POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki AUTOREFERAT

Transkrypt

1 POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki AUTOREFERAT Załącznik nr 1 do wniosku o wszczęcie postępowania habilitacyjnego w dziedzinie nauk technicznych w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn Autor: dr inż. Marcin Kukuryk Instytut Technologii Mechanicznych Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechnika Częstochowska Częstochowa 2019

2 Spis treści 1. Dane osobowe Posiadane dyplomy i stopnie naukowe Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311) Tytuł osiągnięcia naukowego Cykl publikacji powiązanych tematycznie Omówienie celu naukowego, osiągniętych wyników oraz ich zastosowań Wprowadzenie Omówienie osiągnięć naukowych Analiza wpływu kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych (X6CrNiTi18-10, 55NiCrMoV7 i X37CrMoV51) Analiza wpływu kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stopów tytanu (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Mo-2Cr) Analiza wpływu kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego nadstopu Waspaloy Analiza prognozowania powstawania pęknięć oraz badanie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych podczas kucia wydłużającego (X37CrMoV51, X6CrNiTi18-10, X40CrMoV5-1-1 i nadstopu Waspaloy) Analiza niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania (X37CrMoV51, X6CrNiTi18-10 i nadstopu Waspaloy) Podsumowanie i wnioski Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo badawczych, dydaktycznych i organizacyjnych Wykaz innych (nie wchodzących w skład osiągnięcia wymienionego w pkt.4) opublikowanych prac naukowych Omówienie osiągnięć dydaktycznych Działalność organizacyjna Nagrody i wyróżnienia Omówienie realizowanych projektów o charakterze naukowym Szkolenia i staże Aktywny udział w międzynarodowych i krajowych konferencjach naukowych Działalność popularyzująca naukę

3 1. Imię i nazwisko Marcin Kukuryk 2. Posiadane dyplomy i stopnie naukowe Dyplom doktora nauk technicznych, 2010r., Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, dyscyplina: Budowa i Eksploatacja Maszyn. Tytuł rozprawy doktorskiej: Analiza wpływu wybranych parametrów procesu kucia wydłużającego na pola naprężeń i odkształceń. Promotor: Recenzenci: dr hab. inż. Krzysztof Werner, prof. P.Cz. Prof. dr hab. inż. Jan Sińczak, AGH Prof. dr hab. inż. Krzysztof Tubielewicz, P.Cz. Dyplom magistra inżyniera nauk technicznych, 2007 r. Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Kierunek studiów: Mechanika i Budowa Maszyn, specjalność: Inżynieria Jakości. Tytuł pracy dyplomowej: Analiza jakości produkcji wyrobów wykonywanych wybranymi technologiami przeróbki plastycznej na gorąco. Promotor: dr inż. Jerzy Kuliński Dyplom magistra inżyniera nauk technicznych, 2005 r. Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Kierunek studiów: Elektrotechnika, specjalność: Komputeryzacja i Robotyzacja Procesów. Tytuł pracy dyplomowej: Systemy ochrony przeciwzakłóceniowej w budynku inteligentnym. Promotor: dr hab. inż. Antoni Sawicki, prof. P.Cz. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych od doktorant, Instytut Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska, od obecnie: adiunkt, Instytut Technologii Mechanicznych, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska. 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311) 4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego Osiągnięcie naukowe stanowi cykl 16 publikacji powiązanych tematycznie z lat Temat cyklu: Analiza wpływu modyfikacji kształtu narzędzi oraz parametrów technologicznych na pola naprężeń i odkształceń, mikrostrukturę i prognozowanie pękania podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych i stopów. 3

4 4.2. Cykl publikacji powiązanych tematycznie W skład rozważanego cyklu publikacji wchodzą następujące prace: A1. Kukuryk M., 2018, The Analysis of Deformation and Forecasting Microstructure in the Forging Process of the X6CrNiTi18-10 Austenitic Steel, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 63, Iss. 1, pp , DOI: / (IF 0,625, lista A MNiSW, 30 pkt.). A2. Kukuryk M., 2018, Numerical Analysis of Strains and Stresses in the Hot Cogging Process, Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, vol. 17(3), pp , ISSN: , DOI: /jamcm , indeksowane w bazie Master Journal List, Web of Science/Scopus, (lista B MNISW, 10 pkt.). A3. Kukuryk M., 2017, Analiza odkształcenia i prognozowania pękania podczas wieloetapowego kucia wydłużającego, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 84, nr 5, s , DOI: / , (lista B MNISW, 7 pkt.). A4. Kukuryk M., 2016, Analiza procesu zamykania wad wewnętrznych podczas kucia wydłużającego w kowadłach płaskich i kształtowych, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 83, nr 10, s , DOI: / , (lista B MNISW, 7 pkt.). A5. Kukuryk M., 2016, Analiza odkształcenia i prognozowania pękania w procesie kucia stopu Waspaloy, Rudy i Metale Nieżelazne Recykling, R. 61, nr 7, s , DOI: / , (lista B MNISW, 8 pkt.). A6. Kukuryk M., 2016, Analiza odkształcenia i powstawania pęknięć w procesie kucia stali austenitycznej, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 83, nr 2, s , DOI: / , (lista B MNISW, 7 pkt.). A7. Kukuryk M., 2015, Analysis of Deformation and Microstructural Evolution in the Hot Forging of the Ti-6Al-4V Alloy, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 60, Iss. 3A, pp , DOI: /amm (IF 1,090, lista A MNiSW, 30 pkt.). A8. Kukuryk M., 2014, Termomechaniczna oraz mikrostrukturalna symulacja procesu kucia wydłużającego stopu Waspaloy, Rudy i Metale Nieżelazne Recykling, R. 59, nr 10, s , (lista B MNISW, 8 pkt.). A9. Kukuryk M., 2014, Wpływ parametrów technologicznych na efektywność procesu kucia wydłużającego, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 81, nr 9, s , (lista B MNISW, 7 pkt.). A10. Kukuryk M., 2014, Analiza zjawisk termomechanicznych w procesie kucia nadstopu Waspaloy, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 81, nr 5, s , (lista B MNISW, 7 pkt.). A11. Kukuryk M., 2012, Analysis of Deformation and Damage Evolution in Hot Elongation Forging, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 57, Iss. 2, pp , DOI: /v , ISSN: (IF 0,431, lista A MNiSW, 20 pkt.). A12. Kukuryk M., 2012, Analiza procesu kucia wydłużającego ze skręcaniem, Hutnik Wiadomości Hutnicze, T. 79, nr 11, s , ISSN: (lista B MNISW, 7 pkt.). 4

