CC BY
83
УДК 621.771
АНАЛИЗ НЕОДНОРОДНОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССАХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Паршиков Р.А., Золотов А.М., Рудской А.И.
ФГБАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»
Введение
В настоящее время теоретический и практический интерес представляет изучение особенностей структурообразования в металлах при больших пластических деформациях, что открывает значительные перспективы для создания субмикрокристаллических (СМК) и на-ноструктурированных (НС) материалов [1]. Появились новые процессы обработки давлением, основной целью которых является накопление деформации в заготовках без значительного изменения их формы, что позволяет при многократном повторении процесса накопить в заготовках значительные пластические деформации [1-5]. При описании таких процессов в литературе используется термин интенсивная пластическая деформация (ИПД).
Цель данного исследования - сравнить методы ИПД, которые, с точки зрения реализации, являются наиболее простыми для получения объемных СМК и НС. К таким методам можно отнести равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование) и 2D-ковку. Сравнительный анализ был проведен с использованием методов компьютерного моделирования, а также натурного эксперимента.
На рис. 1, а представлена схема процесса РКУ-прессования. Деформация металлической заготовки осуществляется в матрице, которая содержит два канала одинакового поперечного сечения и пересекающихся под углом 2Ф. В результате такой обработки заготовка подвергается ИПД, при этом форма ее поперечного сечения практически не изменяется, что позволяет повторять процесс многократно. С увеличением количества проходов происходит значительное измельчение структуры обрабатываемого материала.
Процессы ковки в настоящее время широко распространены в промышленном производстве. На практике 2D-ковку (рис. 1, б) можно осуществить на комплексе для физического моделирования деформационных процессов Gleeble System с помощью модуля многоосевой деформации MAX-Srtain.
а) б)
Рис. 1. Схемы анализируемых процессов ИПД: а) РКУ-прессование; б) 2Б-ковка
Поскольку в основе этих процессов лежит принцип накопления деформации, то одним из критериев, по которому производилось сравнение методов, был выбран параметр равномерности величины накопленной деформации в объеме заготовки.
Известно, что пластическая деформация в металле сопровождается снижением ресурса пластичности [6-7]. При этом накопление поврежденности в металле в исследуемых процессах зависит от величины накопленной пластической деформации, вида напряженного состояния в различных частях заготовки, а также от направления формообразования заготовки при многократном повторении процесса. По этой причине еще одним немаловажным для такого рода процессов критерием служит коэффициент жесткости напряженного состояния к = <Г01(Г{ , т.е. отношение величины гидростатического давления к величине интенсивности напряжений.
Математическое моделирование выбранных процессов проводилось с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Были приняты следующие модельные представления: модель материала - упругопластическое тело, модель деформирования - плоская деформация. Условия трения в местах контакта деформируемого материала с инструментом в обоих случаях описывались путем задания коэффициента трения д = 0,2. Предполагается также, что рассматриваемые процессы проводятся при комнатной температуре. В качестве модельного материала использовался технический алюминий.
Моделирование процесса РКУ-прессования проводилось для канала, имеющего один поворот и следующую геометрию: угол пересечения входной и выходной частей канала -2Ф = 105°; внешний радиус сопряжения - Я = 10 мм; внутренний радиус сопряжения -г = 5 мм; ширина прямолинейных участков - Ь = 20 мм.
На рис. 2 представлен характер распределения интенсивности накопленной деформации в продольной плоскости канала после одного прохода.
Рис. 2. Распределение интенсивности накопленных деформаций в продольном сечении заготовки после однократного деформирования при РКУ-прессовании
Процесс 2Б-ковки в силу симметрии заготовки рассматривался для У ее части (см. рис. 1, б, показан серым цветом). Численный анализ проводился в три стадии. На первой стадии заготовка деформируется между бойками вдоль одной оси со степенью деформации 8 = 20 %. Затем она поворачивается на 90° против часовой стрелки и деформируется вдоль
Конечно-элементный анализ
Пуансон
о
другой оси: 8 = 40 %. На третьей стадии заготовка поворачивается на 90° по часовой стрелке и деформируется снова со степенью деформации 8 = 40 %.
На рис. 3 показана форма / части заготовки после трех стадий деформирования, а также распределение интенсивности накопленных деформаций в ее поперечном сечении.
