Современные технологии обработки металлов и сплавов

Москва

ИНФРА-М

2022

СОВРЕМЕННЫЕ 
СОВРЕМЕННЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ 
ТЕХНОЛОГИИ 

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 

И СПЛАВОВ
И СПЛАВОВ

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ

Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования 
«МАТИ — Российский государственный технологический 
университет имени К.Э. Циолковского»

Современные технологии обработки металлов и сплавов: 

Сборник научно-технических статей профессорско-преподавательского состава кафедры «Технология обработки металлов 
давлением» им. проф. А.И. Колпашникова. — Москва : МАТИ: 
ИНФРА-М, 2022. — 252 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/8089.

ISBN 978-5-16-010767-7 (print)
ISBN 978-5-16-102533-8 (online)

Сборник научно-технических статей профессорско-преподавательского 

состава кафедры «Технология обработки металлов давлением» им. проф. 
А.И. Колпашникова Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ — 
Российский государственный технологический университет имени 
К.Э. Циолковского» содержит материалы по последним исследованиям 
и научно-техническим разработкам, осуществляемым сотрудниками МАТИ 
и научно-техническими работниками других организаций.

Материалы сборника статей могут быть полезны студентам и аспиран
там технологических специальностей технических вузов, обучающимся 
по направлениям подготовки 22.03.02 «Металлургия» профиль «Обработка 
металлов и сплавов давлением», а также инженерам-технологам, работающим в области обработки металлов давлением.

УДК 669(082)
ББК 34.3я43

УДК 669(082)
ББК 34.3я43
 
С56

ISBN 978-5-16-010767-7 (print)
ISBN 978-5-16-102533-8 (online)

C56

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

© МАТИ, 2015

Оглавление 
 

3

ОГЛАВЛЕНИЕ  

 

РАЗДЕЛ  1.   ТЕОРИЯ  И  ТЕХНОЛОГИЯ  ОБРАБОТКИ    

МЕТАЛЛОВ  И  СПЛАВОВ  ДАВЛЕНИЕМ……………………………...7 

 
Петров А.П.  Современное состояние  и перспективы промышленного 

применения интенсивной пластической деформации  и других видов  

обработки для изготовления  объемных металлических  

полуфабрикатов с ультрамелкозернистой и наноструктурами……………...7 

Шелест А.Е. Роль моделирования при разработке технологических  

процессов обработки металлов давлением………………………………….18 

Соколов А.В., Забурдаева Т.В. Развитие процессов точной  

штамповки  при производстве двигателей и турбоагрегатов……………...35 

Жаров М.В.  Прогрессивная технология  производ- 

ства алюминиевых авиационных панелей сложной форы……..….…….…48 

Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Евсеев П.С. Современные методы  

проектирования на базе результатов конечно-элементного анализа  

технологических процессов обработки металлов давлением…………..….58 

Галкин Е.В. Математическое моделирование технологических  

процессов вытяжки пластичным пуансоном полусферических  

изделий из слоистых алюминиевых материалов............................................68 

Жаров М.В.  Наиболее типичные элементарные   

ячейки авиационных панелей и обечаек в зависимости от характера  

пластической деформации……………………………………………………75 

Федоров А.А., Беспалов А.В., Комаров Р.С. Усовершенствованное  

устройство для испытаний материалов на  растяжение при высоких  

гидростатических давлениях…………………………………………………82 

Сальников М.С. Анализ особенностей технологических расчетов  

при  вытяжке  высоких конических деталей методами листовой  

штамповки..........................................................................................................87 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
4

Жаров М.В.  Моделирование характера течения  

металла в процессе заполнения рабочей полости штампа в условиях  

изотермической штамповки…………………………………………….……95 

Федоров А.А., Беспалов А.В., Краснобородько И.О. Построение  

реологических уравнений для сплава ВТ6с …………………………..……106 

Галкин  В.И.  Конечно-элементный анализ. Возможности и  

перспективы применения при решении задач обработки металлов  

давлением…………………………………………………………………….112 

Галкин В.И.  Разработка режимов отжига для  

производства проволоки из  титанового сплава ВТ16 диаметром  

менее 1,0 мм……………………………………………………………….....140 

Соколов А.В., Баберцян С.А. Комплекс мероприятий по самостоя- 

тельной работе студентов, ее контролю и описание интерактивных  

форм обучения по учебной дисциплине "Теория и технология  

кузнечно-штамповочного производства" ………………………………….148 

Еремеев Н.В., Степанов В.В., Бекетов А.Б. Изготовление плаки
рованных листов для высокотемпературной пайки узлов тепло- 

