Моделирование процессов ресурсосберегающей обработки слитковых, порошковых, наноструктурных и композиционных материалов

ʛʝʓʔʚʗʟʝʑʏʜʗʔʞʟʝʥʔʠʠʝʑ
ʟʔʠʢʟʠʝʠʐʔʟʔʒʏʭʨʔʘʝʐʟʏʐʝʡʙʗ
ʠʚʗʡʙʝʑʪʤ,ʞʝʟʝʧʙʝʑʪʤ,
ʜʏʜʝʠʡʟʢʙʡʢʟʜʪʤ
ʗʙʝʛʞʝʖʗʥʗʝʜʜʪʤʛʏʡʔʟʗʏʚʝʑ
ʺʽʻʽʧˀʤˇʰ˔
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.7 
ББК 34.5 
М74 
А в т о р ы :  
М. Х. Шоршоров, А. Е. Гвоздев, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, О. В. Кузовлева,  
Е. М. Селедкин, Д. С. Клементьев, А. А. Калинин 
М74 
Моделирование процессов ресурсосберегающей обработки слитковых, порошковых, наноструктурных и композиционных материалов : монография / 
[М. Х. Шоршоров и др.] – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 360 с. 
ISBN 978-5-9729-0596-6 
Приведены результаты математического моделирования механических свойств 
и структуры высоколегированных слитковых, порошковых металлических систем и инструментальных сталей в процессах изотермического деформирования и сверх- 
пластического формоизменения. Рассмотрены процессы осадки объемных и листовых 
тонкослойных металлических заготовок, механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов, наноструктурные и композиционные материалы различной природы. 
Обсуждаются ультрадисперсные порошковые и компактные нанокристаллические, 
наноаморфные и микрокристаллические металлические сплавы и соединения, структурное состояние, технологии производства и области применения. Представлены результаты количественных оценок процессов зародышеобразования и образования точечных 
дефектов кристаллического строения некоторых металлических систем в различных 
условиях и состояниях.  
Для научных работников и инженеров в области материаловедения, физики металлов, технологии машиностроения. Может быть полезно студентам соответствующих 
специальностей и преподавателям при подготовке специалистов различных уровней.  
УДК 621.7 
ББК 34.5 
ISBN 978-5-9729-0596-6 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

ʠʝʓʔʟʕʏʜʗʔ 
ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................................................................... 8 
РАЗДЕЛ 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ..............................10 
1.1. Материалы для моделирования механических свойств..............................10 
1.1.1. Состав, структура и физико-механические свойства сталей ............... 12 
1.1.2. Температурные интервалы фазовых превращений............................... 14 
1.2. Математическое моделирование механических свойств............................20 
1.2.1. Факторы, влияющие на механические свойства ................................... 21 
1.2.2. Критерии и параметры деформирования ............................................... 22 
1.2.3. Математические модели .......................................................................... 25 
1.2.4. Методика планирования эксперимента.................................................. 27 
1.2.5. Статистическая обработка результатов.................................................. 28 
1.3. Механические испытания ..............................................................................29 
1.3.1. Экспериментальное оборудование ......................................................... 29 
1.3.2. Образцы ..................................................................................................... 33 
РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.............................................................................35 
2.1. Оптимальное планирование экспериментов................................................35 
2.2. Моделирование механических свойств при растяжении в температурномеханических полях...............................................................................................35 
2.2.1. Построение математических моделей механических свойств............. 35 
2.2.2. Закономерности изменения механических свойств в температурноскоростных полях ............................................................................................... 40 
РАЗДЕЛ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗОВОЙ 
СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ У8А...................58 
3.1. Сверхпластичность стали У8А при растяжении .........................................58 
3.2. Сверхпластичность стали У8А при осадке ..................................................63 
Библиографический список к разделам 1, 2, 3....................................................66 
3

РАЗДЕЛ 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАДКИ ОБЪЕМНЫХ 
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ И ЛИСТОВЫХ ТОНКОСЛОЙНЫХ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ........................................................................73 
4.1. Моделирование технологических процессов объемного 
осесимметричного деформирования....................................................................73 
4.1.1. Математическая формулировка задач объемного осесимметричного 
формоизменения ................................................................................................. 73 
4.1.2. Применение метода конечных элементов при вычислении 
деформированного состояния в задачах объемного осесимметричного 
формоизменения ................................................................................................. 77 
4.1.3. Расчет напряжений по кинематике течения в задачах объемного 
осесимметричного формоизменения ................................................................ 89 
4.1.4. Численная реализация и особенности построения конечноэлементной 
модели при решении технологической задачи осадки сплошной 
цилиндрической заготовки ................................................................................ 95 
4.1.5. Осадка сплошных цилиндрических заготовок в состоянии 
сверхпластичности............................................................................................ 101 
4.2. Осаживание тонкослойных заготовок ........................................................ 105 
4.2.1. Конечноэлементная модель пластического сжатия тонкослойной 
заготовки между шероховатыми плитами ..................................................... 105 
4.2.2. Осадка квадратной в плане заготовки .................................................. 110 
4.2.3. Осадка листовых анизотропных заготовок.......................................... 120 
4.2.4. Осаживание квадратной листовой заготовки в круглой матрице ..... 126 
Библиографический список к разделу 4 ............................................................ 135 
РАЗДЕЛ 5. МЕХАНИЗМЫ ВОДОРОДНОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ .................................................................. 138 
5.1. Общие сведения о водородном растрескивании металлических 
материалов ............................................................................................................ 138 
5.2. Анализ современных теоретических представлений о механизмах 
водородного растрескивания конструкционных металлических материалов140
4

