CC BY
36
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАГРУЖЕНИИ
Н.А. Крылов
(Санкт-Петербургский институт машиностроения, ЛМЗ-ВТУЗ)
Научный руководитель - д.т.н., профессор М.А. Скотникова (Санкт-Петербургский институт машиностроения, ЛМЗ-ВТУЗ)
На основании экспериментальных данных высокоскоростной обработки ударной волной титановых заготовок, изучения механизмов деформации и разрушения с привлечением оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и измерения микротвердости металла, а также литературных данных рассматривается вопрос о выборе научно-обоснованного режима высокоскоростной механической обработки.
Введение
Применение лезвийной обработки металлических заготовок со скоростями деформации 105-106 с-1 является одним из основных направлений повышения производительности труда и качества получаемых поверхностей. При этом возникает проблема снижения износостойкости инструмента, его преждевременного разрушения и усиления интенсивности этого процесса с увеличением скорости резания сверх определенного уровня. Существует гипотеза о наличии здесь связи с изменением степени локализации пластической деформации в металле заготовки в результате диссипативных процессов, происходящих в зоне стружкообразования [1-4]. Знание закономерностей и явлений, сопровождающих процесс лезвийной обработки, позволит найти пути повышения эффективности механической обработки заготовок. Наиболее труднообрабатываемыми считаются титановые сплавы, что обусловлено их низкой теплопроводностью, высокими контактными температурами, низкими трибо-технологическими свойствами. Целью данной работы являлось исследование структурно-фазовых превращений, механизмов деформации и разрушения материалов заготовок из сплава ВТ-6 и изменения их свойств (микротвердости) вдоль и поперек направления движения ударной волны со скоростью 400-600 м/с. Использовались следующие методы исследования: оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, испытания на микротвердость. Высокоскоростное нагружение образцов в виде плоских мишеней производилось легкогазовой пушкой на базе оборудования СПбИПМаш, РАН [5].
Научный задел
Были проведены исследования механизмов деформации и разрушения образцов из сплава ВТ-6 в условиях импульсного нагружения [6-15].
__зо__„I
t t f
направление удара
Рис. 1. Схема разрушения мишени при скорости ударного нагружения 568 м/с
Как видно из схемы разрушения (рис. 1), образовавшаяся откольная щель была параллельна свободной поверхности мишени и имела ступенчатую форму. Можно выделить три стадии (3 зоны) разрушения. Зона 1 - «эпицентр» ударной волны диаметром не более 15 мм, в котором формировались характерные вязкие «туннели», ориентированные вдоль направления удара. Зона 2 - кольцеобразная «периферия» ударной волны шириной не более 15 мм. Возможно, в этой зоне происходило поперечное растекание прямой волны с потерей скорости и энергии. Зона 3 - «долом».
Рис. 2. Поверхность шлифа поперечного сечения и свободной поверхности изломов «основной» (а) и «откольной» (б-е) частей мишени в зоне 1 (б-г) и в зоне 2 (д-е), до (а, г, е) и после (б,в,д) травления: *14 (а), х470 (б), х1300 (в), х220 (г, е), х2400 (д)
На рис. 2, а-е, представлены электронно-микроскопические фотографии изломов и шлифов поперечного сечения «откольной» и «основной» частей разрушенной мишени в зонах 1 и 2. Видно, что в изломе разрушенной мишени на мезоуровне формируются фрактурные составляющие округлой формы размером 100-200 мкм (рис. 2, а, г) и 300-400 мкм (рис. 2, е), соответственно, в зоне 1 и в зоне 2. Такие мезообъемы были внутренне испещрены более мелкими микросоставляющими также округлой формы и размером 10-40 мкм (рис. 2, в, д). Такие вязкие участки металла разрушенной мишени могли быть сформированы в результате ротационного механизма пластической дефор-
мации вдоль узких микроканалов, направление которых совпадало с направлением действия максимальных напряжений. Вдоль гладких границ таких мезообъемов (рис. 2, г), наблюдали вязкие адиабатические сдвиги (рис. 2, б) и отрыв. Можно полагать, что эти формирования имели сверхмелкое, однородное структурное состояние, так как травление поверхности излома в таких мезоучастках наличие второй в-фазовой составляющей не выявили (рис. 2, б).
