Развитие теории обработки металлов давлением (научный обзор). Часть 1

В середине XX века развитие теории и практики обработки металлов давлением в России во многом определяли уральские научные школы В.Л. Колмогорова, А.А. Богатова (г. Екатеринбург), В.Н. Выдрина (г. Челябинск), Г.Э. Аркули-са, М.И. Бояршинова (г. Магнитогорск), Г.Л. Колмогорова (г. Пермь). Особенно интересны и системны были подходы и разработки выдающегося ученого-металлурга и организатора науки – Владимира Николаевича Выдрина. Им была еще в СССР создана Проблемная лаборатория, в рамках которой создано новое оборудование, включающее сочетание основных процессов ОМД: прокатки, прессования, волочения, ковки. Опорой В.Н. Выдрина в те годы и верными соратниками были заведующий Проблемной лабораторией В.Г. Шеркунов и молодой доктор наук Л.М. Агеев.

Профессор В.Г. Шеркунов выполнил ряд «прорывных» работ в теории волочения, внес значительный вклад в развитие метизного производства [1]. Л.М. Агеев долгое время был самым молодым доктором наук из всех прокатчиков СССР, им создан принципиально новый процесс ПВ («прокатка-волочение») для получения тонких холоднокатаных полос [2].

Золотой фонд челябинской научной школы В.Н. Выдрина составили 14 специалистов, защитивших докторские диссертации по актуальным проблемам обработки материалов давлением: Я.С. Финкельштейн, Л.М. Агеев, Л.А. Барков, В.Г. Дукмасов, Н.В. Судаков, Г.И. Коваль, В.Г. Шер-кунов, В.С. Токарь, Б.А. Чаплыгин, А.В. Выдрин, В.А. Павлов, А.В. Козлов, Ю.В. Горохов, В.И. Трус-ковский [1–13].

Особенно хочу выделить двух блестящих ученых – последователей и учеников Владимира Николаевича. А.В. Выдрин возглавляет науку челябинских трубопрокатчиков, вырос в одного из ведущих ученых России и зарубежья в области теории и практики прокатки труб. В.Г. Шеркунов руководит кафедрой, подготовил 6 докторов наук (мало кто из нас может похвастать такой цифрой), уровень возглавляемого им научного коллектива позволяет решать сложные современные задачи обработки металлов давлением [8, 10–13].

По работам В.Н. Выдрина в области непрерывной прокатки обучалось несколько поколений студентов-прокатчиков. Широкое распространение получили в работах научных школ В.Н. Выдрина и М.И. Бояршинова многовалковые калибры [14, 15]. Специализированные кафедры ОМД ЧПИ и МГМИ провели серию совместных семинаров и конференций по развитию теории прокатки в многовалковых калибрах. Влияние личности ученого-мыслителя В.Н. Выдрина на развитие и достижения научных школ Магнитогорских прокатчиков несомненно.

В предлагаемом спецвыпуске журнала, посвященного 95-летию В.Н. Выдрина, будут отражены основные достижения челябинских ученых, и поэтому автор предлагает научный обзор результатов магнитогорских исследователей коллектива кафедры машиностроительных и металлургических технологий (ММТ) МГТУ им. Г.И. Носова, так как уверен, что влияние научного авторитета В.Н. Выдрина на работы уральских ученых значительно и благотворно.

Коллектив кафедры ММТ МГТУ им. Г.И. Носова эффективно сотрудничает с ведущими научными школами России – прокатчиками Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН РФ (В.С. Юсупов), МИСиС (А.В. Зиновьев, В.В. Бринза, Р. Кавалла), МГТУ им. Н.Э. Баумана (А.Г. Колесников), Цветметобработки (Г.В. Аших-мин), ЮУрГУ (В.Г. Шеркунов), Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина (А.А. Богатов), Сибирского федерального университета (Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников), Тульского государственного университета (С.С. Яковлев), Пермского национального технического университета (Г.Л. Колмогоров, М.Б. Гитман) и многими другими отечественными и зарубежными организациями.

В 1999 г. впервые в МГТУ им. Г.И. Носова Государственной премией в области науки и техники удостоен коллектив учёных кафедры во главе с профессором В.Л. Стеблянко за создание непрерывной промышленной линии по производству биметаллической проволоки на Магнитогорском метизно-металлургическом заводе [16, 17].

Во главе с доцентом В.Д. Голевым молодые учёные М.В. Чукин, И.Ю. Мезин, М.Я. Митлин спроектировали цех порошковой металлургии на белебеевском заводе «Белсельмаш». Идеи молодых учёных И.Ю. Мезина, И.Г. Гуна, М.В. Чукина по переработке чугунной обрези изложниц в порошок послужили толчком к созданию минизавода порошковой металлургии «Феррум» на базе ОАО «ММК». Впервые в регионе мы стали производить порошковые изделия для ВАЗа, затем во главе с профессором И.Г. Гуном создано предприятие по выпуску автокомпонентов – ЗАО «Бел-Маг», которое в настоящее время является лидером по производству автокомпонентов в России и фактически служит базовой кафедрой университета на производстве [18–20].