5 A13. Kukuryk M., Kukuryk B., 2011, Termomechaniczna symulacja procesu kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-2Mo-2Cr, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 31, nr 1, s , ISSN: (lista B MNISW, 9 pkt.). A14. Kukuryk M., 2011, Analiza numeryczna odkształceń oraz mikrostruktury podczas wysokotemperaturowego kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V, Inżynieria Materiałowa R. 32, nr 2, s , ISSN: (lista B MNiSW, 9 pkt.). A15. Kukuryk M., 2010, Termomechaniczna oraz mikrostrukturalna symulacja procesu kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V, Rudy i Metale Nieżelazne, R. 55, nr 9, s , ISSN: (lista B MNISW, 9 pkt.). A16. Kukuryk M., 2010, Analiza procesu kucia wydłużającego w kowadłach płaskich i kształtowych, Hutnik Wiadomości Hutnicze, R. 77, nr 11, s , ISSN: (lista B MNISW, 7 pkt.). Cykl publikacji powiązanych tematycznie pt. Analiza wpływu modyfikacji kształtu narzędzi oraz parametrów technologicznych na pola naprężeń i odkształceń, mikrostrukturę i prognozowanie pękania podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych i stopów przedstawiony, jako osiągnięcie wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz.595 ze zm.) obejmuje następujące zagadnienia: - badanie wpływu kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego: - wybranych stali stopowych [A1, A2, A6, A9, A11, A16], - wybranych stopów tytanu [A7, A13, A14, A15], - nadstopu Waspaloy [A5, A8, A10], - prognozowanie powstawania pęknięć oraz badanie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych podczas kucia wydłużającego [A3, A4, A5, A6, A11], - badanie niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania [A8, A11, A12] Omówienie celu naukowego, osiągniętych wyników oraz ich zastosowań Wprowadzenie Zagadnienie wyboru właściwego kształtu i gatunku materiału wyjściowego oraz prawidłowego procesu technologicznego dla uzyskania odkuwek o odpowiedniej mikrostrukturze i wysokich właściwościach mechanicznych stanowi niezwykle istotne zagadnienie. Rozwiązanie jego nie jest proste, gdyż jest to bardzo złożony, wielokryterialny problem decyzyjny wymagający interdyscyplinarnego rozwiązywania problemów metaloznawczych, stalowniczych, nagrzewania wsadu, przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Dla rozwiązania powyższych problemów technologicznych należy dysponować odpowiednim materiałem teoretyczno-doświadczalnym umożliwiającym projektowanie poszczególnych procesów technologicznych kucia z możliwością wstępnego prognozowania właściwości mechanicznych i struktury. Projektowanie nowych procesów technologicznych kucia wydłużającego jest skomplikowane ze względu na dużą liczbę czynników wpływających na ten proces, częstokroć wzajemnie przeciwstawnych oraz brak dokładnych metod do określenia głównych parametrów procesu. Kucie może być realizowane w narzędziach o różnych parametrach kształtowo-wymiarowych z możliwością asymetrii powierzchni roboczych, różnymi wartościami gniotów, zmiennymi w szerokim zakresie posuwami względnymi, w różnych temperaturach kucia, przy zmiennych kątach kantowania międzyoperacyjnego i przy zastosowaniu różnych systemów kucia. Liczba możliwych 5

6 wariantów kucia przy uwzględnieniu zmienności tych czynników może osiągać duże wartości. Do opracowania procesu technologicznego kucia wydłużającego należy podchodzić kompleksowo, przy wykorzystaniu różnych metod sterowania kinematyką plastycznego płynięcia metalu i procesem formowania jego mikrostruktury. W osiowych strefach wlewka występują największe skupiska wad pochodzenia metalurgicznego, a w początkowych etapach kucia struktura odkształcanego materiału cechuje się niewielką jeszcze plastycznością (stan lany). Ograniczenie wielkości stref naprężeń rozciągających i zwiększenie udziału korzystnych naprężeń ściskających w objętości odkształcanego materiału można osiągnąć poprzez zastosowanie różnego rodzaju kowadeł kształtowych i odpowiednich parametrów technologicznych. Nie dysponujemy dotychczas opracowaniami naukowymi, na podstawie których można by opracować usystematyzowaną, specjalistyczną bazę danych, ujmującą specyfikę warunków odkształcenia w procesach kucia wydłużającego stali stopowych i wysokostopowych oraz stopów tytanu i nadstopów na bazie niklu, umożliwiający dobór parametrów kształtowo-wymiarowych narzędzi oraz optymalnych wartości parametrów technologicznych. Materiały te charakteryzują się niską plastycznością, stosunkowo wąskim zakresem temperatury przeróbki plastycznej na gorąco (najczęściej nieznanym dla praktyki kuźniczej) i wymagają zastosowania odpowiednich narzędzi odkształcających oraz doboru optymalnych parametrów technologicznych. Doskonalenie warunków odkształcenia, zabezpieczających otrzymanie odkuwek o wysokiej jakości wewnętrznej, przy nie podwyższaniu nakładów energetycznych i ekonomicznych, to bardzo duże, aktualne wyzwanie dla nowoczesnych technologii kuźniczych. Odczuwa się brak prac nad złożonym procesem kucia wydłużającego, które umożliwiłyby opracowanie nowych technologii wytwarzania odkuwek, umożliwiających uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury i wysokich właściwości mechanicznych. Stąd w prezentowanym cyklu prac, powiązanych tematycznie, uważałem za celowe określenie wpływu modyfikacji parametrów kształtowo-wymiarowych narzędzi kuźniczych, wartości gniotu, posuwu względnego, temperatury, warunków tarcia i systemów kucia na kinematykę płynięcia metalu, pole odkształceń, pole naprężeń, na rozkład temperatury wewnątrz strefy odkształcenia plastycznego oraz na rozwój mikrostruktury i prognozowanie powstawania pęknięć Omówienie osiągnięć naukowych Istotny wkład naukowy cyklu publikacji powiązanych tematycznie polega na kompleksowej analizie wpływu modyfikacji parametrów kształtowo-wymiarowych roboczych powierzchni narzędzi oraz autorskiej metodyki doboru wartości parametrów technologicznych podczas kucia wydłużającego wybranych, reprezentatywnych stali stopowych, wysokowytrzymałych stopów tytanu i nadstopu na bazie niklu i chromu (Waspaloy) na: kinematykę płynięcia metalu, pola naprężeń i odkształceń, mikrostrukturę, prognozowanie pękania w oparciu o fenomenologiczną teorię zniszczenia, ilościowe i jakościowe ujęcie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych oraz na skuteczność niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania, co stanowi mój dorobek w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn. 6