обменной аппаратуры………………………………………………...……..163 

Баберцян С.А. Современные и перспективные технологии в  

листовой штамповке……………...………………………………………….167 

 

РАЗДЕЛ  2.  ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА 

КОМПОЗИЦИОННЫХ И СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ…………....169 

 
Жаров М.В.  Прогрессивная технология производства изделий  

неответственного назначения  из отходов титановых сплавов...…………169 

Галкин  В.И.,  Палтиевич А.Р.,  Преображенский Е.В.   

Использование математического моделирования при проектиро- 

вании технологических процессов изготовления изделий из  

ВКМ AL-B………………………………………………………………..…..177 

Оглавление 
 

5

Галкин В.И., Евсеев П.С. Перспективы производства и  

использования металлических наноламинатов, получаемых  

горячей прокаткой………..................................................................................184 

 

РАЗДЕЛ  3.  ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В 

СОВРЕМЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ…………………………….………193 

 
Галкин В.И., Вейнгерова Е.Д., Преображенский Е.В.  

Функциональная и информационная модель автоматизированной  

системы прогнозирования структуры и свойств в алюминиевых  

сплавах…………………………………..…………………………………….193 

Жаров М.В. Разработка  комплексной  автоматизированной  

системы  управления сложнодинамическими процессами  

термокомпрессии………………………………………………………..…...209 

 

РАЗДЕЛ 4.  ПРОБЛЕМЫ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ  

НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ОТРАСЛИ ………………………...…………….217 

 
Захарова  В.В.  Анализ кадрового потенциала предприятия…………….217 

Галкин В.И.,  Карамавров Д.А.  Повышение эффективности  

использования ресурсов в процессах технологического документо- 

оборота с использованием оптимизационных экспериментов  

на имитационной модели……………………………………………………222 

Захарова  В.В.  Проблемы  внедрения инновационных 

управленческих технологий………………………….………………..……235 

Жаров М.В.  Апробация учебной рабочей программы подготовки  

бакалавров по направлению 150400.62 "Металлургия" по дисциплине  

"Листовая штамповка"……………………………………………………....241 

 

 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

7

РАЗДЕЛ  1.   ТЕОРИЯ  И  ТЕХНОЛОГИЯ            

ОБРАБОТКИ   МЕТАЛЛОВ  И  СПЛАВОВ  ДАВЛЕНИЕМ 

 

УДК 669.017:621.73 
DOI 10.12737/8139 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ  ИНТЕНСИВНОЙ 

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ДРУГИХ ВИДОВ 

ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С 

УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ И НАНОСТРУКТУРАМИ 

Петров Анатолий Павлович 

 профессор, д.т.н. 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  e-mail: petrovap@mati.ru  

 

В статье рассматриваются характеристики ультрамелкозернистых и нано
кристаллических металлических материалов, оцениваются их уникальные свойства, 

сложность изготовления. Особое внимание уделено методам  получения НК материа
лов конструкционного назначения и перспективам промышленного внедрения. 

 

Проблемой прочности и пластичности, исследованиями уникальных 

свойств металлических материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нано
кристаллической (НК)  структурами в последние годы успешно занимают
ся многие отечественные и зарубежные научные коллективы с финансиро
ванием их работ как по государственным так и по международным про
граммам. Получают поддержку как фундаментальные, так и прикладные 

исследования, направленные  на разработку инновационных технологий 

для конкретных изделий и полуфабрикатов. Причем, все больше внимания 

уделяется развитию так называемых "эволюционных" нанотехнологий, це
лью которых является оптимизация параметров существующих технологи

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
8

ческих процессов, оборудования и оснастки для достижения у получаемых 

изделий особых свойств и поверхностных эффектов, проявляющихся на 

микро - и наноуровнях.  

