CC BY
26
struction of the cellular core was considered as a columnar structure and the influence of the non-uniform discrete contact distribution of the core material on the outer sheets was discussed.
Key words: cellular structures, lightweight constructions, "sandwich"-structure, relative density, numerical simulation, rheology, QForm, topological optimization, solid-Thinking Inspire, material forming.
Petrov Mikhail Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petroff-ma@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Smolev Sergey Petrovich, undergraduate, smolev sergeyamail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.984
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В. А. Коротков, П.В. Романов, А.В. Шивцова
Приведены отдельные результаты исследования анизотропии механических свойств листового проката, выполненного из сплава АМг6. Показана методика проведения испытаний при различных температурно-скоростных условиях формоизменения и обработка полученных экспериментальных данных.
Ключевые слова: растяжение, анизотропия, напряжения, деформации, образец, испытание.
При разработке новых и совершенствовании известных технологических процессов изотермической штамповки листовых заготовок необходимо учитывать не только пластические и механические характеристики материала, зависящие от температуры, но и анизотропию механических свойств материала. Анизотропия механических свойств существенно влияет на технологические параметры процессов обработки металлов давлением [3]. Например, для получения деталей типа «стакан» или «чашка» из листового материала с плоскостной анизотропией механических свойств с помощью операции вытяжки на кромке детали возникают фестоны (уши), что приводит к увеличению отходов при обрезке кромки.
Наиболее распространенной характеристикой анизотропии листового материала являются коэффициент анизотропии Ra и сопротивление материала пластическому деформированию s sa, полученные по результатам испытания на растяжение при повышенных температурах образцов, вырезанных под углами a =0, 45, 90о относительно направления прокатки. У большинства листовых материалов коэффициенты анизотропии Ro, R45, R90 зависят и от степени деформации образца. Поэтому обычно коэффициенты анизотропии определяют при степенях деформации 10...20 % или при максимальной равномерной деформации [1 - 3].
464
Методика экспериментального определения коэффициента анизотропии [1] заключается в следующем. Перед испытанием на образце в зоне расчетной длины /0 наносят квадратные ячейки алмазным индентером на измерительном микроскопе, например, УИМ-23 с использованием приставки ПМТ-3. Растяжение образцов проводят на универсальной испытательной машине при повышенной температуре и поэтапном нагружении до фиксированной степени деформации. После каждого этапа нагружения ячейки измеряют на том же инструментальном микроскопе и рассчитывают деформации ячейки по ширине и длине:
гь = Ь^/ ¿0); е/ = ад/ /0), (1)
где ¿1 и /1 - размеры ячейки соответственно поперек и вдоль образца после растяжения; ¿о и /о - ее начальные размеры.
С учетом неразрывности деформаций при постоянстве объема получим деформацию по толщине:
Ч = -еЪ -е/. (2)
Коэффициент анизотропии в направлении вырезки образца в этом
случае
Яа=еъ/ еИ. (3)
По результатам измерений и расчетов устанавливают зависимость изменения коэффициентов анизотропии Яа от степени деформации образца. С помощью метода наименьших квадратов проводят аппроксимацию полученной зависимости.
Описанная методика отличается большой трудоемкостью как при подготовке к испытанию, так и при обработке ее результатов.
Снизить трудоемкость подготовки к испытанию и при обработке результатов испытания можно, если, как и предусмотрено ГОСТ 1497-84, не наносить квадратные ячейки по границам расчетной длины образца, а делать метки (риски) поперек образца с интервалом от 5 до 10 мм. При подготовке образца к испытанию и при обработке результатов испытания устанавливают начальные и конечные размеры поперечных сечений с помощью микрометров по ГОСТ 6507-90 с пределом допускаемой погрешности ±2 мкм. Имея информацию о начальной и конечной площадях каждого поперечного сечения, которые находятся в области равномерных деформаций образца, можно отказаться от поэтапного нагружения с целью определения деформаций по ширине еъ и толщине е^.
Экспериментально установлено, что до момента начала образования шейки при растяжении образца скорость изменения размеров всех поперечных сечений является равномерной, хотя и различной. В момент начала образования шейки в процессе растяжения образца происходит снижение нагрузки, и изменение размеров в поперечных сечениях прекращается, деформация локализуется в области шейки с последующим разрушением образца. Это обстоятельство позволяет, имея информацию о начальных и конечных значениях размеров по ширине и толщине каждого
поперечного сечения, находить их значения на любом этапе процесса растяжения по графику «нагрузка - перемещение», например, приведенному на рис. 1.