Рис. 3. Распределение микротвердости вдоль направления движения
ударной волны в зоне 1
На рис. 3 представлены результаты измерения микротвердости на шлифах поперечного сечения от края «основной» части мишени вдоль направления удара с интервалом 20 мкм при нагрузке 20 г. Измерения были выполнены по следу движения волны в центральной и периферийной части, отстоящей от центра на 4 мм, в обоих случаях на уровне зоны 1. Абсолютные значения микротвердости в центре и на периферии достигали в среднем 4413 и 3996 МПа соответственно при средней твердости металла образца в исходном состоянии 2416 МПа. Как видно из рис. 3, результаты измерения микротвердости после ударного нагружения имели волнообразный характер с размером полуволны 100-200 мкм. По сравнению с центральной, периферийная волна, отстоящая от центра на 4 мм, находилась в противофазе, и, таким образом, они были самосогласованы в мезообъеме 100-200 мкм (зона 1). Аналогичные результаты были получены и на уровне зоны 2. Периферийная волна, отстоящая от центра на 11 мм (зона 2), реже была самосогласована с центральной, зато размер самосогласованных объемов увеличивался до 300-600 мкм.
Можно полагать, что при ударном нагружении формируется прямая макроволна пластической деформации, которая по мере своего движения по сечению образца, теряя скорость, модулирует структуру материала, разбивая ее на все более крупные размеры, между которыми фазы волн изменяются на противоположные, что приводит к относительной релаксации напряжений внутри сформированных мезообластей. Если волна теряет свою скорость до уровня, при котором самосогласование охватывает все сечение мишени, материал остается структурно-стабильным, и разрушения не происходит. В случае откола в центральной и периферийной частях формируются мезообъемы 100200 мкм и 300-400 мкм соответственно. Такие мезообъемы совершают согласованные развороты относительно друг друга и вокруг направления действия максимальных напряжений. Внутри таких мезообъемов формируется высокодисперсное, однородное
структурное состояние, в котором напряжения скомпенсированы и сохраняется относительная стабильность.
После прохождения сжимающей волны пластической деформации от тыльной стороны в материале мишени формируется разгрузочная волна, подключающая ротационные моды. Происходит релаксация внутренних напряжений, которые сохранились вдоль нескомпенсированных границ раздела мезообъемов. Мощная локализация пластической деформации по механизму адиабатических сдвигов вдоль границ раздела могла привести к выкрашиванию мезообъемов, потере веса и снятию в откольной зоне внутренних напряжений.
Основные результаты
На основании литературных данных и результатов проведенных расчетов была построена схема сил, действующих в зоне резания, с учетом упруго-пластических волн разгрузки (рис. 4).
Рис. 4 Схема сил, действующих в зоне ортогонального резания, с учетом упруго-пластических волн разгрузки
Можно полагать, что при высокоскоростной лезвийной обработке волна нагрузки, формируемая краем инструмента и направленная под углом сдвига (Ф), приводя к локальному упрочнению, достигнув свободной поверхности обрабатываемой заготовки, будет отражаться от нее (рис. 4). Смена механизма пластической деформации и формирование волны разгрузки приведет к направленному тепловыделению, разупрочнению материала, особенно интенсивному вблизи поверхности заготовки (свободного края).
Как показали расчеты, в сплаве АМц с небольшими силой и углом сдвига, в условиях интенсивного деформационного упрочнения с большой теплопроводностью, вол-
на разгрузки, отражаясь под небольшим углом к поверхности заготовки, разупрочняет материал далеко впереди зоны стружкообразования. В этом случае развивается равномерная пластическая деформация, формируется «сливная стружка» (рис. 5).
Рис. 5. Схема формирования «сливной» стружки (равномерная пластическая деформация)
В сплаве ВТ23 с малой теплопроводностью волна разгрузки, отражаясь под большим углом к поверхности заготовки при смещении стружки, возвращается в зону стружкообразования, где тепло локализуется. В этом случае происходит локализация пластической деформации, формируется стружка адиабатического сдвига (рис. 6).
Рис. 6. Схема образования стружки «адиабатического» сдвига (сильная локализация деформации)
Производились измерения микротвердости на микрошлифах, приготовленных в продольной плоскости стружки в долевом и поперечном ее направлениях с интервалом 20 мкм при нагрузке 20 г. Результаты измерения микротвердости имели волнообразный характер с периодом, равным ширине сегмента стружки, особенно при измерении вдоль направления свободного края элементной стружки (рис. 7, рис. 8, а).
