Научная статья на тему 'Исследование с помощью компьютерного моделирования контактного упрочнения алюминиевой прослойки при растяжении магниево-алюминиевых композитов'

Исследование с помощью компьютерного моделирования контактного упрочнения алюминиевой прослойки при растяжении магниево-алюминиевых композитов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
202
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАГНИЙ / АЛЮМИНИЙ / АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ / МЯГКАЯ ПРОСЛОЙКА / ДЕФОРМАЦИЯ / РАЗРУШЕНИЕ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / MAGNESIUM / ALUMINUM / ALUMINUM ALLOY / SOFT LAYER / DEFORMATION / FRACTURE / SIMULATE / FINITE ELEMENTS METHOD

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Гуревич Леонид Моисеевич, Трыков Юрий Павлович, Голик Анна Александровна, Пономарева Ирина Алексеевна, Арисова Вера Николаевна

Проведена верификация моделирования методом конечных элементов с помощью пакета SIMULIA/Abaqus поведения магниево-алюминиевого композита МА2-1-АД1-АМг6 при осевом растяжении. Определена моделированием прочность композита МА2-1-АД1-АМг6 при варьировании температуры испытаний и толщины прослойки АД1. Найдена относительная толщина прослойки, соответствующая переносу разрушения на магниевый сплав.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Гуревич Леонид Моисеевич, Трыков Юрий Павлович, Голик Анна Александровна, Пономарева Ирина Алексеевна, Арисова Вера Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research by means of computer modeling of contact hardening of the aluminum layer at stretching of magnesium-aluminum composites

The verification of the simulation with finite elements using the package SIMULIA / Abaqus the behavior of magnesium-aluminum composite AZ31B-AD1-AlMg6 under axial tension is carried out. Modeling strength of magnesium-aluminum-aluminum composite AZ31B-AD1-AlMg6 at varying test temperature and thickness of the interlayer AD1 is defined. Relative thickness of the interlayer, the corresponding transfer of destruction on the magnesium alloy is determined.

Текст научной работы на тему «Исследование с помощью компьютерного моделирования контактного упрочнения алюминиевой прослойки при растяжении магниево-алюминиевых композитов»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Л.В. Корнева, А.Ю. Сюсюкин. - М.: Теплотехник, 2007. - 280 с.

4. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка деталей подвижного состава и верхнего строения пути. - М.: Интекст, 2002. -208 с.

5. Масару Уэда, Кацуя Иван о, Такэси Ямамото. Характеристики термоупрочненных рельсов и новейшие разработки Nippon Steel // Инженерные решения. 2012. Январь. С. 9 - 11.

6. Корнева Л.В., Ю н и н Г.Н., Козырев Н.А., Атконова О.П., Полевой Е.В. Сравнительный анализ показателей качества рельсов ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и зарубежных производителей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 38 - 42.

© 2014 г. КВ. Волков, Е.В. Полевой, М.В. Темлянцев, О.П. Атконова, А.М. Юнусов, А.Ю. Сюсюкин Поступила 28 августа 2014 г.

УДК 62-419.5:620.172.224:519.876.5

Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, А.А. Голик, И.А. Пономарева, В.Н. Арисова

Волгоградский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНТАКТНОГО УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОСЛОЙКИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ МАГНИЕВО-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ*

При сварке плавлением магния с алюминием образуются хрупкие интерметаллиды, резко снижающие работоспособность конструкций, поэтому обычно используются сваренные взрывом магниево-алюминиевые переходники [1] различных конструкций. Наиболее часто используют два типа соединений: 1) композиция МА2-1-АД1-АМг6, применяемая для эксплуатации при температурах от -196 до +100 °С, не допускающая при дуговой сварке перегрева границы АД1-МА2-1; 2) четырехслойная композиция МА2-1-ВТ1-0-АД1-АМгб, рассчитанная на эксплуатацию в диапазоне температур от -196 до +500 °С. Прочность таких соединений в направлении, нормальном границе раздела слоев, определяется свойствами наиболее слабого из составляющих материалов, которым обычно является прослойка алюминия, играющим роль буфера пластичности и диффузионного барьера. С уменьшением толщины прослойки (ее обычно характеризуют относительной толщиной % = hid, где h - толщина прослойки, d - диаметр испытываемого образца) начинает проявляться

*

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект №14-1900418).

эффект контактного упрочнения. Для расчета прочности композитов с мягкими прослойками ранее разработан графоаналитический метод [1, 2], обеспечивающий приемлемые для практики результаты. После разработки метода конечных элементов и создания на его основе пакетов компьютерных программ, например SIMULIA/ABAQUS, появилась возможность более точного моделирования поведения различных процессов - от гидродинамических потоков расплавов металлов [3] и температурных полей в нагреваемых слябах под прокатку [4] до деформации композиционных материалов с резко различающимися по прочностным характеристикам слоями.

Целью настоящей работы являлась верификация моделирования с использованием пакета компьютерных программ SIMULIA/ABAQUS поведения при растяжении магниевоалюминиевых композитов с мягкой прослойкой при нормальной и повышенных температурах.

Для верификации результатов моделирования был изготовлен сваркой взрывом слоистый композит МА2-1-АД1-АМг6, в котором толщина алюминиевого подслоя изменялась в диапазоне 0,1 - 1,5 мм, а толщины магниевого

-23 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

и алюминиевого сплавов оставались неизменными (соответственно 20 и 10 мм). Оптимизированные параметры сварки взрывом трехслойной композиции обеспечивали прочность сварных соединений на уровне прочности алюминия (с учетом повышения этого показателя из-за роста плотности дислокаций при взрывном нагружении и контактного упрочнения). Отжиг композиционного материала при 100 °С в течение 1 ч частично устранял взрывное упрочнение алюминия.