Испытание на растяжение проводилось на современной напольной машине ШБТЯОК серии 5982 с компьютерным управлением, тяжелой рамой и рабочей нагрузкой до 100 кН, которая широко используется для испытания высокопрочных металлов и сплавов, улучшенных композитов, аэрокосмических и автомобильных конструкций, болтов, крепежных деталей и листовой стали. Испытательная машина с компьютерным управлением В1иеЫ11 оснащена силовым динамометром с электрическим преобразователем, который обеспечивает расчет результата с помощью установок компьютерной программы и вывод численного значения на монитор ПК с возможностью его дальнейшего сохранения и печати. Испытательная машина работает как с пульта управления, так и с помощью компьютерной программы. Компьютерная программа позволяет определять механические и пластические свойства материала при различных температурах и скоростях растяжения.
Перемещение [гпгп]
Рис. 1. График растяжения сплава АМгб при температуре 370 оС, скорости перемещения захватов 5 мм/мин
Нагрев образцов проводился в высокотемпературной печи компании ШБТЯОК модели 8Б-16, управляемой с помощью термоконтроллера ШБТЯОК ТС83203. Типовой нагрузочный тракт состоял из двух тяг диаметром 19 мм, двух держателей образцов с резьбовым концом.
После растяжения до разрушения с записью диаграмм «нагрузка-перемещение» был получен протокол испытания, приведенный в табл. 1. В местах нанесения поперечных рисок в области равномерных деформаций измерялись конечные размеры по толщине и ширине, рассчитывались логарифмические деформации по толщине и ширине, определялся коэффициент анизотропии по формуле (3). Результаты измерений и расчетов после растяжения приведены в табл. 2.
Деформации по ширине е ь и толщине е 2 определялись по выражениям:
еЪк = 1п(Ък / Ъо );
е2к = 1п(7к / 70 X
где и 71 - размеры поперечного сечения после разрыва по ширине и толщине; Ь0 и 2§ - начальные размеры по ширине и толщине. Затем рассчитывалось среднее значение коэффициента анизотропии испытываемого образца.
Таблица 1
Протокол испытания на ^ растяжение образца_ из сплава АМг6
Метка образца Скорость [тт/тт] Температура, оС Толщина,[тт] Ширина,[тт] ь ] * а й- Нагрузка в текучести,[Ы] Условный предел текучести, [МРа] Максимум нагрузки,[Ы] Предел прочности,[МРа] Относительное удлинение, (%)
АМг6 5,0 376 0,91 9,75 8,87 193,74 21,84 267,49 30,15 130,0
Таблица 2
Начальные и конечные размеры образца, деформации в поперечных сечениях и коэффициенты анизотропии_
Начальные размеры
Конечные размеры
Логарифмические деформации
Коэффициент анизотропии
№ п/п
а н и В л о
н
а н
а н и
л «
а н и В л о
н
а н
а н и
л «
е н и В л о т
о
С
е н и
о
с
т н е
и ц
и ф
ф
э о к
0,908
9,790
20
0,680
7,440
46
0,2892
0,2745
0,95
0,908
9,750
0,677
7,000
0,2936
0,3314
1,13
1,05
0,908
9,810
0,570
6,020
0,4656
0,4883
1,05
1
2
3
Анализ изменения размеров поперечных сечений образца после растяжения согласно табл. 2 показывает, что в третьем сечении образец получил максимальную деформацию и произошла локализация с образованием шейки и разрушением, тогда как сечения 1 и 2 оказались в области равномерной деформации. В сечении 1 уменьшение ширины составило ЛЪ1=2,35 мм, толщины - Л71=0,228мм, соответственно в сечении 2: ЛЪ2=2,75 мм и Л72=0,231 мм. При интенсивности деформации в сечении 1 ег1=0,5637 и в сечении 2 ег-2=0,625 соответственно коэффициенты анизотропии равнялись Я=0,95 и Я=1,13.
Для установления характера влияния интенсивности деформации на изменение коэффициента анизотропии исследуемого материала по графику (рис. 1) можно определить значения коэффициентов анизотропии в каждом сечении на любом этапе в процессе растяжения. В рассматриваемых поперечных сечениях 1 и 2 изменение размеров по ширине и толщине до момента начала локализации деформаций происходило с равномерной скоростью (этап равномерного деформирования на участке АБ графика, рис. 1). Рассчитав масштаб изменения размеров по ширине и толщине для каждого сечения, определяли изменение размеров поперечных сечений на любом этапе растяжения. Выбранные этапы растяжения на графике обозначены наклонными линиями 1, 2, 3, 4. Результаты расчетов деформаций, интенсивности деформаций и коэффициентов анизотропии приведены в табл. 3.