7 W szczególności istotny wkład naukowy dotyczy: opracowania modelu termomechanicznego i mikrostrukturalnego do badań numerycznych przestrzennego procesu kucia wydłużającego wykorzystującego metodę elementów skończonych, który poddany szerokiej weryfikacji eksperymentalnej pozwolił na efektywne modelowanie: odkształceń, naprężeń, temperatury i rozwoju mikrostruktury oraz prognozowania powstawania pęknięć i procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych, opracowania kombinacji temperatury, prędkości odkształcenia i wielkości odkształcenia korzystnych do realizacji procesu kucia wybranych stali stopowych i stopów tytanu oraz nadstopu Waspaloy w oparciu o przeprowadzone eksperymentalne badania plastometryczne i badania odkształcalności w funkcji wskaźnika stanu naprężenia, oszacowania autorskiej, poprawnej wartości czynnika tarcia na powierzchniach kontaktu odkształcanego materiału z narzędziem na podstawie eksperymentalnej próby ściskania pierścienia, wyników analizy numerycznej MES i testów eksperymentalnych, uzyskania eksperymentalnej bazy danych niezbędnej do realizacji badań numerycznych MES z wykorzystaniem modelu termomechanicznego i mikrostrukturalnego: określenie naprężenia uplastyczniającego w funkcji odkształcenia, prędkości odkształcenia i temperatury (krzywe płynięcia), określenie gęstości, ciepła właściwego i przewodnictwa cieplnego w funkcji temperatury (badania dylatometryczne) oraz wartości współczynników w modelu mikrostrukturalnym dla badanych stali i stopów, przeprowadzenia kompleksowych badań numerycznych oraz eksperymentalnej weryfikacji dotyczących wpływu modyfikacji kształtu roboczych powierzchni narzędzi oraz parametrów technologicznych na pola odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego: - stali stopowych: X6CrNiTi18-10, 55NiCrMoV7 i X37CrMoV51, - wysokowytrzymałych stopów tytanu: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Mo-2Cr, - nadstopu na bazie niklu i chromu (Waspaloy), przeprowadzenia badań numerycznych oraz badań doświadczalnych dotyczących prognozowania powstawania pęknięć w oparciu o fenomenologiczną teorię zniszczenia podczas kucia wydłużającego stali stopowych: X37CrMoV51, X6CrNiTi18-10, X40CrMoV5-1-1 i nadstopu Waspaloy oraz badanie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych w odkuwkach, przeprowadzenia badań numerycznych oraz eksperymentalnej weryfikacji dotyczących skuteczności niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania. Silna koncentracja odkształceń normalnych i dodatkowych odkształceń postaciowych w formie cienkich transkrystalicznych warstewek, tzw. mikropasm ścinania jest zjawiskiem mało znanym w procesie kucia wydłużającego i stanowi oryginalne osiągnięcie o charakterze poznawczym oraz aplikacyjnym. W wyniku generowania dużych odkształceń postaciowych i sterowania kinematyką płynięcia metalu można uzyskać odkuwki z zadanym rozkładem mikrostruktury oraz uzyskania wymaganych właściwości mechanicznych, przy minimalnym stopniu przekucia, wprowadzenia innowacyjnego, autorskiego systemu kucia badanych stali stopowych i stopów, polegającego na przeprowadzeniu wstępnego kucia materiału wyjściowego w 7

8 kowadłach specjalnych o wypukłych powierzchniach roboczych (kątowe o kącie 135 o lub trapezowe) i finalnego kucia w kowadłach promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o, przy zastosowaniu optymalnych parametrów technologicznych. Pozwoliło to osiągnąć rozkłady intensywności odkształceń zbliżone do równomiernego oraz uzyskanie jednorodnej i drobnoziarnistej mikrostruktury, wprowadzenia innego innowacyjnego, autorskiego systemu kucia stopów tytanu i stopu Waspaloy polegającego na zastosowaniu w początkowej fazie kucia wydłużającego kowadeł specjalnych trójpromieniowych, w połączeniu z następnym odkształcaniem w kowadłach asymetrycznych promieniowo-rombowych o kącie 105 o x135 o lub kowadeł promienioworombowych o podwójnej asymetrii o kącie 60 o x45 o +75 o x60 o, co stwarza możliwości sumarycznego wykorzystania ich indywidualnych zalet i pozwoli osiągnąć intensywne oraz równomierne przekucie w objętości odkształcanego materiału, przeprowadzenia termomechanicznej i mikrostrukturalnej symulacji procesu kucia wydłużającego wlewka przy wykorzystaniu warunków przemysłowego kucia programowanego na zintegrowanej linii kuźniczej 20 MN oraz dokonania oceny wpływu wielkości stopnia przekucia i odkształcenia całkowitego na pola intensywności naprężeń i odkształceń, naprężeń średnich, temperatury, stan mikrostruktury oraz prognozowanie powstawania pęknięć (założona sekwencja 2, 4, 8, 12 i 14 przejść technologicznych). Duża zgodność otrzymanych wyników z wybranymi rezultatami badań eksperymentalnych świadczy o przydatności opracowanego modelu numerycznego do analizy procesu kucia wydłużającego reprezentatywnych stali stopowych w warunkach przemysłowych, przeprowadzenia kompleksowej oceny wpływu modyfikacji kształtu narzędzi oraz głównych parametrów technologicznych na skuteczność procesu kucia wydłużającego w oparciu o opracowane mapy rozkładu: intensywności odkształceń i naprężeń, naprężeń średnich, temperatury, ułamka objętości zrekrystalizowanej, średniej wielkości ziarna i wskaźnika powstawania pęknięć. Z kowadeł promieniowo-rombowych do kucia badanych stali stopowych i stopów zalecam stosować kowadła o kątach wykroju 120 o 135 o, przy przyjęciu gniotów rzeczywistych 0,25-0,38 i posuwów względnych z zakresu: 0,75 1,0. Bardzo istotnym wynikiem opracowania jest ujawnienie dużej nierównomierności odkształcenia w obszarach zmian kierunku płynięcia metalu (pod wierzchołkami kowadeł kształtowych o promieniu zaokrąglenia R w oraz pod promieniami zaokrągleń krawędzi kowadeł r k ). Dla zmniejszenia wpływu tego niekorzystnego zjawiska zalecam przyjmować R w /D 0 = 0,30 0,5; r k /B k = 0,075 0,150 (D 0 średnica materiału wyjściowego, B k szerokość kowadła). Z kowadeł asymetrycznych do kucia badanych stali stopowych i stopów zalecam stosować kowadła o kątach: 105 o /135 o i 60 o x45 o + 75 o x60 o ( kowadła o podwójnej asymetrii). Kowadła specjalne: trójpromieniowe, wypukłe oraz o powierzchniach skrzyżowanych zalecam do kucia wstępnego w proponowanych nowych, autorskich systemach kucia. W kowadłach płaskich (najczęściej stosowanych w praktyce przemysłowej z uwagi na swą uniwersalność) uzyskałem największą nierównomierność rozkładu intensywności odkształceń, przy obecności znacznych naprężeń rozciągających w strefach bocznych odkuwki oraz największą średnią wielkość ziarna. Alternatywą dla kowadeł płaskich są, przebadane przez autora, kowadła ukośne lub kombinowane, charakteryzujące się znacznie wyższą skutecznością procesu kucia wydłużającego w porównaniu z kowadłami płaskimi, opracowania na podstawie przeprowadzonych badań kompleksowej wiedzy, która może być wykorzystana podczas projektowania procesów wieloetapowego kucia przemysłowego 8