Рис. 3. Распределение интенсивности накопленных деформаций в поперечном сечении заготовки после ее трехкратного деформирования в процессе 2Б-ковки
Из рассмотрения полей распределения накопленной деформации в материале следует, что наибольшей равномерностью по этому критерию обладает РКУ-прессование (см. рис. 2). Для процесса 2Б-ковки зона наиболее ИПД располагается в центре заготовки и распространяется к углам. В результате в заготовке существуют слабо проработанные области (под бойками и на боковых свободных поверхностях). Причем увеличение количества циклов обработки не позволяет полностью избавиться от выявленной неравномерности, что в конечном итоге может существенным образом отразиться на свойствах готового изделия.
Известно, что в области отрицательных значений величины гидростатического давления (к < 0), пластичность материала значительно выше, в сравнении с условиями положительных значений этой величины (к > 0). Поэтому наиболее опасными, с точки зрения зарождения и роста микротрещин, являются те области обрабатываемого материала, которые характеризуются положительными значениями коэффициента жесткости напряженного состояния к.
На рис. 4 и 5 представлены распределения показателя жесткости напряженного состояния к для анализируемых процессов.
Для процесса РКУ-прессования в деформируемой заготовке характерно появление области, прилегающей к верхней стенке выходного канала, где значения коэффициента к больше нуля (к шш = 1,525). Отмеченная смена знака в данном случае объясняется немонотонностью процесса деформирования вдоль наружной стенки канала: гидростатические напряжения при переходе через очаг деформации меняют знак. Прилегающие к внутренней стенке слои материала, находясь во входном канале, испытывают сжатие, а в выходном канале - растяжение. В случае обработки малопластичного материала возникающие растягивающие напряжения могут стать причиной образования несплошностей на его поверхности.
При 2Б-ковке показатель жесткости напряженного состояния к имеет положительные значения в углах заготовки, что может привести к нарушению сплошности материала в этих зонах.
Рис. 4. Распределение показателя жесткости напряженного состояния к в продольном сечении заготовки после однократного деформирования
при РКУ-прессовании
Рис. 5. Распределение показателя жесткости напряженного состояния к в поперечном сечении заготовки после ее трехкратного деформирования
в процессе 2Б-ковки
Экспериментальные исследования РКУ-прессование
По данным результатов компьютерного моделирования процесса РКУ-прессования была изготовлена опытная оснастка [8]. Для экспериментального исследования характера течения металла в процессе прессования использовался метод координатной сетки. Алюминиевые образцы состояли из двух половинок с размерами 10x20x65 мм. На внутренней стороне
каждой половинки лазерным маркером была нанесена сетка. В двух крайних слоях размер ячейки составлял 1x2 мм, в остальной части образца - 2x2 мм. Таким образом, экспериментальная сетка полностью соответствовала сетке конечных элементов, используемой при моделировании процесса РКУ-прессования алюминия.
На рис. 6 показана заготовка с деформированной сеткой после РКУ-прессования. Для определения координат узлов, лежащих на пересечении линий деформированной сетки, она переводилась в электронный вид. По полученным координатам узлов формировалась экспериментальная сетка конечных элементов. Ее дальнейшая обработка производилась по методике, принятой в МКЭ с использованием функций формы.
\
а) б)
Рис. 6. Внешний вид образца с деформированной сеткой, полученного РКУ-прессованием (а) и распределение интенсивности накопленных деформаций для экспериментальной сетки конечных элементов (б)
На рис. 6, б представлено распределение интенсивности накопленных деформаций вокруг очага деформации. Передняя часть заготовки не бралась во внимание, ввиду сложного характера течения металла при неустановившемся процессе деформирования. Сравнивая рис. 2 и 6, можно видеть, что результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментом. Небольшое отличие в значениях накопленной деформации может быть объяснено разными условиями трения при моделировании процесса и экспериментальном его проведении.
Физическое моделирование процесса 2Б-ковки на комплексе GLEEBLE SYSTEM 3800
Для имитации процессов горячей деформации, используемых в металлургических и машиностроительных технологиях фирмой Dynamic Systems, Inc. (США) изготавливаются установки Gleeble System, из которых наиболее совершенной на сегодняшний день является Gleeble 3800. Для реализации различных схем деформирования комплекс Gleeble 3800 предусматривает до четырех сменных модулей. В частности, модуль многоосевой деформации MAXStrain разработан для отработки технологий получения методами пластической деформации НС материалов. Деформация в данном модуле осуществляется между двумя бойками.