Максимальные значения микротвердости приходились на места сочленения сегментов стружек (рис. 7, рис. 8, а, зона 6), в которых с помощью просвечивающей электронной микроскопии ранее была обнаружена локализация пластической деформации по механизму формирования узких зон вторичных дислокационных субструктур.
В структуре стружки из сплава ВТ23 локализация пластической деформации выражалась в формировании узких полос (зон) с более мелкой ячеистой структурой. На рис. 8 представлены: схематическое изображение исследованной фольги после лезвийной обработки (рис. 8, б); номера зон (1-6), в которых была произведена съемка; и распределение по этим зонам средних размеров дислокационных ячеек (рис. 8, в). Номера зон 1 и 6 соответствовали местам сочленения сегментов стружки, а номера 2, 3, 4, 5 -местам внутри сегментов. Как видно из графика (рис. 8, в), вдоль границ сегментов свободного края стружки, в узких полосах локализации пластической деформации (зона 6) формировались более мелкие дислокационные ячейки (0,15 мкм) по сравнению с зонами 4 и 5 (0,3 мкм). Вдоль границ сегментов прирезцового края стружки разница в размерах дислокационных ячеек в зонах 1 и 2-3 была меньше.
Рис. 7. Результаты измерения микротвердости материала стружки из сплавов ВТ23 и АМц вдоль направления движения резца
Таким образом, в процессе обработки резанием в зоне контактного взаимодействия обрабатываемой заготовки и инструмента изменялось соотношение между скоростью деформационного упрочнения, фрикционного тепловыделения и скоростью релаксационного разупрочнения материала.
Исходя из количественного соотношения перечисленных факторов, система в результате своей самоорганизации устанавливает оптимальный размер объема металла (сегмента стружки), в котором пластическая деформация развивается равномерно в изотермических условиях.
Рис. 8. Изменение значений микротвердости (а), размеров дислокационных ячеек (в) и схема (б) их распределения в долевом направлении элементной стружки
При высокоскоростной деформации и низкой теплопроводности обрабатываемой заготовки в объеме материала происходит переход от равномерной изотермической деформации к локализованной адиабатической, что приводит к интенсивному выделению тепла во время отражения волны разгрузки от свободной поверхности заготовки.
Заключение
На макроуровне резец, являясь макро-концентратором, формирует впереди себя волну нагрузки периодической концентрации напряжения, определяемую полем упругих напряжений в окрестностях распространяющейся трещины. Поле напряжения, возникающее вблизи резца, зависящее от его геометрии и первоначально формирующееся на макро-уровне, далее перераспределяется на мезо- и микро-уровень.
В результате самоорганизации системы формируется разгрузочная волна пластической деформации и разрушения, зависящая от релаксационной способности материала (его энергии дефекта упаковки). Такая волна, первоначально формирующаяся на микроуровне, перераспределяется на мезо- и далее на макроуровень, обеспечивая релаксацию напряжения во всем объеме детали.
Для повышения эффективности лезвийной обработки необходимо торможение или рассеивание волны разгрузки, что обеспечивается при меньшем угле сдвига Ф и повышении теплопроводности обрабатываемого материала.
При стружкообразовании соотношение количества выделяемого тепла и его теп-лооттока, а также соотношение скоростей деформационного упрочнения и релаксационного разупрочнения определяют объем металла обрабатываемой заготовки, вовлекаемый в равномерную пластическую деформацию, и период локализации деформации (размер сегмента стружки).
Для эффективного повышения износостойкости инструмента необходимо, чтобы скорость деформационного упрочнения преобладала над скоростью динамической структурной и концентрационной релаксации. Необходимо создавать условия, чтобы как можно дольше не происходило торможение эволюционирования структуры на микро- и мезоуровнях, вплоть до исчерпания трансляционных механизмов упрочнения за счет формирования ячеистой дислокационной структуры, а также оптимизировать скорость и температуру деформирования [16].
Литература
1. Skotnikova M.A., Ushkov S.S. Decomposition of Nonequilibrium Solid Solutions and Mechanical Properties of Titanium Alloy. // Titanium-99. Science and Technology, Saint Petersburg, Russia, 1999, v.1, p.414-422.