9 z dużymi stopniami przekucia odkuwek o kształcie wydłużonym z badanych stali i stopów, z wykorzystaniem modyfikacji kształtu narzędzi i parametrów technologicznych oraz innowacyjnych, autorskich systemów kucia, możliwości doboru odpowiednich parametrów kształtowo-wymiarowych narzędzia odkształcającego, gniotu rzeczywistego, posuwu względnego, temperatury, warunków tarcia, kantowania międzyoperacyjnego i systemów kucia, które umożliwiają kontrolowane sterowanie kinematyką płynięcia metalu. W konsekwencji doprowadza to do lokalizacji odpowiednich wartości odkształceń i naprężeń w ustalonych strefach odkształcanego materiału, reorientacji ekstremalnych stref odkształcenia, co ma istotny wpływ na prognozowanie mikrostruktury i na możliwość sterowania właściwościami mechanicznymi odkuwek z badanych stali stopowych i stopów. Działanie niekorzystnych naprężeń rozciągających zostanie ograniczone do wartości nieistotnych dla technologii kucia, w wyniku czego uzyska się korzystne warunki do zgrzewania wad wewnętrznych pochodzenia metalurgicznego oraz nastąpi istotne zmniejszenie prawdopodobieństwa powstania wewnętrznych i powierzchniowych pęknięć. To nowe podejście w kompleksowej analizie technologii kucia wydłużającego, dotychczas nie spotykane w kraju i odzwierciedla światowe tendencje w sterowaniu jakością metalu odpowiedzialnych wysokojakościowych odkuwek. Wybrane stale stopowe i stopy tytanu oraz nadstop na bazie niklu i chromu (Waspaloy), które zastosowano w badaniach charakteryzują się niską plastycznością w podwyższonych temperaturach, mają zróżnicowany charakter umocnienia odkształceniowego, wymagają ostrego przestrzegania ściśle określonego, wąskiego zakresu parametrów mechanicznych, cieplnych i technologicznych. Stąd wymagają indywidualnego podejścia podczas opracowywania modeli do numerycznych symulacji oraz do realizacji eksperymentalnych badań procesu kucia wydłużającego. Problem komplikuje zmienność temperatury, wynikająca z równoczesnego oddawania ciepła przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie oraz generowanie ciepła w wyniku pracy odkształcenia plastycznego. W modelowaniu zjawisk w strefie odkształcenia plastycznego poważnym problemem jest brak wyznaczonych właściwości mechanicznych i cieplnych dla badanych stali i stopów w warunkach kucia na gorąco, co wymagało przeprowadzenia odrębnych badań eksperymentalnych. Dotyczyło to również wartości liczbowych współczynników w modelach matematycznych opisujących kinetykę rekrystalizacji i zmiany wielkości ziarna. Wpływ temperatury i prędkości odkształcenia na przebieg zmian zachodzących w mikrostrukturze odkształcanej odkuwki opisałem za pomocą parametru Zener-Hollomona, wyznaczyłem eksperymentalnie średnią wartość energii aktywacji, która jest parametrem określającym stopień trudności realizacji wysokotemperaturowego odkształcenia i określiłem wartości liczbowe współczynników dla modelu mikrostrukturalnego. W podsumowaniu należy stwierdzić, że modelowanie numeryczne zjawisk termomechanicznych i rozwoju mikrostruktury zachodzących podczas kucia wydłużającego jest zagadnieniem bardzo złożonym, zarówno od strony budowy odpowiednich modeli matematycznych i numerycznych, jak i przeprowadzania symulacji komputerowych. Realizacja termomechanicznej i mikrostrukturalnej symulacji dla wieloetapowego procesu kucia wydłużającego wlewka, przy wykorzystaniu warunków przemysłowych, wymagała uwzględnienia charakterystyki prasy kuźniczej, gatunku materiału, temperatury nagrzewania, czasu transportu z pieca do prasy, czasu zadawania kolejnych gniotów, posuwów i kantowań międzyoperacyjnych, temperatury narzędzi, oszacowania poprawnych warunków tarcia na powierzchniach kontaktowych, określenia współczynnika emisji wsadu, współczynnika przewodzenia i ciepła właściwego. Kucie z uwzględnieniem 9

10 warunków przemysłowych wymagało przeprowadzenia kilkunastu następujących po sobie przejść technologicznych z kantowaniem międzyoperacyjnym, co wymagało zastosowania innowacyjnej, autorskiej metodyki badawczej w przeprowadzonych symulacjach komputerowych i ogromnego nakładu czasu na wykonanie obliczeń numerycznych. Zakres badań naukowych i analiz zrealizowanych w przedstawionym osiągnięciu podzieliłem na pięć głównych bloków, z których każdy dotyczył nowatorskich modyfikacji parametrów kształtowo-wymiarowych narzędzi i autorskich metod doboru racjonalnych parametrów technologicznych, których efektem było silne rozdrobnienie mikrostruktury i poprawa właściwości mechanicznych badanych stali i stopów. W pierwszym omawiam wpływ kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych, w drugim wpływ kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stopów tytanu, w trzecim wpływ kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego nadstopu Waspaloy, w czwartym prognozowanie powstawania pęknięć oraz badanie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych podczas kucia wydłużającego, a w ostatnim badanie skuteczności niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania. Głównym celem badań była analiza wpływu innowacyjnych modyfikacji kształtu roboczych powierzchni narzędzi oraz autorskiej metodyki doboru parametrów technologicznych na pola naprężeń, odkształceń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych i stopów tytanu oraz nadstopu Waspaloy. Badania uzupełnia prognozowanie powstawania pęknięć, badanie procesu zamykania nieciągłości wewnętrznych podczas kucia wydłużającego oraz badanie skuteczności niekonwencjonalnych technologii kucia wydłużającego z wykorzystaniem makroskopowych efektów mikropasm ścinania. Utylitarnym celem badań było potwierdzenie, że zaproponowane parametry kształtowowymiarowe narzędzi kuźniczych oraz dobór odpowiednich parametrów technologii wysokotemperaturowego kucia wydłużającego przedstawiony na przykładzie wybranych stali stopowych, stopów tytanu i nadstopu Waspaloy w układzie narzędzie-materiał, z uwzględnieniem techniki modelowania numerycznego, weryfikacji doświadczalnej i eksperymentalnych badań uzupełniających, umożliwia uzyskanie odkuwek o odpowiedniej mikrostrukturze i wysokich właściwości mechanicznych z możliwością aplikacji przemysłowych. Wyniki prowadzonych badań i analiz przedstawiłem w licznych recenzowanych publikacjach [A1-A16, B4, B5, B7, C1, C2, C4 i C5], które są oryginalne w skali krajowej i międzynarodowej (3 samodzielne publikacje w czasopismach z listy JCR) Analiza wpływu kształtu kowadeł oraz parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych (X6CrNiTi18-10, 55NiCrMoV7 i X37CrMoV51) Celem współczesnych technologii kucia jest otrzymanie odkuwek o bardzo wysokiej jakości, tj. wyrobów o wymaganym kształcie i tolerancji wymiarowej oraz uzyskanie właściwości i struktury materiału, najkorzystniejszych ze względu na przeznaczenie i cechy użytkowe detalu. W tym bloku prac prowadziłem badania numeryczne i eksperymentalne dotyczące wpływu kształtu kowadeł oraz głównych parametrów technologicznych na rozkład odkształceń, naprężeń i temperatury oraz na rozwój mikrostruktury podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych. Modelowanie numeryczne zjawisk termomechanicznych zachodzących podczas 10