Между макроуровнем материала, описываемым континуальными 

теориями сплошной среды, и атомным уровнем, подчиняющимся законам 

квантовой механики, находится промежуточный наноструктурный уровень 

данного материала. Нанотехнологии призваны реализовывать различные 

методы (физические, химические и др.) перевода вещества в нанокристал
лическое состояние, что и приводит к качественному изменению его 

свойств. 

Значительный интерес к объемным УМЗ и НК  материалам обуслов
лен тем, что конструкционные и функциональные свойства этих материа
лов существенно улучшаются по сравнению со свойствами их крупнозер
нистых аналогов. Это обусловлено наличием в УМЗ и НК структурах ча
стиц (кластеров), тонких слоев, зерен и фаз, у которых характерный размер 

не превышает 500 нм – для УМЗ структур и  100 нм- для НК структур . 

Принципиально важным для НК структур является также наличие высоко
угловой разориентировки границ зерен.  При таких размерах и параметрах 

структурных элементов в 3…5 раз повышается прочность чистых металлов 

и до 1,5 раз- прочность современных многофазных сплавов при сохране
нии в допустимых пределах пластичности и трещиностойкости. На 20…30 

% повышается усталостная прочность, в несколько раз возрастает стой
кость к износу и эрозии [1-5]. 

Согласно геометрической классификации Р.Зигеля [5] (рис.1) можно 

выделить нанодисперсные (атомные кластеры и наночастицы), многослой
ные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объемные нанострук
турные материалы. С точки зрения получения наноструктурных материа
лов конструкционного назначения наибольший интерес представляют 

материалы групп 1-3. 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

9

 
Рис.1.   Классификация наноматериалов по Р.Зигелю: 0 – атомные кла
стеры и наночастицы; 1 – многослойные  материалы; 2 -  наноструктур
ные  покрытия; 3 -  объемные  наноструктурные материалы. 

   

  НК материалы, относящиеся к группе 1, могут быть получены [5]  

методами физического (PVD) и химического (CVD) осаждения из газовой 

фазы, электроосаждения, многократной прокатки и др. Так например, 

твердость и предел прочности многослойного НК материала толщиной 50 

мкм, состоящего из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, полу
ченного методом CVD, в 15 раз превышают аналогичные характеристики 

сплава соответствующего состава. 

Для получения наноструктурных покрытий  (группа 2) также исполь
зуют разные методы физического и электрохимического воздействия на 

поверхность металла: плазменное нанесение покрытий, физическое и хи
мическое осаждения из газовой фазы, магнетронное напыление, микроду
говое оксидирование и др. 

Большой научно-практический интерес представляют результаты ра
боты по реализации нового подхода к проблеме повышения конструкци
онной прочности - не за счет получения НК структуры во всем объеме де

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
10

тали, а только в ее поверхностном слое, выполняемые в Харьковском 

национальном автомобильно-дорожном университете [7].  Показано, что 

наиболее эффективным методом наноструктурирования поверхности 

стальных (18ХГТ, 40ХФА и др.) заготовок является ионно-плазменная об
работка, которая не только модифицирует свойства поверхностного слоя, 

но и существенно увеличивает прочность всего изделия (объемную проч
ность): временное сопротивление повышается на 24%, предел текучести на 

– на 42%. При этом относительное удлинение остается на том же уровне, а 

относительное сужение даже имеет тенденцию к росту ( на 3-4%). Это яв
ление объяснено залечиванием мелких имеющиеся и вновь образующихся 

при деформации поверхностных дефектов аналогично эффекту акад. А.Ф. 

Иоффе при растяжении образцов из каменной соли в воде, особым поведе
нием наноструктурных слоев при последующей деформации, реализацией 

механизмов недислокационной пластичности. 

Наиболее перспективны для изготовления деталей конструкционного 

назначения УМЗ и НК материалы, относящиеся к группе 3. Для получения 

объемных нанокристаллических материалов наибольшее  распространение 

получили компактирование нанопорошков (метод порошковой металлур
гии) и интенсивная пластическая деформация (ИПД). 