2. Скотникова М.А. К вопросу о кинетике структурно-фазовых превращений в деформированных титановых полуфабрикатах // Новые материалы и технологии Сб. трудов МГАТУ им. К.Э. Циолковского - М.: МГАТУ, 1996 с. 17-22.
3. Скотникова М.А., Ушков С.С. Разработка научного принципа выбора окончательной термической обработки двухфазных горячедеформированных полуфабрикатов из сплавов титана // Прогрессивные материалы и технологии, вып.3, ЦНИИ КМ Прометей, 1999, с. 91-98.
4. Скотникова М.А. Изучение структурно-фазовых превращений и свойств, как способ совершенствования технологии производства и термообработки деформированных полуфабрикатов из сплавов титана // MORINTECH-97 The Second International Conference and Exhibition On Marine Intellectual Technologies. Russia, Saint-Petersburg, 1997, v.4, p. 251-255.
5. Мещеряков Ю.И., Диваков А.К. Интерференционный метод регистрации скорост-
ной неоднородности частиц в упруго-пластических волнах нагрузки в твердых телах. Ленинградский филиал института машиноведения имени А.А. Благонравова, РАН, 1989, препринт № 25, 36 с.
6. Skotnikova M.A., Voinov KN., Martynov М.А., Ushkov S.S. About Nature of Dissipa-tive Processes at Cutting Treatment of Titanium Blanks // Titanium-99. Science and Technology, Saint Petersburg, Russia, 1999, v.3, p.1668-1674.
7. Skotnikova М.А., Martynov M.A., Ushkov S.S., Kastorsri D A. Structural-Phase Transformation In Titanium Alloys at High-Speed Mechanical Effect // The 10th World Conference On Titanium 13-18 Jule 2003, S9-33, Hamburg, Germany.
8. Скотникова М.А., Савенков Г.Г., Крылов Н.А. Структурно-фазовые превращения в двухфазных сплавах при импульсном нагружении // Сб. статей «Актуальные проблемы прочности», Новгород, НГТУ, 2002, с. 58.
9. Skotnikova М.А., Kastorsri D.A., Strorina T.I., Krylov N.A. Structural and Phase Transformations in Metals at Fast-Track Cutting // Abstracts «Physics and Mechanics of Large Plastic Strains». St. Petersburg, June 4 to 7, CRISM «Prometey» (Russia) and France, 2002, p. 63-64.
10. Скотникова М.А., Крылов Н.А. и др. Стружкообразование, как способ периодической локализации пластической деформации и разрушения в металле заготовки // Сб. ст. Технологии третьего тысячелетия, СПб, ПИМаш, 2002, с.62-68.
11. Касторский Д. А., Крылов Н.А., Строкина Т.И. Периодические структурно-фазовые превращения протекающие при лезвийной обработке // Сб. статей «Проблемы современного энергомашиностроения». Уфа, УГАТУ, 2002, с. 60.
12. Крылов Н. А. Повышение ресурса работы лезвийного инструмента при высоких скоростях механической обработки // Сб. тр. «Молодые ученые-промышленности северо-западного региона». Политехнический симпозиум. Тезисы докладов. СПбГТУ, 17 декабря 2002 года.
13. Скотникова М.А., Касторский Д.А., Строкина Т.И., Крылов Н.А. Повышение эффективности лезвийной обработки металлических заготовок на основании исследования в зоне стружкообразования // Сб. ст. «Новые материалы и технологии», Москва, МАТИ, 2002, с.41-42.
14. Скотникова М.А., Иванов С.Ю., Кобелева М.В., Крылов Н.А. Повышение качества поверхностей деталей машин методом нанесения регулярного микрорельефа // Сб. статей «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка». СПб., ПИМаш, 2002, с.187-191.
15. Skotnikova M., Strokina T., Krylov N., Mesherykov Yu., Divakov A. Formation of Rotation in Titanium Alloys at Shock Loading // Bulletin of the American Physical Society. 13-th APS Topical Conference on Shock Compression of Condenced Matter. July 2025,2003, Portland, Oregon, Volume 48, No.4, IP2-13, page 43.
16. Скотникова М.А., Виноградов В.В., Крылов Н.А. Учет волновой теории пластической деформации при высокоскоростной механической обработке поверхностей заготовок // Металлообработка. - 2005. - Т.4 (28). - С. 12-17.