11 kucia wydłużającego jest zagadnieniem złożonym, zarówno od strony budowy odpowiednich modeli matematycznych i numerycznych, jak i przeprowadzania symulacji komputerowych. Opracowałem termomechaniczny i mikrostrukturalny model matematyczny do badań numerycznych przestrzennego procesu kucia wydłużającego z wykorzystaniem metody elementów skończonych, który pozwolił na efektywne modelowanie odkształceń, naprężeń i temperatury oraz modelowanie rozwoju mikrostruktury. W opracowanym modelu uwzględniłem zjawiska mechaniczne, cieplne oraz mikrostrukturalne. Podstawą prawidłowej symulacji procesu kucia wydłużającego na gorąco jest znajomość naprężenia uplastyczniającego, czyli naprężenia niezbędnego do zainicjowania i kontynuacji plastycznego płynięcia materiału w funkcji odkształcenia, prędkości odkształcenia i temperatury. Problem komplikuje zmienność temperatury, wynikająca z równoczesnego oddawania ciepła przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie oraz generowanie ciepła w wyniku pracy odkształcenia plastycznego. Wartości naprężenia uplastyczniającego dla badanych stali stopowych przyjmowałem z krzywych umocnienia, które wykonałem na podstawie przeprowadzonych eksperymentalnych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla ustalonego zakresu temperatury przeróbki plastycznej na gorąco. Badania obejmowały ściskanie próbek osiowo-symetrycznych na plastomerze krzywkowym typu MAEKAWA Japan. Próbki o wymiarach ø30x30 mm, z odpowiednimi wytoczeniami na powierzchni czołowej dla naniesienia smaru podczas odkształcenia, wykonałem z badanych gatunków stali stopowych o składzie chemicznym podanym w poszczególnych publikacjach. Wyniki uzyskane w formie danych tabelarycznych były importowane do programu MES, a wybrane wykresy graficzne, T ) przedstawiłem w poszczególnych publikacjach. ( p p, Warunki tarcia na powierzchniach kontaktu odkształcanego materiału z narzędziem wyznaczyłem wstępnie z próby ściskania pierścienia, a następnie dopasowywałem wartości czynnika tarcia na podstawie wyników analizy numerycznej MES. Dla określenia rzeczywistej wartości czynnika tarcia przeprowadziłem serię symulacji komputerowych dla założonej temperatury, prędkości odkształcenia oraz różnych wartości czynnika tarcia. Do dalszych podstawowych obliczeń numerycznych przyjąłem tą wartość czynnika tarcia, dla której parametry geometryczne testowanych próbek uzyskane z numerycznych symulacji odpowiadały parametrom geometrycznym próbek uzyskanych w doświadczeniach eksperymentalnych. Rozbieżność pomiędzy wartościami obliczonymi i zmierzonymi doświadczalnie w procesie kucia nie przekraczała 3%. W modelowaniu pól temperatury w strefie odkształcenia plastycznego poważnym problemem jest brak wartości liczbowych współczynników określających własności materiałowe w funkcji temperatury. W literaturze przedmiotu zagadnienia te nie zostały jeszcze dopracowane w zastosowaniu do kucia wydłużającego. Dotyczy to również modeli rozwoju mikrostruktury, w których to wiele bardzo istotnych współczynników nie podaje się w ogóle lub zamieszcza się tylko wybiórcze wartości. W celu oceny warunków przepływu ciepła na powierzchni styku odkuwki z kowadłami wyznaczyłem wartość wymienianego strumienia cieplnego z uwzględnieniem nacisku prasy (100 MPa) i chropowatości powierzchni (R a = 3,5 μm). Badania obejmowały rejestrację temperatury w kilku wybranych punktach wewnętrznych odkuwki i na powierzchni kowadeł z wykorzystaniem termopar płaszczowych typu K. Dokładność pomiaru temperatury wynosiła ±10 K. Dla określenia wartości strumienia cieplnego wymienianego na powierzchni kontaktowej przeprowadzono badania numeryczne, przy wprowadzeniu warunków brzegowych uzyskanych z doświadczenia. Podobną metodykę zastosowano do określenia strumienia cieplnego przejmowanego od powierzchni swobodnej odkuwki przez otoczenie. Dla badanych stali stopowych oraz materiału kowadeł (X37CrMoV51) charakterystykę właściwości takich jak: gęstość, ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne przyjąłem na 11