Основное отличие данного модуля заключается в возможности чередовать деформацию в двух взаимно перпендикулярных поперечных к оси направлениях путем вращения образца на 90° относительно его продольной оси по часовой стрелке или против. Вращение образца осуществляется вместе с захватами. Скорость поворота позволяет производить деформации с минимальной паузой около 0,5 сек.
Внешний вид камеры с образцом в исходном состоянии и бойками для многократной деформации представлен на рис. 7.
Особенность работы модуля MaxStrain заключается в том, что при проведении испытаний по двухосной деформации задается величина перемещения бойков, то есть величина абсолютного обжатия рабочей части образца. Определить величину деформации непосредственно в ходе процесса после каждого удара можно только косвенным методом (расчетным), при условии сохранения плоской схемы деформирования (отсутствие осевой деформации в образце). Длина рабочей части образца вдоль оси, в соответствии с рекомендациями производителя, должна быть больше ширины рабочей части бойка примерно на 2 мм. В связи с этим, при осадке в зазор между бойком и боковой стенкой рабочей части заготовки при каждом ударе вытесняется часть металла из рабочей зоны. В результате на боковых стенках рабочей зоны образуются наплывы металла (рис. 8).
Рис. 7. Внешний вид камеры с образцом Рис. 8. Наплывы металла на границе и бойками модуля МАХ81шп рабочей части образца
после нескольких циклов осадки
Из-за этого явления размеры поперечного сечения рабочей части образца в процессе испытаний уменьшаются. Если учесть, что абсолютное обжатие - величина постоянная и задается перед этапом, то степень деформации при осадке после каждого удара будет уменьшаться. На первых циклах испытаний этот процесс происходит достаточно интенсивно. По мере заполнения зазора между рабочей частью бойка и боковой стенкой металлом интенсивность его постепенно затухает.
Экспериментальные исследования на модуле MAXStrain проводились с алюминиевыми образцами при комнатной температуре. Деформация образцов проходила в три этапа. Исходная заготовка с размерами поперечного сечения в рабочей части 11x11 мм деформировалась до размеров сечения 9х9 мм. На втором этапе размер сечения уменьшался до 7,4х7,4 мм. Конечный размер поперечного сечения образца после третьего этапа - 6х6 мм. Каждый этап состоял из 60 циклов. Под одним циклом подразумеваются два удара бойками с последующим поворотом образца. На рис. 9 представлены экспериментальные результаты работы модуля MAXSrain.
Из рис. 9 видно, что при переходе от одной стадии к другой происходит упрочнение материала. В то же время на протяжении каждой стадии величина усилия снижается. Данный факт объясняется вытеснением металла из очага деформации (см. рис. 8). Исходя из результатов эксперимента, также можно заключить, что наиболее интенсивно процесс вытеснения идет на первых циклах обработки.
Алюминиевые образцы после проведения эксперимента на комплексе Gleeble 3800 и механической обработки были подвергнуты испытаниям на растяжение с последующим ана-
лизом структуры. Испытания на растяжение проводились на испытательной машине фирмы «Zwick/RoeП» с максимальным усилием 5 тонн. После ИПД в режиме 2Б-ковки предел прочности алюминия увеличился в 5 раз, однако при этом произошло резкое снижение пластичности материала. Неравномерность накопленных больших деформаций в объеме заготовки привела к характерной структуре материала и соответствующему этой структуре разрушению, как показано на рис. 10 и 11.
-22
-26- ч'
*2'8-1—--1---1-■-1-1-■-
юо гоо зоо 400
Т|те(зес)
Рис. 9. Зависимость усилия деформирования от времени работы модуля МАХ81:гат
Рис. 10. Внешний вид образца после испытания на растяжение
Несмотря на относительную простоту этого метода ИПД, с точки зрения его реализации, он имеет один очень существенный недостаток - это высокая неравномерность распределения накопленных деформаций в поперечном сечении (см. рис. 3). Интенсивное течение материала происходит преимущественно по диагоналям и образуется, так называемый ковочный крест, причем величина накопленной деформации в этих областях может на порядок превышать значение средней деформации по сечению.
