CC BY
0
УДК 539.21:621.785 АНАЛИЗ ДАННЫХ ВИДЕОФИКСАЦИИ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ИЗДЕЛИЙ SLM ТЕХНОЛОГИИ Чуканов Александр Николаевич1\ д.т.н., вед. научн. сотр.
(e-mail: alexchukanov@yandex.ru) Добровольский Николай Николаевич1, к.ф.-м.н., доцент (e-mail: nikola.dobrovolsky@gmail.com) Цой Евгений Владимирович1, аспирант (e-mail: tsoyev@tsput.ru) Яковенко Александра Александровна2, к.т.н., технолог
(e-mail: dispozisiiy100@yandex.ru) 1 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого университет, Тула, Россия 2) ООО «Металлург-Туламаш», Тула, Россия
В данной статье анализируется актуальность и достоверность наблюдения волнового характера изменения локализованной в микроочагах пластической деформации, фиксируемой в процессе растяжения образцов порошковых нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, изготовленных по аддитивной технологии SLM. Представлены результаты статистического анализа описанного волнового процесса и кинетики его параметров.
Ключевые слова: порошковые сплавы системы Fe-Cr-Ni, SLM-технология, растяжение, локализованная деформация, волновой спектр, параметры, кинетика.
Введение. Вопрос локализации пластической деформации при нагруже-нии изделий аддитивных технологий (АТ) изучен недостаточно полно. В отличие от объёмного анализа волнового характера локализованной пластической деформации (ЛПД) в нагруженных поли- и монокристаллах чистых металлов и сплавов классического металлургического производства [1,2] подобные исследования на изделиях технологии SLM только начинаются. Их актуальность определяется, с одной стороны, растущим объёмом изделий SLM, используемых в ответственных и тяжело-нагруженных узлах современных машин и механизмов. С другой стороны, отсутствует всеобъемлющая информация о влиянии эволюции структурной неоднородности (анизотропии) на зарождение пластической деформации в отдельных микрообъёмах (локальных очагах пластичности) и волновой характер её распространения ЛПД в процессе их эксплуатации. Работы в этом направлении сдерживаются мнением об отсутствии необходимости изучения волновой природы материалов АТ. Считается, что о волновой природе деформации можно говорить только при недопустимых нагрузках (аварийная ситуация).
Авторы не согласны с таким подходом. Ранее они выявили в анизотропных материалах АТ волновой характер пластической деформации [3,4]. Оставался вопрос достоверности параметров волновых спектров с учётом погрешностей, выявленных при АЦП и обработке данных видеофиксации процесса нагружении. Цель данной работы - на основе статистической обработки данных испытаний на растяжение подтвердить периодичность выявленных зависимостей характеристик волновой деформации и определить их кинетические параметры.
Материал и методики исследования. Объекты испытаний - образцы порошковой нержавеющей стали марки 03Х18Н12М2 (аналог AISI 316L), изготовленные по SLM-технологии в двух направлениях сканирования относительно платформы 3й?-принтера SLM280 2.0HL Образцы с предварительно нанесенной разметочной сеткой подвергали растяжению (ГОСТ 1497-84, тип I) на воздухе при комнатной температуре с постоянной скоростью захватов. Процесс нагружения до разрушения фиксировали на цифровую фотокамеру Canon EOS 250D в режиме 4k и сохраняли в формате .mov. Полученные изображения с заданными временными интервалами обрабатывали в графических редакторах [5-7]. Определяли изменение длины элементов сетки //(мм) и их относительную деформацию -5) (рис. 1). Строили графики зависимостей их локальной относительной деформации (5) по длине образца (/, мм) в определённое время (t, сек) [8,9]. Параллельно проводили металлографический анализ структуры образцов [10].
Результаты экспериментов их анализ. Вид графиков зависимостей 5=/(/¿), 5=/(t¿) и их анализ подтвердил наличие их периодичности (много-стадийности) по времени испытаний и волнового характера локальных деформаций 5 по длине образца. В структуре волновых спектров (5=(/г)), развивающихся в течении испытания, фиксировали движение отдельных максимумов локальной деформации. Отметили многостадийный периодический характер увеличения высоты максимумов в течении длительности на-гружения образца 5=/(t¿) [6].
