятой формы объема V; - коэффициент Пуассона.

Сравнение значений и расчетных значений показало, что: величина имеет порядок экспериментальных значений ; с ростом величина изменяется аналогично изменению ; между величиной и отношением , входящем в выражение для , наблюдается сильная или весьма тесная корреляционная связь. Следовательно, величина может использоваться для расчетов на трещиностойкость в качестве эквивалента .

Обработка экспериментальных данных и анализ известных теоретических  зависимостей показали, что функциональная связь и для расчета величины может быть представлена в виде

.

Используя понятие «структурной ячейки», применяемое в механике разрушения композиционных материалов, и принимая, что её размер изменяется пропорционально изменению диаметра заготовки, с учетом критерия (1) получим условие безобрывности переднего конца заготовки при многопереходном волочении композиционных заготовок

,                                        (2)

где и - функция параметров процесса волочения на n-ом и первом переходах, определяемая из выражения . Нахождение значение сводится к поиску  минимума квадратичной функции

.

Величина определяется для i-го слоя заготовки, который определяет основные функциональные свойства композиционного изделия ( - коэффициент пластической неоднородности; и - сопротивление деформации  i-го и наружного слоя заготовки).

Критерий  поврежденности

Вследствие автомодельности  процесса пластической деформации (Рыбин  В.В.) процесс накопления планарных дефектов является нелинейным. Скалярная плотность планарных дефектов D возрастает на несколько порядков и в момент достижения критического значения степени деформации происходит увеличение плотности микротрещин до значений , их лавинообразное, объединение в макротрещину и разрушение. Подобный процесс описывается кинетическим уравнением нелинейной динамики для систем с сильной положительной связью - , где t – кинетический параметр; - коэффициент.

Учитывая, что процесс пластической деформации сопровождается изменением деформированного и энергетического состояния металла, в качестве кинетического параметра используем нормированную величину

где ; m и n – коэффициенты кривой упрочнения ; - степень деформации сдвига.

Запишем кинетическое уравнение для i-го этапа деформирования

.                                                (3)

Решение уравнения (3), с учетом начального условия , имеет вид

.                                 (4)

где - значение в момент разрушения.

Обозначая поврежденность , из (4) получим условие (критерий) деформирования без разрушения

.                                                (5)

Условие (5) проверяется на каждом этапе деформирования.

Обработка диаграмм пластичности (Колмогоров В.Л., Богатов А.А.) показала, что коэффициент может быть определен

,

где Е₁, Е₂, Е₃ – коэффициенты, k- показатель напряженного состояния.

Проверка применимости критерия показала, что он может быть использован для решения практических задач обработки металлов давлением.

Учитывая, что плотность планарных  дефектов при пластической деформации изменяется на несколько порядков, для прогнозирования уровня дефектности при проектировании процесса многопереходного волочения используем технологический критерий поврежденности

                                                      ,           .              (6)

где - критическое значение D. Величина D определяется из (4). При заготовка не удовлетворяет требованиям к дефектности.

Анализ экспериментальных  данных, полученных Колмогоровым В.Л. и Богатовым А.А. с сотрудниками, показал, что для разных металлов дефекты неустраняемые последующим отжигом образуются при =10⁷ ÷10¹⁰ м^-3.