Для снижения такой неравномерности можно предложить следующую схему деформирования. После серии ударов по традиционной схеме, используемой при 2D-ковке, производится одноразовая деформация, которая приводит форму поперечного сечения образца к квадратной. Затем образец поворачивается на 45° (как показано на рис. 12, а) и процесс продолжается далее. Такой поворот может быть достаточно легко реализован путем изменения формы той части образца, где он крепится в зажимы.
а)
б)
Рис. 11. Макроструктура материала после 2Б ковки: а) поперечное сечение; б) продольное сечение
Рис. 12. Модернизированный процесс 2Б-ковки: схема процесса (а); распределение накопленной интенсивности деформаций
после первой (б) и второй (в) стадий
Как видно из результатов численного моделирования модернизированного процесса 2D-ковки (рис. 12, б, в), после поворота и первых двух обжатий неравномерность деформации по сечению снижается в несколько раз. Можно предположить, что по мере увеличения количества обжатий неравномерность будет и дальше снижаться.
Выводы
По результатам численного моделирования и экспериментальных исследований рассмотренных процессов ИПД можно сделать следующие выводы:
1. Проведено сравнение методов ИПД, которые потенциально возможно использовать для получения объемных СМК и НС материалов в условиях промышленного производства.
Сравнение проводилось с использованием двух критериев: равномерности величины накопленной деформации в объеме заготовки и коэффициента жесткости напряженного состояния.
2. Показано, что наибольшей равномерностью величины накопленной деформации в объеме заготовки характеризуется процесс РКУ-прессования.
3. Построены поля распределения коэффициента жесткости напряженного состояния в продольном сечении заготовки. В обрабатываемом материале выявлены области, в которых велика вероятность образования трещин.
4. По совокупности влияния обоих критериев наиболее эффективным является процесс РКУ-прессования. Проблема уменьшения размеров области возможного образования не-сплошностей в материале может быть успешно решена за счет наложения дополнительного гидростатического давления, то есть бокового подпора.
5. При проведении эксперимента по 2Б-ковке на комплексе Gleeble 3800 были выявлены две серьезные проблемы:
- Фиксация образца не обеспечивает необходимой жесткости системы вдоль его продольной оси. В результате в процессе поперечной осадки у образца появляются продольные деформации, которые накапливаются с каждым деформационным циклом, что является причиной вытеснения металла из очага деформации. Причем, своих максимальных значений такие деформации достигают в начале каждой стадии обработки образца, что подтверждается характером распределения усилия деформирования во времени при проведении процесса 2D-ковки.
- При проведении физического моделирования процесса 2D-ковки была отмечена значительная неравномерность деформаций в образце (образование ковочного креста), которая накапливается с каждым деформационным циклом. Как следствие, такая неравномерность отразилась на структуре и свойствах деформированного материала. В качестве одного из возможных путей снижения этой неравномерности предлагается изменение схемы деформирования. После нескольких деформационных циклов, осуществляемых по традиционной для процесса 2D-ковки схеме, заготовке придается исходная форма поперечного сечения, и следует поворот на 45°. Далее процесс обработки продолжается по обычной схеме. Тогда типичное распределение интенсивности деформаций в материале сохранится, но накопленная при этом неравномерность будет снижаться. Такую схему деформирования возможно реализовать с помощью специальной конструкции или использовать восьмигранные образцы.
Список литературы
1. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk nanostructured materials: fundamentals and applicationsaliev // Wiley-TMS. 2013. P. 456.
2. Шибаков В.Г. и др. Неоднородность напряженно-деформированного состояния при интенсивной пластической деформации многократным выдавливанием // Materials Physics and Mechanics. 2015. Т. 22. С. 170-175.
3. Seung Chae Yoon. Deformation characteristics evaluation of modified equal channel angular pressing processes // Materials transactions. 2010. Vol. 51. No. 1. P. 46-50.
4. Спусканюк В.З. и др. Исследование процесса равноканального т-образного прессования методом конечных элементов // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. Т. 39. №. 3/7. С. 23-28.
5. Шаркеев Ю.П. и др. Наноструктурный титан биомедицинского назначения // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. Спец. вып. Ч. 2. С. 107-110.
6. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1984. 150 с.
7. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Выща школа, 1983. 175 с.
8. Parshikov R.A. Technological problems of Equal Channel Angular Pressin // Rev. Adv. Mater. Sci. 2013. Vol. 34. P. 26-36.