Для исключения влияния на эти выводы погрешности, связанной с ана-логово-цифровым преобразованием (АЦП) оптического изображения разметочной сетки, проецируемого на матрицу фотокамеры, и его количественным анализом в графических редакторах [6,7], полученные зависимости (5=/(/i), 5=/(ti), подвергли статистической обработке. Из высот максимумов волновых спектров на зависимостях (5=/(/i) требовалось исключали величину указанной погрешности, считая её неустранимой [9,10]. Математическая обработка этих зависимостей заключалась в статистической обработке (аппроксимации) полученных массивов локальных деформаций 5=/(/i) и 5=/(ti) на участках расчётной длины образца (/=42 мм); б - (/=52 мм) с максимальной пластической деформацией, фиксировавшейся во время испытания (t, сек). Строили графики полиномиальной аппроксима-
ции протяжённости (1^1, сек) временных интервалов изменения деформации на указанных участках (рис.1).
70 60 50 40 ' 30 20 10 0
1 -0,0861** + 2., 6571^-32,+ г-ас. _ ело тш-и* вт Ии.лш.
= 0 94БВ ТАиг
А
л
й -V 1
4 • •
123456739 10 Номер вреиме иного интервала,.?/
рпжтзяптп Б2бае - 5,9436** +130^Б9)Г 33,53х + 31;Я' = 0,6563
А
7л '■■Л
У
1 23456739 10 Номер вреименного интервала^
а б
Рисунок 1 - Полиномиальная аппроксимация зависимости протяжённости сек) временных интервалов изменения деформации на участках
(/=52 мм) (а) и - (/=42 мм) (б)
Получали кинетических зависимостей волнового процесса - изменения скорости движения локальных максимумов пластичности и скорости деформации (<$ЬШ() (рис. 2).
ОД
о 0,15
п ОД
С
:> 0,05
"ТЗ
0
-0,05
- ЕЕ -0,0019;г + С 0,1871^ +
0, бзгэх2-: 0168л + 0,53; 0,5139
4 ■- ■'*"! ----
0 Л,. 3 1 »-.Л 6 7 г Т ■ 1 9 10
Номер вр еиме иного шп ервала, N
о 4 0,012
и
р 0,01 §[уюа ^-0,006
0,004
V = -ВЕ-Мх6 + 5 Е-11л:-' - 1Е-08*4 + 1Е-06М1 -7Е-05^+0,001Вх -_Р,0123; = 0,1773
50 100 150 200
Длительность испытания I, сек
а б
Рисунок 2 - Полиномиальная аппроксимация зависимости скорости движения максимумов (а) и их локальной деформации (<$Ь/&) (б) от длительности испытания сек): а - (/=42 мм); б - (/=52 мм)
На всех полученных зависимостях наблюдали явную периодичность. Кинетические зависимости отразили наличие максимумов скорости локализованной пластической деформации на различных участках длины образца, положение которых изменялось в течение нагружения образца.
На основании полученных данных строили гистограммы изменения скорости деформации (с1ЬШ1) на участках расчётной длины образца с макси-
мальной пластической деформацией от длительности испытания (t, сек) (рис. 3).
0,014 -
0,012 -
о 0,01 -
"^0,003 -
¡¿0,006 -1-|--
5 0,004 -1----
5 0,002 -1---1---
Ч 0 ...............U I I
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190
t: с
а
Рисунок 3 - Гистограммы скорости деформации от времени на участках
/=42мм (а) и /=52мм (б)
Анализ данных рис.3 подтвердил наличие группы максимумов локализованной деформации, перемещающихся по длине образца под действием растущей внешней нагрузки.
Достоверность полученных выводов дополнительно подтвердили результаты анализа комбинации кусочно-линейных ((5 =/(t)) и периодических (5 =/(/i)) функции. Для выделения периодической компоненты указанных функций восстанавливали с помощью Фурье-интерполяции [11].
Выводы. 1. Подтвердили ранее выявленный волновой многостадийный характер изменения скорости ЛПД.
2. Аппроксимация полученных зависимостей позволила уточнить количество, скорость и временные диапазоны развития микрообъёмов (очагов) локализованной пластической деформации на различных временных этапах испытаний и исключить влияние отмеченных погрешностей на достоверность наличия волновых спектров ЛПД.