5.2.1. Теории внутреннего давления............................................................... 140 
5.2.2. Адсорбционные теории.......................................................................... 142 
5.2.3. Метановая гипотеза ................................................................................ 144 
5.2.4. Модели, основанные на гидридном охрупчивании ............................ 146 
5.2.5. Декогезионные теории ........................................................................... 148 
5.2.6. Теория влияния водорода на подвижность дислокаций..................... 154 
5.2.7. Комплексные подходы........................................................................... 160 
5.3. Основные выводы .........................................................................................164 
Библиографический список к разделу 5 ............................................................164 
РАЗДЕЛ 6. НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ 
МЕТАЛЛУРГИИ .....................................................................................................174 
6.1. Порошковые металлические сплавы с наноаморфной, 
нанокристаллической и микрокристаллической структурами........................175 
6.2. Ультрадисперсные порошковые материалы ..............................................177 
6.3. Прессование и спекание ультродисперсных материалов .........................179 
6.4. Структурное состояние частиц ультрадисперсного размера и его влияние 
на физические и механические свойства массивных нанокристаллических 
материалов ............................................................................................................182 
6.5. Кластеры в деформированных металлах и их влияние на 
структурообразование и сверхпластичность.....................................................192 
Библиографический список к разделу 6 ............................................................203 
РАЗДЕЛ 7. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ............................................206 
7.1. Композиционные материалы.......................................................................206 
7.1.1. Общие сведения о композиционных материалах................................ 206 
7.1.2. Свойства, состав и классификация пластмасс..................................... 208 
7.1.3. Характеристика и марки термопластов................................................ 211 
7.2. Термореактивные пластмассы.....................................................................217 
7.2.1. Характеристика и марки реактопластов............................................... 217 
7.2.2. Слоистые пластмассы............................................................................. 221 
5

7.3. Неметаллические материалы .......................................................................226 
7.3.1. Резинотехнические материалы (РТМ).................................................. 226 
7.3.2. Керамические материалы....................................................................... 229 
Библиографический список к разделу 7 ............................................................234 
РАЗДЕЛ 8. НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕМАТЕРИАЛЫ И 
НАНОТЕХНОЛОГИИ ............................................................................................237 
8.1. История развития ..........................................................................................237 
8.2. Структура наноматериалов..........................................................................242 
8.3. Классификация наноматериалов .................................................................243 
8.4. Методы получения наноматериалов...........................................................245 
8.5. Свойства наноматериалов............................................................................246 
8.6. Сверхпластичность наноматериалов ..........................................................248 
8.7. Применения наноструктурных материалов ...............................................250 
8.8. Композиционные покрытия триботехнического назначения с 
полимерными матрицами и наполнителями из наночастиц твёрдых смазочных 
материалов ............................................................................................................261 
Библиографический список к разделу 8 ............................................................275 
РАЗДЕЛ 9. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ 
ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В ЧИСТЫХ МЕТАЛЛАХ...................277 
9.1 Оценка вклада в аномальное изменение теплоемкости титана вблизи 
температуры Įĺȕ полиморфного превращения зародышей новой фазы .....280 
9.2. Оценка вклада в аномальное изменение теплоемкости таллия вблизи 
температуры Įĺȕ полиморфного превращения зародышей новой фазы .....291 
9.3. Оценка вклада в аномальное изменение теплоемкости гафния вблизи 
температуры Įĺȕ полиморфного превращения зародышей новой фазы .....294 
9.4. Сравнительные оценки параметров процесса зародышеобразования для 
титана, таллия и гафния.......................................................................................298 
Библиографический список к разделу 9 ............................................................299 
6

РАЗДЕЛ 10. ОСОБЕННОСТИ АКТИВАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ В СОСТОЯНИИ ПРЕДПРЕВРАЩЕНИЙ 301 
Библиографический список к разделу 10 .......................................................... 315 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 317
Список литературы………………………………………………………………..317
7