Таблица 3
Значения деформаций и коэффициента анизотропии
в процессе растяжения образца из сплава АМг6 _при температуре 370 оС_
№ этапа Сечение 1 Сечение 2
Деформация Коэффициент ка Деформация Коэффициент ка
8Ь 8г 8/ 8Ь 8 г 8/
1 -0,0520 -0,0543 0,1063 0,957 -0,0613 -0,0555 0,1168 1,106
2 -0,1208 -0,1266 0,2474 0,954 -0,1435 -0,1291 0,2726 1,111
3 -0,1958 -0,2059 0,4017 0,951 -0,2351 -0,2087 0,4438 1,124
4 -0,2745 -0,2892 0,5637 0,950 -0,3314 -0,2936 0,6250 1,129
По результатам статистической обработки по методу наименьших квадратов установлено, что в сечении 1 зависимость коэффициента анизотропии от интенсивности деформации 8/ аппроксимируется уравнением
Яа = 0,0783еЗ - 0,053е2 - 0,1038 + 0,9586 ; (4)
в сечении 2 - уравнением
Яа = -0,5337еЗ + 0,57888? - 0,12938 +1,1141. (5)
Приведенные в табл. 3 коэффициенты анизотропии при различных этапах растяжения позволяют исследовать не только изменение анизотропии механических свойств в зависимости от степени деформации, но и от скорости деформации.
При заданной скорости перемещения захватов испытательной машины согласно имеющемуся графика «нагрузка - перемещение» (рис. 1) определяется время растяжения образца до начала локализации деформации в шейке и рассчитываются скорости деформации в сечении 1 -£,1=1,249*10-3, в сечении 2 - £,2=1,384*10-3. Приведенный пример определения коэффициентов анизотропии в процессе растяжения образца из алюминиевого сплава АМг6 при температуре 370 оС позволяет исследовать влияние как степени деформации, так и скорости деформации на изменение коэффициента анизотропии. В частности, установлено, что при скоро-
468
сти деформации <^=1,249*10-3 наблюдается незначительное уменьшение коэффициента анизотропии, а с ростом скорости деформации до ^2=1,384*10"3 коэффициент анизотропии возрастает.
Результаты измерений и расчётов коэффициентов анизотропии для исследуемых материалов: АМг6 показаны на рис. 2 в виде трёхмерных гистограмм.
в
Рис. 2. Изменение коэффициента анизотропии Я алюминиевого сплава
АМг6 в зависимости от температуры 1°С и угла вырезки образца относительно направления прокатки при скоростях деформирования: а -1 мм/мин; б - 5 мм/мин; в -10 мм/мин
Выводы
1. Из приведённых на рис. 2 гистограмм видно, что при комнатной температуре наблюдается плоскостная анизотропия сплава, тогда как при температурах от 370 до 470 0С плоскостная анизотропия существенно уменьшается, и сплав можно рассматривать как трансверсально-изотропный по механическим свойствам.
2. При разработке технологических процессов изотермической штамповки влиянием плоскостной анизотропии можно пренебречь на силовые и деформационные параметры процесса формоизменения. Это обстоятельство позволяет при раскрое материала на заготовки, осуществлять их любую ориентацию относительно направления к прокатке.
Список литературы
1. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В. А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 332 с.
2. Яковлев С.П., Кухарь В. Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М: Машиностроение 1, 2004. 427 с.
Коротков Виктор Анатольевич, канд. техн. наук, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Романов Павел Витальевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шивцова Анна Вячеславовна, студентка, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF ANISOTROPY SHEET ROCKS AT INCREASED TEMPERATURES V.A. Korotkov, P. V. Romanov, A. V. Shivtsova
This article presents some results of the study of the anisotropy of the mechanical properties of rolled sheet made of AMg6 alloy. The method of testing under different temperature and speed conditions of forming and the processing of the experimental data is shown.
Key words: tension, anisotropy, stress, strain, sample, test.
Korotkov Victor Anatolievich, candidate of technical sciences, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Romanov Pavel Vitalyevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shivtsova Anna Vyacheslavovna, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