Методы и технологические процессы порошковой металлургии по
лучения объемных наноматериалов, их возможности и перспективы прак
тического использования в различных отраслях подробно изложены в мо
нографии [5]. Несмотря на безусловные достижения, промышленная реа
лизация этих процессов сдерживается качеством получаемых полуфабри
катов, обусловленном сохранением  остаточной пористости, загрязнением 

нанопорошков при их получении и компактировании, большой трудоемко
стью практического использования [1,4,8]. Все это послужило  основанием 

для поиска альтернативных способов получения объемных материалов с 

наноразмерной микроструктурой. 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

11

Для решения указанной проблемы Р.З.Валиевым с сотрудниками 

[1,4] было предложено использование методов обработки, названной ими 

интенсивной пластической деформацией (ИПД). Задачей методов ИПД яв
ляются формирование наноструктур в объемных металлических образцах 

и заготовках путем измельчения их микроструктуры до наноразмеров. 

Методы ИПД заключаются в деформировании заготовок с большими 

сдвиговыми степенями деформации в холодном состоянии или при отно
сительно низких температурах  нагрева Т < (0,3 … 0,4) Тпл и высоком дав
лении, что позволяет получать объемные беспористые металлические 

наноматериалы с однородной по всему объему заготовки наноструктурой с 

большеугловыми границами зерен. 

К числу наиболее исследованных и перспективных для промышлен
ного применения методов ИПД относятся: 

• кручение под высоким давлением; 

• равноканальное угловое прессование; 

• мультиосевая деформация; 

• аккумулируемая прокатка. 

Кручение под высоким давлением обычно производят на установках 

(рис.2, а), являющихся модификациями известной наковальни Бриджме
на [1, 3-6]. Заготовка укладывается в углубление вращающегося нижнего 

бойка, что предотвращает вытекание металла на плоскость разъема бойков 

и обеспечивает в пластической зоне высокое квазигидростатическое дав
ление (до 10 ГПа), позволяющее деформировать заготовку простым сдви
гом с высокой степенью деформации (истинная логарифмическая дефор
мация до 10) без разрушения. Именно этот метод впервые эксперимен
тально показал реальную возможность получения сплошных металличе
ских заготовок (дисков) с НК структурой интенсивной пластической де
формацией [1]. И сейчас метод успешно используется для моделирования 

предельного измельчения структуры материала [6]  и как один из эффек

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
12

тивных способов  получения практически беспористых заготовок из по
рошков [1].  

Равноканальное угловое (РКУ) прессование (рис. 2,б) было разрабо
тано проф. В.М.Сегалом для деформации заготовок простым сдвигом без 

изменения формы и размеров их поперечного сечения. Метод получил раз
витие в работах Р.З. Валиева с сотрудниками [1,4] как перспективный для 

промышленного применения для получения НК материалов различного 

конструкционного назначения. 

               
       
          

Рис.2.  Принципы методов интенсивной пластической деформации [1]:  

 а - кручение под высоким давлением;   

б - равноканальное угловое прессование. 

 

При  РКУ прессовании заготовка многократно продавливается через 

два канала равного поперечного сечения, пересекающихся обычно под уг
лом 90°, что позволяет достигать высоких степеней деформации простым 

сдвигом. В случае обработки труднодеформируемых материалов деформа
ция осуществляется при повышенных температурах, но не выше (0,3…0,4) 

Tпл.. 

В процессе РКУ прессования для структурообразования весьма важ
ным является направление и число проходов заготовки через каналы[1]. С 

целью интенсификации сдвиговых деформаций и, соответственно, прора

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

13

ботки структуры металла используют 3 основных варианта (маршрута) 

(рис.3). 

Применение  этих маршрутов и их разновидностей  приводит к 

упрочнению деформируемого  металла  и существенному росту усилия на 

первых 3-5 проходах, На последующих проходах наступает установившая
ся стадия и усилие  практически не меняется [1].  

В монографиях [1,4] приведена обширная информация о результатах 

металлографических исследований структуры заготовок и параметрах тех
нологии  РКУ  прессования  Al, Fe, Ni, Ti, W и их сплавов. 

 
 

Рис.3. Варианты РКУ - прессования [4]:  

а – маршрут А; б – маршрут В; в – маршрут С. 

       

Показано, что характер формирующейся  УМЗ и НК структуры, 

удлинение зерен, доля большеугловых границ зерен определяются не 

только степенью деформации, но и геометрией оснастки и режимами прес
сования. Необходимо также учитывать влияние на конечную структуру 

деформационного разогрева металла при РКУ прессовании, исходной 

структуры заготовок и фазовый состав сплава. Следует отметить, что, судя