12 podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych i zadawałem do programu w funkcji temperatury. Opracowany matematyczny model opisu rozwoju mikrostruktury obejmował równania opisujące kinetykę rekrystalizacji i zmiany wielkości ziarna. Podczas kucia na gorąco rekrystalizacja następowała jednocześnie z odkształceniem, przy czym moment rozpoczęcia rekrystalizacji dynamicznej był uwarunkowany osiągnięciem krytycznej wartości odkształcenia ε c. Z uwagi na krótką przerwę pomiędzy odkształceniami (kantowanie), rekrystalizacja dynamiczna była dominującym procesem odbudowy mikrostruktury. Rekrystalizację dynamiczną opisano jako funkcję odkształcenia, prędkości odkształcenia, temperatury i początkowej wielkości ziarna. Do opracowania równań modelu rozwoju mikrostruktury wykorzystałem zależności opracowane przez Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) i dostosowałem do wymogów programu DEFORM 3D. Wpływ temperatury i prędkości odkształcenia na przebieg zmian zachodzących w mikrostrukturze odkształcanej odkuwki opisałem za pomocą parametru Zener-Hollomona. Następnie wykorzystując wyniki przeprowadzonych badań plastometrycznych określiłem energię aktywacji procesu odkształcenia plastycznego przy zastosowaniu metody graficznej. Pomiarami objęto przedział temperatur K i zakres prędkości odkształcenia 0,25-5,5 s -1, stosując trzykrotne powtórzenie każdej próby. Zależności graficzne ln(σ p ) = f (T -1 ) oraz ln(σ p ) = f ( ln ), które odpowiednio dla stałej prędkości odkształcenia ε i stałej temperatury T umożliwiły określenie energii aktywacji. Wartości wyznaczonych współczynników dla modelu mikrostrukturalnego podałem w poszczególnych publikacjach. Do modelowania trójwymiarowego plastycznego płynięcia metalu podczas kucia wydłużającego wybranych stali stopowych wykorzystałem program komputerowy "DEFORM- 3D" (USA), składający się z części mechanicznej, termicznej i mikrostrukturalnej. Do rozwiązania wykorzystano metodę elementów skończonych, połączoną z rozwiązaniem równania Fouriera dla niestacjonarnych przepływów ciepła. Poprawność opracowanego modelu termomechanicznego oraz modelu rozwoju mikrostruktury zweryfikowano, wykorzystując do tego celu wyniki przeprowadzonych badań doświadczalnych. Stwierdzono stosunkowo dobrą zgodność wyników badań numerycznych z odpowiednimi rezultatami eksperymentalnymi. W pracach [A1, A6] przeprowadziłem analizę przestrzennego stanu odkształcenia dla procesu kucia wydłużającego odkuwki typu wał ze stali austenitycznej X6CrNiTi Przedstawiłem wyniki termomechanicznej oraz mikrostrukturalnej symulacji procesu kucia wydłużającego na gorąco w kowadłach płaskich i kształtowych, z uwzględnieniem warunków brzegowych stosowanych w praktyce przemysłowej. Zagadnienie odkształcalności austenitycznych stali nierdzewnych jest istotne w procesach termomechanicznego kształtowania odkuwek o kształcie wydłużonym, przy czym proces kucia stali o dużej zawartości niklu i chromu jest w znacznym stopniu ograniczony ich niskimi właściwościami plastycznymi i szybkim umacnianiem się. Z technologicznego punktu widzenia szczególnie istotny jest stan odkształcenia i naprężenia w osiowej strefie kutego materiału, uwarunkowany przede wszystkim kształtem narzędzia oraz przyjętymi parametrami technologicznymi. Naturalna niejednorodność struktury i wady materiału wyjściowego oraz niejednorodność odkształceń wynikająca z procesu technologicznego kucia przyczyniają się w efekcie do różnych końcowych własności wyrobów. W tej sytuacji modyfikację technologii kucia stali X6CrNiTi18-10 na drodze odkształceń plastycznych realizowałem przy zastosowaniu nowego, autorskiego systemu kucia, polegającego na przeprowadzeniu wstępnego kucia materiału wyjściowego w kowadłach specjalnych o wypukłych powierzchniach roboczych (kątowe o kącie 135 o lub trapezowe) i następnego kucia w wybranych kowadłach kształtowych (skośnych i promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o ), przy zastosowaniu odpowiednich parametrów technologicznych. Specyfika procesu kucia w kowadłach wypukłych powodowała, że odkształcenia lokalne na przekroju odkształcanego materiału były zróżnicowane, ale zapewniały jednocześnie stosunkowo dobry 12

13 przerób plastyczny w strefach o ograniczonej odkształcalności. Te zróżnicowania w rozkładzie intensywności odkształceń i naprężeń w poszczególnych badanych kowadłach miały bezpośredni wpływ na strukturę. Stwierdziłem, że kształt i wielkość ziaren można było zmieniać w szerokim zakresie w funkcji kształtu narzędzia, gniotu oraz temperatury i w ten sposób wpływać na właściwości odkuwek. Zastosowanie dwuetapowego systemu kucia wydłużającego z wprowadzeniem w początkowej fazie odkształcania w kowadłach wypukłych o kącie 135 o (lub trapezowych), w połączeniu z finalnym kuciem w kowadłach kształtowych do osiągnięcia wymaganego stopnia przekucia, spowodowało istotne zmiany w kinematyce płynięcia metalu. Pozwoliło osiągnąć rozkłady intensywności odkształceń zbliżone do równomiernego oraz uzyskanie jednorodnej i drobnoziarnistej mikrostruktury. Zastosowanie kowadeł wypukłych trapezowych w początkowych operacjach kucia wydłużającego okazało się najefektywniejsze dla intensyfikacji przerobu plastycznego osiowej strefy wlewka, przy dominacji naprężeń ściskających. Wprowadzenie technologii kucia opartej na wstępnym kuciu w kowadłach trapezowych, połączonym następnie z kuciem w kowadłach promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o, stwarzało warunki dla intensywnego i równomiernego przekucia metalu. W kowadłach płaskich uzyskałem największą nierównomierność rozkładu intensywności odkształceń, przy obecności naprężeń rozciągających w strefach bocznych odkuwki oraz największą średnią wielkość ziarna. Bardzo istotnym było przeprowadzenie termomechanicznej i mikrostrukturalnej symulacji procesu kucia wydłużającego wlewka ze stali austenitycznej X6CrNiTi18-10 w kowadłach płaskich (najczęściej stosowanych w praktyce kuźniczej), przy wykorzystaniu warunków przemysłowych. Dane wyjściowe do termomechanicznej symulacji procesu kucia wydłużającego pochodziły z kucia programowego wlewka o masie 8000kg na zintegrowanej linii kuźniczej, wyposażonej w prasę 20MN z dwoma manipulatorami i sterowanej komputerowo. Model termomechaniczny procesu kucia w warunkach przemysłowych uwzględniał charakterystykę prasy kuźniczej, gatunek materiału, temperaturę nagrzewania, czas transportu z pieca do prasy, czas zadawania kolejnych gniotów, temperaturę narzędzi, warunki tarcia na powierzchniach kontaktowych, współczynnik emisji wsadu, współczynnik przewodzenia i ciepło właściwe. Kucie przeprowadziłem w kowadłach płaskich w 12 następujących po sobie przejściach technologicznych z kantowaniem o kąt 90 o. Podczas eksperymentalnego kucia, po każdym przejściu, rejestrowałem temperaturę odkształcanego materiału przy pomocy zainstalowanej kamery termowizyjnej. Przedstawione wybrane wyniki badań po 12 przejściu technologicznym (stopień przekucia 4.0) potwierdziły zachodzenie istotnych zmian jakościowych i ilościowych w rozkładzie intensywności odkształceń, naprężeń średnich i parametrów mikrostruktury wraz ze wzrostem stopnia przekucia. W wyniku zastosowania procesu wieloetapowego kucia, z zastosowaniem kantowania międzyoperacyjnego, proces rekrystalizacji dynamicznej obejmował prawie całkowitą objętość strefy plastycznej, a ułamek objętości zrekrystalizowanej dynamicznie wynosił 0,875-1,00. Na przeważającej części objętości odkuwki średnia wielkość ziarna zmniejszyła się z 240 µm do 23,8 µm. W pracy [A11] przedstawiłem analizę przestrzennego stanu odkształcenia dla procesu kucia wydłużającego stali narzędziowej X37CrMoV51. Dokonałem opracowania modelu na bazie metody elementów skończonych, umożliwiającego przewidywanie rozkładu parametrów odkształcenia takich jak: intensywność odkształceń i naprężeń, naprężenia średnie i temperatura podczas kucia wydłużającego stali X37CrMoV51 w kowadłach płaskich, promienioworombowych o kącie 135 o x135 o oraz w kowadłach specjalnych o powierzchniach skrzyżowanych. Szczególny nacisk położyłem na prawidłowe określenie właściwości mechanicznych i cieplnych badanego materiału w warunkach kucia na gorąco. Analizę numeryczną wykonałem z wykorzystaniem programu DEFORM 3D. Wartości naprężenia 13