Нельзя не отметить издательскую деятельность кафедры ММТ, выпустившей за эти годы сотни книг, монографий, пособий, сборников; занимающей лидирующие позиции в выпуске журнала ВАК «Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова», журналов «Обработка сплошных и слоистых материалов», «Качество в обработке материалов».

Кафедра всегда отличалась самобытностью и новаторством в теоретических разработках.

Так, первый заведующий кафедрой, профессор Г.Э. Аркулис разработал уникальную теорию совместной пластической деформации разнородных металлов, послужившую базой для решения задач конструирования и обработки слоистых материалов различных композиций и назначения. Эта теория в то время явилась прорывом в теории совместной деформации материалов с различными характеристиками, получила мировое признание и распространение [21, 22].

Тесное сотрудничество кафедры с метизными заводами страны и с единственным в то время исследовательским метизным центром СССР – ВНИИметизом позволили занять лидирующие позиции в теории метизного производства. Мощная группа метизников: Х.Н. Белалов, Ю.И. Коко-вихин, В.А. Кулеша, Н.А. Клековкина, В.Г. Доро-гобид, Г.А. Щеголев, В.А. Харитонов, В.П. Манин, М.В. Чукин, А.Г. Корчунов и др. фактически обеспечила теоретическую платформу метизной подотрасли СССР, а затем и России [23–27].

Международное признание получила и научная школа «порошковиков»: В.Д. Голев, И.Ю. Ме-зин, М.В. Чукин, М.Я. Митлин, Э.М. Голубчик, М.А. Полякова и др. На рубеже 80–90-х годов прошлого столетия в университете при кафедре ММТ открыта специальность «Порошковые и композиционные материалы, покрытия» и начата подготовка высококвалифицированных инженерных кадров в области порошковых технологий и нанесения покрытий. В 1988 г. по заданию Государственного комитета по образованию СССР научно-педагогический коллектив кафедры назначен разработчиком учебного плана по специальности «Порошковые и композиционные материалы, покрытия» для всех вузов СССР.

Представители научного коллектива, вовлеченные в научные исследования по проблемам порошковой металлургии и нанесения покрытий (научные руководители – И.Ю. Мезин, М.В. Чу-кин), приняли участие в 17 научно-исследовательских работах, в числе которых 3 федеральные научно-технические программы по исследованиям в области порошковой технологии, Международный проект с техническим университетом г. Хемниц (ФРГ), 6 грантов по фундаментальным проблемам в области металлургии и в области машиностроения. Под руководством И.Ю. Мезина разработаны теоретические принципы построения технологических процессов производства пористых металлоизделий для различных отраслей промышленности, заключающиеся в использовании холодной пластической деформации в качестве операции, обеспечивающей не только форму и размеры, но и одновременное формирование материала готового изделия, получены новые научные знания о консолидации отдельных элементов пористой металлической среды при холодном прессовании [28–34].

Научным коллективом под руководством д-ра техн. наук И.Г. Гуна разработаны новые и усовершенствованы существующие процессы обработки давлением, такие как: планетарная обкатка, запрессовка, высадка, штамповка, планетарноповоротная обкатка, закатка и др.; разработана концепция производства метизов для Автопрома; пакеты методик расчета и испытательные стенды для автомобильных метизов. ЗАО «БелМаг» во многом благодарясвоим теоретическим разработкам стал лидером в России по производству автокомпонентов [35–55].

Новая концепция конструирования и формирования покрытий в процессах ОМД на основе принципа обеспечения динамической устойчивости технологического и эксплуатационного деформирования при стохастичности параметров управления и состояния разработана М.В. Чуки-ным. Им предложен метод сравнения двух специальных нечетких множеств задач технологического и эксплуатационного деформирования изделий с покрытиями, учитывающий этапность и значимость целей соответствующих показателей для комплексного критерия оптимизации; создана реологическая модель упругопластической пористой слоистой среды с межслойными границами произвольной формы и пространственной ориентации; получены условия совместной пластической деформации некомпактных элементов многослойного материала для случаев отсутствия и наличия деформационного упрочнения твердой фазы элементов композита. Под руководством М.В. Чу-кина проведен комплекс теоретических изысканий, в результате получены новые научные знания о процессе волочения проволоки с полимерными покрытиями при детерминированных значениях микрогеометрии межслойной границы и случайновероятностном характере распределения показателей микрогеометрии межслойной границы; определены границы устойчивости процесса электро-контактного напекания двухслойных покрытий при детерминированных значениях пористости и случайно-вероятностном характере распределения пористости по объему элементов композиции; выведены зависимости влияния параметров состояния пористых покрытий из самофлюсующихся порошковых сплавов на эксплуатационные показатели изделий с покрытиями при механическом воздействии абразивной средой. В результате исследований предложены теоретические принципы разработки оптимальных процессов технологического деформирования изделий с покрытиями и оптимальных конструкций покрытий в процессах эксплуатационного деформирования [56–63].