ʞʟʔʓʗʠʚʝʑʗʔ 
Построение математических моделей механических свойств многофазных, 
сложнолегированных материалов, а также технологий получения деталей из них 
является комплексной задачей, требующей проведения трудоемких теоретических и экспериментальных исследований. При этом необходимы знания о закономерностях изменения механических свойств металлов, сталей и цветных сплавов, порошковых композиционных, ультрадисперсных нанокристаллических и
наноаморфных металлических и неметаллических материалов при различных 
температурно-скоростных и силовых воздействиях.
В настоящей монографии приведены результаты моделирования механических свойств гетерофазных инструментальных сталей в процессах изотермического деформирования и сверхпластического формоизменения, которые могут 
быть основой для разработки малопереходных ресурсосберегающих технологий 
производства высококачественных металлорежущего и штампового инструментов. Механические свойства углеродистых и промышленных труднодеформируемых сложнолегированных быстрорежущих сталей У8А, Р6М5 и 10Р6М5-МП 
исследовались при растяжении в различных температурно-скоростных условиях.
С использованием методов планирования эксперимента на основе точных 
D-оптимальных многофакторных планов построены математические модели
предела прочности, относительного удлинения, относительного сужения и коэффициента скоростного упрочнения, которые достаточно точно описывают процессы изотермического формоизменения и фазовой сверхпластичности. С их помощью установлены закономерности деформирования инструментальных сложнолегированных сталей в температурно-скоростных полях с учетом влияния температуры, скорости деформации, схемы напряженного состояния и структуры на 
прочность и пластичность материалов.
Изучены ультрадисперсные порошковые и компактные наноаморфные и 
нанокристаллические материалы и технологии их производства. С помощью термодинамики малых систем и теории дефектов дан анализ влияния ультрадисперсного и кластерного структурного состояния этих материалов на комплекс 
8

физических и механических свойств металлических сплавов и химических соединений. Показаны перспективы широкого применения таких материалов с 
уникальным комплексом физико-химических и механических свойств в различных областях науки и техники.
Рассмотрены строение, состав, структура, свойства и области применения 
наноструктурных и композиционных, полимерных материалов и композиционные покрытия триботехнического назначения с полиимидными матрицами и 
наполнителями из наночастиц твердых смазочных материалов. Проанализированы процессы зародышеобразования и образования точечных дефектов кристаллической решетки в некоторых математических системах в различных температурно-скоростных условиях и состояниях.
В книгу вошли результаты многолетних исследований, выполненных авторами в Тульском государственном университете, базовой лаборатории 
ИМЕТ РАН «Новые процессы формоизменения металлических материалов специального назначения», в лаборатории перспективных материалов, технологий 
и изделий Тульского научно-технологического парка, в Тульском артиллерийском инженерном институте, институте металлургии и материаловедения 
им. А.А. Байкова РАН, Тульском государственном педагогическом университете 
им. Л.Н. Толстого по приоритетным фундаментальным научным направлениям.
Авторы выражают благодарность всем коллегам, совместная работа с которыми способствовала появлению данной монографии.
9

ʟʏʖʓʔʚ 1. ʛʏʡʔʟʗʏʚʪ ʗ ʛʔʡʝʓʪ ʗʠʠʚʔʓʝʑʏʜʗʘ 
1.1. ʛ˃˕ˈ˓ˋ˃ˎ˞ ˇˎˢ ˏˑˇˈˎˋ˓ˑ˅˃ːˋˢ ˏˈ˘˃ːˋ˚ˈ˔ˍˋ˘ ˔˅ˑˌ˔˕˅ 
Исследованы углеродистая сталь У8А и труднодеформируемые гетерофазные сложнолегированные материалы, из которых изготавливают металлорежущий инструмент - быстрорежущие вольфрамомолибденовые стали типа Р6М5 с 
карбидным упрочнением различных способов производства: Р6М5 традиционного слиткового передела и сталь 10Р6М5-МП, полученная методом порошковой 
металлургии. Указанные стали имеют различную дисперсность: порошковая 
сталь 10Р6М5-МП имеет более мелкое зерно ферритной основы и мелкие равномерно распределенные в структуре карбиды, чем у стали Р6М5. Поэтому такой 
выбор исследуемых материалов открывает возможность исследовать влияние 
структурного фактора, заложенного в эти материалы состоянием поставки, на закономерности развития и уровень процессов деформирования. 
Сталь Р6М5 широко применяется для изготовления металлорежущих инструментов и является основной среди БРС умеренной теплостойкости. Она получена традиционным слитковым переделом [1, 2]. Технология получения стали 
Р6М5 включала следующие операции: выплавку стали, последующую горячую 
обработку слитков давлением (ковка слитков; обрезка концов заготовки; отжиг 
заготовки; шлифование заготовки; контроль заготовки; горячая прокатка; обрезка концов проката; отжиг проката; шлифование; контроль заготовки; горячая 
прокатка; отжиг прутка; правка прутка; контроль заготовок прутка) [3].
Технология получения порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5-МП 
включала в себя следующие основные операции: выплавку, получение порошка 
посредством распыления жидкого металла азотом, горячую экструзию порошка 
в капсулах и последующую термическую обработку заготовок (отжиг) с целью 
снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости ее резанием (рис. 1).
Выплавку производили в открытой индукционной печи под слоем шлака. 
Расход азота при распылении 1 кг жидкого металла составляет 0,6...1,0 м3 скорость охлаждения стали при распылении – 104...105 ႏ/с [4]. Размер гранул порошка после распыления изменяется от 40 до 630 мкм, основу же его составляла 
10