14 uplastyczniającego dla stali X37CrMoV51 przyjmowałem na podstawie przeprowadzonych eksperymentalnych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla ustalonego zakresu temperatury przeróbki plastycznej na gorąco, T ) z metodyką podaną w opisie poprzednich prac. Zgodnie z metodyką opisaną ( p p, w poprzednich pracach dokonałem oceny warunków przepływu ciepła na powierzchni styku odkuwki z kowadłami, określiłem wielkość strumienia cieplnego przejmowanego od powierzchni swobodnej odkuwki przez otoczenie oraz dokonałem eksperymentalnego określenia właściwości takich jak: gęstość, ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne w funkcji temperatury. Przeprowadzone badania pozwoliły na wyznaczenie lokalnych wartości charakteryzujących stan odkształcenia, stan naprężenia oraz rozkład temperatury podczas kucia wydłużającego odkuwki stalowej X37CrMoV51 w kowadłach płaskich, promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o i w kowadłach specjalnych o powierzchniach skrzyżowanych. Największe wartości intensywności odkształceń, przy korzystnej wartości wskaźnika stanu naprężenia k σ (stosunek naprężenia średniego do intensywności naprężeń - σ m /σ i ) w osiowej części próbki, uzyskałem w kowadłach promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o. W kowadłach specjalnych o powierzchniach skrzyżowanych uzyskałem stosunkowo wysoki, a zarazem równomierny rozkład intensywności odkształceń w dużym obszarze strefy osiowej odkuwki, przy korzystnej wartości wskaźnika stanu naprężenia. Kształt roboczych powierzchni kowadeł o powierzchniach skrzyżowanych spowodował powstanie korzystnych warunków dla lokalizacji maksymalnych odkształceń i koncentracji znacznych naprężeń ściskających w centralnej części kotliny odkształcenia. Wprowadzenie nowego systemu kucia polegającego na zastosowaniu w początkowej fazie kucia wydłużającego kowadła specjalnego o powierzchniach skrzyżowanych, w połączeniu z następnym odkształcaniem w kowadłach promienioworombowych o kącie 135 o x135 o stwarza możliwości sumarycznego wykorzystania ich indywidualnych zalet i pozwolił by osiągnąć intensywne i równomierne przekucie w strefie osiowej odkształcanego materiału. Dla potwierdzenia badań modelowych przeprowadzono symulację procesu kucia wydłużającego stali X37CrMoV51 w warunkach przemysłowych. Dane wyjściowe do termomechanicznej symulacji procesu kucia wydłużającego pochodziły z programowego kucia wlewka o masie 8000kg na zintegrowanej linii kuźniczej, wyposażonej w prasę 20MN z dwoma manipulatorami i sterowanej komputerowo. Analiza pól odkształceń, naprężeń i temperatury wykazywała jakościowe i ilościowe zmiany w procesie wieloetapowego kucia wydłużającego wlewka na kowadłach płaskich. Procesowi kucia wydłużającego w warunkach przemysłowych towarzyszyła stabilna temperatura w środkowej części odkuwki, a kontakt gorącego metalu z chłodnymi narzędziami powodował powstawanie znacznych gradientów temperatury w pobliżu powierzchni kontaktowych. Ten naturalny gradient temperatury sprzyjał intensywnej przeróbki plastycznej osiowej strefy odkuwki. Porównanie teoretycznych i eksperymentalnych rezultatów badań wskazywało na możliwość zastosowania opracowanego modelu do badania odkształceń, naprężeń i rozkładu temperatury podczas kucia stali narzędziowej X37CrMoV51 na gorąco. W pracach [A2, A9] dokonałem prezentacji opracowanego modelu matematycznego na bazie metody elementów skończonych, pozwalającego na badania numeryczne kinematyki płynięcia metalu, analizie zjawisk cieplnych oraz badania rozwoju mikrostruktury w procesie kucia stali narzędziowej 55NiCrMoV7 w kowadłach trapezowych oraz w kowadłach skośnych. Model składał się z części mechanicznej, termicznej oraz mikrostrukturalnej. Określiłem wpływ kształtu narzędzia oraz warunków odkształcenia na kinematykę płynięcia metalu, rozkład intensywności odkształceń i naprężeń, naprężenia średniego i temperatury oraz wielkości ziarna w objętości odkuwki. Przedstawiłem wyniki termomechanicznej symulacji w kowadłach trapezowych i w kowadłach skośnych (o kącie 30 o ) [A2] oraz termomechanicznej i 14