В конце прошлого столетия под руководством автора в МГТУ предложено новое научное направление – квалиметрия промышленной продукции и производственных процессов в металлургии, разработаны методология и методы комплексной количественной оценки материальных объектов, являющихся продуктом труда, технологических процессов, процессов организации работы предприятий и учреждений. Направление включает в себя разработку методов структурирования интегрального качества объекта, функциональноцелевой анализ качества, исследование качества с использованием метода QFD, исследование взаимодействий отдельных свойств, разработка методов оценки отдельных и комплексных свойств, разработка методов свёртки единичных и комплексных оценок в интегральную. Предложенное нами направление основывается на холистическом подходе и теоретических положениях теории систем и системного анализа, исследовании синергетических эффектов, математическом аппарате классической и нечёткой логики [64–71].

В XXI веке кафедра ММТ (зав. кафедрой М.В. Чукин) получила новое мощное дыхание. Создана современная, мирового уровня лабораторно-исследовательская база, выиграны конкурсные программы и гранты (только за последние 5 лет с суммой более 300 млн руб.), где особенно значимы проекты по созданию нового высокотехнологичного производства [72–82].

С 2007 г. на кафедре ММТ под руководством проф. М.В. Чукина проводится комплекс научноисследовательских работ, направленных на установление закономерностей формирования структуры и свойств ультрамелкозернистых (УМЗ) углеродистых сталей, методами деформационного измельчения [83–87]. Под УМЗмы понимаем по-ликристаллические материалы с размером зерен менее 1000 нм, свойства которых значительно отличаются от свойств крупнозернистых материалов, что определяет реальные возможности их практического применения в разнообразных отраслях науки и техники. Исследования были начаты под руководством М.В. Чукина и Н.В. Копце-вой при участии сотрудников Института физики перспективных материалов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», которые оказали существенную помощь в осуществлении равноканального углового прессования (РКУП), одного из наиболее эффективных методов деформационного получения УМЗ структуры с размером зерна менее 1000 нм.

Н.В. Копцевой были доказаны феноменологические особенности структурных превращений в углеродистой конструкционной стали при деформационном измельчении зерна до размера 200–500 нм методом РКУП, выявлено влияние на них предварительной термической обработки и последующих деформационного и термического воздействий [86, 88, 89]. Определен механизм влияния структуро-образования в углеродистых конструкционных сталях на механические свойства, формирующиеся в процессе РКУП и при последующих деформационнотермических воздействиях, которые характеризу- ются высоким уровнем прочностных характеристик при сохранении удовлетворительных пластических характеристик и ударной вязкости [89–91]. Раскрыты специфические особенности структурных превращений и механизма рекристаллизации при нагреве УМЗнизко- и среднеуглеродистой стали, объясняющие высокую стабильность ее структуры и свойств при термическом воздействии [92]. Эти результаты вносят вклад в расширение представлений металловедения о фазово-структурных превращениях в сталях при внешних воздействиях и о влиянии структуры на их свойства.

В качестве способа формирования УМЗ структуры материала был разработан метод равноканальной угловой свободной протяжки, реализация которого позволила управлять свойствами металловвусловияхнепрерывноститехнологическо гопроцессаизготовления проволоки [84–87].

Полученные результаты показали возможность использования РКУП для получения в дешевых нелегированных сталях свойств, характерных для легированных сталей после упрочняющей термической обработки, для пластифицирования стали и успешного проведения последующей холодной пластической деформации с формированием высоких прочностных характеристик продукции. Была создана база данных, зарегистрированная в государственном реестре, позволяющая прогнозировать комплекс механических свойств УМЗ сталей и обеспечивающая накопление и подготовку исходных данных для создания новых технологических процессов с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИПД) при производстве различных видов металлопродукции.

Внедрение результатов исследований позволяет значительно расширить класс конструкционных материалов для изготовления металлических изделий, обладающих повышенными прочностными свойствами, что имеет большое значение для металлургии и машиностроения и приносит существенный экономический эффект.

Эти работы получили развитие в настоящее время: с использованием физического моделирования на современном комплексе Gleeble 3500 в МГТУ исследуется возможность деформационного измельчения и получения УМЗ структуры углеродистой стали методами высокоскоростной и многоцикловой горячей пластической деформации [84–96].

М.П. Барышниковым разработан и внедрен новый подход к регламентации поверхностного слоя металлических изделий, заключающийся в рассмотрении зоны контактирования двух поверхностей как некоторой некомпактной пористой среды, где можно выделить две основные области: материал и пустое пространство. Применение такого подхода при рассмотрении процессов контактирования поверхностей позволяет использовать для моделирования и прогнозирования теоретиче- ские закономерности и математический аппарат, известные в механике некомпактных сред и порошковой металлургии [97, 98]. М.П. Барышниковым предложена методика прогнозирования механических свойств и напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессах обработки давлением стальных заготовок с различными структурными неоднородностями (неметаллические включения, газовые поры, направленная структура вследствие неоднородности деформации). Методика основана на представлении металлов как некомпактной среды и реализована методами конечно-элементного и аналитического математического моделирования [99, 100].