3. Оценили скорость и временные диапазоны эволюционирования этих микрообъёмов.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда проект № 23-29-00433: «Волновая деформация и её взаимосвязь с ортотропией структуры и физико-механических свойств в изделиях селективного лазерного сплавления».
Список литературы
1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние. 1990. 255 с.
2. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Медленные автоволновые процессы при деформации твёрдых тел // Физическая мезомеханика.- 2003.- т.6.-3 1.- С. 75-94.
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190
t: С
б
3. Чуканов А.Н. Анизотропия деформации при послойном лазерном синтезе изделий // «Перспективные технологии и материалы». Матер. ВНПК с межд. уч., (Севастополь, 14-16.10.2020 г.), Научное издание. - СевГУ. 222с., С. 169 -174.
4. Чуканов А.Н. Анизотропия физико-механических свойств при послойном лазерном синтезе // «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвящ. 150-ю акад. А. А. Байкова: Сб. на-учн. статей МНПК. (18.09.2020 г); Сб. научн. статей. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2020. -271 с. - С. 244-247.
5. Чуканов А.Н., Добровольский Н.Н., Цой Е.В., Матвеева А.В. Машинное зрение в анализе волновой деформации в анизотропных металлах // 2 МНПК (НТ-03) «Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства», (9.12.2022, г. Курск), Сб. научн. статей. Россия, Юго-Западный государственный университет, - С. 397 - 404.
6. Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А. Наблюдение волновых процессов при деформации изделий SLM технологии // Современные материалы, техника и технологии.
- 2023. - №4(49). - С. (в печати).
7. Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А., Малий Д.В., Гончаров С.С. Фотограмметрия в фиксации и анализе локализованной деформации 3d образцов//4 МНПК «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвященная памяти академика А.А. Байкова (СМП-04)».- Сб. научн. тр. (15.09.2023 г.).- Юго-Зап. гос. ун-т, Курск: ЮЗГУ, 2023. (в печати).
8. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Волновой характер деформации при растяжении изделий послойного лазерного синтеза // 7 ВНТК с межд. уч. «Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении (МТО-62)» (10-11.02. 2022 г.): Сб. научн. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2022. С. 206-210.
9. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Структура волнового спектра пластической деформации изделий SLM-технологии//XVII МНПК «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации».- Сб. научн. тр. (17-18.03.2022 г.).- Юго-Зап. гос. ун-т, Курск: ЮЗГУ, 2022. - 386 с. - С. 369-372.
10. Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А. Матвеева А.В. Микроструктура, механические свойства и волновые процессы при деформации образцов сплава 316L SLM-технологии//4 МНПК «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвященная памяти академика А.А. Байкова (СМП-04)».- Сб. научн. тр. (15.09.2023 г.).- Юго-Зап. гос. ун-т, Курск: ЮЗГУ, 2023. (в печати).
11. Чуканов А.Н., Добровольский Н.Н., Сергеев А.Н., Басалов Ю.А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Аналогово-цифровое преобразование кусочно-линейных и периодических функций волновой деформации в металлах//Чебышевский сборник. - 2023.- т. 24. - Вып.
- 2. - С. (в печати)
Chukanov Alexander Nikolaevich, Doctor of Technical Sciences, leading researcher L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia
Dobrovolsky Nikolay Nikolaevich, Ph.D., аssociate Professor, L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia
Tsoi Evgeny Vladimirovich, post-graduate student, L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia
Yakovenko Alexandra Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, process engineer. LLC "Metallurgtulamash", Tula, Russian Federation.
ANALYSIS OF VIDEO RECORDING DATA OF WAVE PROCESSES DURING DEFORMATION OF SLM TECHNOLOGY PRODUCTS
Abstract. This article analyzes the relevance and reliability of the observation of the wave nature of changes in the plastic deformation localized in micro-foci, recorded during the stretching of samples of powder stainless and heat-resistant steels and alloys manufactured using additive SLM technology. The results of statistical analysis of the described wave process and the kinetics of its parameters are presented.
Keywords: powder alloys of the Fe-Cr-Ni system, SLM technology, stretching, localized deformation, wave spectrum, parameters, kinetics.