15 mikrostrukturalnej symulacji procesu kucia wydłużającego na gorąco w innych kowadłach skośnych (o kącie 35 o ) z zastosowaniem zmiennych głównych parametrów technologicznych [A9]. Wartości naprężenia uplastyczniającego przyjąłem na podstawie przeprowadzonych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla, T ). Zgodnie z szerokiego zakresu temperatury przeróbki plastycznej na gorąco ( p p, metodyką opisaną w pracach [A1, A6] dokonałem eksperymentalnego określenia wartości współczynników empirycznych niezbędnych do realizacji termomechanicznego modelu kucia wydłużającego oraz wartości współczynników dla modelu mikrostrukturalnego. Analizę numeryczną wykonałem z wykorzystaniem programu DEFORM-3D. Kucie w każdym przejściu w kowadłach trapezowych przeprowadziłem dwuetapowo: I etapodkształcenie w kowadłach trapezowych, II etap-usunięcie powstałych wklęsłości i wypukłości w kowadłach płaskich. Kucie w kowadłach skośnych przeprowadziłem tradycyjnym sposobem z uwzględnieniem kantowania międzyoperacyjnego. Podczas kucia w kowadłach trapezowych równomiernemu rozkładowi intensywności odkształceń towarzyszył podobny rozkład intensywności naprężeń w objętości odkuwki, przy dominacji naprężeń ściskających. Duża wartość intensywności odkształceń na przeważającej części objętości odkształcanego materiału sprzyjała generowaniu znacznych wartości pracy odkształcenia plastycznego przekształcanej w energię cieplną, co sprzyjało podczas odkształcenia stabilności termicznej w wewnętrznych strefach odkuwki. Analiza opracowanych rezultatów badań dla kowadeł skośnych wykazywała znacznie większe zróżnicowanie intensywności odkształceń oraz naprężeń średnich w poszczególnych obszarach strefy odkształcenia, w porównaniu z kształtowaniem w kowadłach trapezowych. Jednakże naprężenia średnie σ m w środkowej części kotliny odkształcenia były ściskające, co miało istotny wpływ na jakość wewnętrzną odkuwek. W pracy [A16] dokonałem prezentacji opracowanego modelu matematycznego na bazie metody elementów skończonych umożliwiającego badania numeryczne kinematyki płynięcia metalu, analizy zjawisk cieplnych oraz badania rozwoju mikrostruktury w procesie kucia stali narzędziowej X37CrMoV51. Przedstawiono wyniki badań rozkładu intensywności odkształceń, naprężeń średnich oraz wielkości ziarna w objętości odkuwki wydłużanej w pięciu rodzajach kowadeł: płaskich, promieniowo-rombowych (135 o x135 o i 110 o x110 o ) i kombinowanych (180 o x110 o i 180 o x135 o ). Wartości naprężenia uplastyczniającego dla badanej stali przyjmowano na podstawie przeprowadzonych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla ustalonego zakresu temperatury przeróbki plastycznej na gorąco ( p,,t ). Do opracowania równań modelu mikrostrukturalnego wykorzystano zależności opracowane przez Sellarsa, Avramiego i Robertsa, które dostosowano do wymagań programu DEFORM 3D. Rekrystalizację dynamiczną opisano jako funkcję odkształcenia, prędkości odkształcenia, temperatury i początkowej wielkości ziarna. Zgodnie z opracowaną metodyką dokonałem eksperymentalnego określenia wartości współczynników empirycznych niezbędnych do realizacji termomechanicznego modelu kucia wydłużającego oraz wartości współczynników dla modelu mikrostrukturalnego. Analizę numeryczną wykonałem z wykorzystaniem programu DEFORM-3D. Określiłem wpływ kształtu kowadeł na kinematykę płynięcia metalu, rozkład intensywności odkształceń, naprężenia średniego i temperatury oraz na wielkość ziarna w objętości odkuwki. Analiza opracowanych rezultatów badań wykazała znacznie zróżnicowanie intensywności odkształceń, naprężeń średnich oraz średniej wielkości ziarna w różnych obszarach strefy odkształcenia odkuwek odkształcanych w różnych narzędziach. Opracowane na podstawie przeprowadzonych badań mapy rozkładu: intensywności odkształceń, naprężeń średnich, temperatury i średniej wielkości ziarna pozwoliły na dokonanie oceny skuteczności poszczególnych narzędzi. Zastosowanie kowadeł promieniowo-rombowych o kącie 135 o x135 o (lub 110 o x110 o ), w miejsce kowadeł płaskich lub kombinowanych, spowodowało 15

16 powstanie korzystnych warunków dla lokalizacji maksymalnych intensywności odkształceń w osiowej strefie odkuwki i największego rozdrobnienia mikrostruktury w miarę postępującego odkształcenia. Naprężenia średnie σ m w środkowej części kotliny odkształcenia dla kowadeł promieniowo-rombowych były ściskające, co miało istotny wpływ na jakość wewnętrzną odkuwek. W kowadłach płaskich uzyskałem największą nierównomierność rozkładu intensywności odkształceń, przy obecności naprężeń rozciągających w strefach bocznych odkuwki oraz największą średnią wielkość ziarna. Gniot jest głównym parametrem technologicznym procesu kucia wydłużającego wpływającym na stan naprężenia i odkształcenia. Zaleca się przeprowadzać proces kucia wydłużającego z maksymalnymi, dopuszczalnymi w danych warunkach odkształcenia gniotami. Dobór wartości gniotu oparłem na analizie podatności kształtowanego materiału do odkształceń plastycznych (badania plastometryczne): naprężenie uplastyczniające (σ p ) i odkształcenie graniczne (ε g ). Dobór wartości dopuszczalnych gniotów wynikał z analizy odkształcenia granicznego (ε g ) materiału w funkcji wskaźnika stanu naprężenia (k σ = σ m /σ i ), które było równe zastępczemu odkształceniu plastycznemu w momencie utraty spójności. Tak dobrany gniot był następnie weryfikowany z parametrami kształtowo wymiarowymi zastosowanego kowadła. Drugim głównym parametrem technologicznym charakteryzującym kotlinę odkształcenia podczas kucia wydłużającego jest posuw względny, którego wartość miała istotny wpływ na stan naprężenia i odkształcenia w centralnej części odkuwki. Pożądane było określenie najbardziej celowej wartości posuwu, przy której zadane odkształcenie można osiągnąć przy nieobecności w rdzeniu odkuwki naprężeń rozciągających. Dobór optymalnej wartości posuwu w poszczególnych pracach oparłem na rezultatach przeprowadzonych własnych badań eksperymentalnych i danych literaturowych przy uwzględnieniu: nieobecności naprężeń rozciągających w osiowej strefie odkształcanego materiału, równomiernego i intensywnego przekucia materiału oraz likwidacji wad wewnętrznych pochodzenia metalurgicznego. Podczas kucia wydłużającego materiału okrągłego w kowadłach płaskich i kształtowych zakres proponowanego posuwu względnego wynosił 0,65-1,00. Podczas kucia z małymi wartościami posuwów względnych (l w < 0,50) dominowały w osiowej strefie odkuwki niekorzystne naprężenia rozciągające. Przyjęcie wartości posuwu względnego l w >0,60 powodowało przejście niekorzystnych naprężeń rozciągających w rdzeniu odkuwki w naprężenia ściskające. Podczas kucia z posuwami względnymi l w >1,0 znacznie rosło nieużyteczne poszerzenie materiału, a w strefach bocznych odkuwki występowały naprężenia rozciągające sprzyjające powstawaniu pęknięć. Stale wysokostopowe (również stopy tytanu i nadstopy na bazie niklu) są materiałami charakteryzującymi się stosunkowo niską plastycznością i wąskim zakresem temperatury przeróbki plastycznej na gorąco, najczęściej nieznanym dla praktyki kuźniczej. Określenie rozkładu temperatury wewnątrz strefy odkształcenia podczas procesu kucia wydłużającego było ważne ze względu na wpływ, jaki temperatura wywierała na własności i strukturę odkształcanego metalu. Początkową temperaturę kucia wyznaczyłem na podstawie opracowanych krzywych umocnienia na gorąco dla poszczególnych badanych stali stopowych (i stopów), które wykonałem na podstawie przeprowadzonych eksperymentalnych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla ustalonego zakresu temperatury przeróbki plastycznej. Krzywe naprężenie-odkształcenie określałem w zakresie odkształceń ściskających do 0,693 na plastomerze krzywkowym typu MAEKAWA Japan, stosując prędkości odkształcenia 0,25-5,5 s -1 w różnych temperaturach, dostosowanych do badanych stali (i stopów). Potwierdziłem współzależność pomiędzy warunkami tarcia panującymi na powierzchniach kontaktu odkształcanego metalu z narzędziem, a kinematyką płynięcia metalu. Wpływają one na większość parametrów geometrycznych i siłowych procesu kucia, jego przebieg, a nawet na 16