Из трехслойного материала МА2-1-АД1-АМгб в состоянии после сварки и отжига механически вырезали стандартные цилиндрические образцы для испытаний на растяжение (длина рабочей части 20 мм), ось которых перпендикулярна поверхностям соединения слоев. Результаты испытаний на растяжение по нормали к линии соединения показали [5], что с уменьшением относительной толщины алюминиевого подслоя у = hid прочность трехслойного материала после сварки и термической обработки постепенно возрастала от 100 - 120 МПа при у= 0,5 до 200 МПа при у = 0,03 (рис. 1). Разрушение образцов при у = 0,03 происходило по сплаву магния МА2-1, и прочность композита уже не определялась прочностью алюминиевой прослойки. При у> 0,2 продольная остаточная деформация преимущественно локализовалась в алюминии, определяющим пластичность всего соединения. Уменьшение у

Рис. 1. Зависимость прочности композита после термической обработки при 100 °С в течение 1 ч от относительной толщины алюминиевого слоя:

1 и Г - экспериментальная и расчетная кривые

до 0,07 приводило к стеснению пластической деформации в сплаве АД1, постепенному снижению общей пластичности и заметному вовлечению сплавов МА2-1 и АМгб в пластическую деформацию, в основном, в приконтакт-ной с прослойкой АД1 области.

Верификация моделирования процессов деформирования и разрушения при растяжении цилиндрического образца диам. 6 мм трехслойного магниево-алюминиевого композита МА2-1-АД1-АМгб методом конечных элементов проверялась с использованием модуля Abaqus/Explicit программного комплекса SIMULIA/Abaqus компании Dassault Systnmes Simulia Corp. (USA), использующего явную схему интегрирования для сильно нелинейных переходных быстротекущих динамических процессов. Расчет проводился с использованием модели Мизеса. Для расчета упрочнения материалов в результате пластического деформирования использовали модель Джонсона-Кука [6], согласно которой предел текучести определяется формулой

ог =

(а + Вепр 11 + С In —

лГ ( Т-Тгл m

1-

Т -Т

у L

(1)

о

где А - предел текучести неупрочненного материала; В - коэффициент упрочнения при деформировании; С - коэффициент зависимости упрочнения от скорости деформирования; гр -эффективная пластическая деформация; -температура плавления; Тг - комнатная температура; п, т. 80 - параметры модели; в0 и гр -

первые производные по времени величин во и вр Формула (1) по сути представляет собой кривую деформирования материала. Для описания разрушения материала использовалась модель Джонсона-Кука [7], согласно которой разрушение конечного элемента происходит, когда параметр поврежденности D становится равным единице:

D = — 2Х; (2)

8/ г

здесь Дег - приращение эффективной пластической деформации в конечном элементе на /-м шаге интегрирования по времени; величина в/ вычисляется по формуле

-24 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

е/ =

( у ( £

Ц + А ехр Ъ-В- 1 + Z)4 In —

\ °ef )_ V ео)

1 +А

Т-Т Т -Т

1 m 1r J

(3)

х

X

где D\, D5 - параметры материала; ое/ - эффективное напряжение; р - давление в рассматриваемом конечном элементе.

Значения параметров для выбранных материалов, взятые из работ [8, 9], приведены в табл. 1, 2. В связи с низкой скоростью деформирования (в^ < 0,0025 с-') ее влияние не учитывалось.

Цилиндрическая форма образцов позволяла задавать элементы композита в виде деформируемых осесимметричных тел [10] и рассчитывать напряжения и деформации в радиальном сечении, что значительно сокращало время моделирования. Относительная толщина прослойки АД1 варьировалась от хущ = 0.66 (4 мм) до Хад1 = 0,033 (0,1 мм), а толщины слоев сплавов АМгб и МА2-1 составляли 10 мм. Прочность связей между слоями соответствовала прочности наименее прочного элемента пары. Размер сторон квадратных ячеек конечно-элементной сетки в элементах композита из сплавов АМгб и МА2-1 составлял 0,10 мм. Размер прямоугольных ячеек в мягкой прослойке АД1 в радиальном направлении соответствовал размерам ячеек сплавов АМгб и МА2-1, а в осевом направлении составлял 1/40 толщины мягкой прослойки. Моделируемая скорость растяжения образца составляла 0,02 мм/с. Различия в поведении композита

определялись при температурах от нормальной до 300 °С.

Полученные при моделировании значения предела прочности композитов МА2-1-АД1-АМгб при различных относительных толщинах прослойки %дд1 хорошо коррелируют с экспериментально определенными величинами для композита, отожженного при 100 °С в течение 1 ч (рис. 1). Проведенное моделирование показало изменение характера деформирования и разрушения основных слоев композита при варьировании относительной толщины мягкой прослойки (рис. 2, 3), причем характер зависимости во многом определяется температурой испытания. При нормальной температуре в области Хад1> 0,016 разрушение при моделировании происходило по прослойке АД1, но уменьшение ее относительной толщины сопровождалось ростом пластической деформации в магниевом сплаве МА2-1 с образованием шейки в сплаве Мгб при Хуц1= 0,016 (рис. 2, а).

Увеличение температуры приводило к снижению общей прочности композита и сохранению разрушения по алюминиевой прослойке даже при %ад1 = 0,016 (рис. 3, а). Кривые деформация - напряжения при различных температурах для композиционных образцов с относительными толщинами алюминиевой прослойки хдщ = 0,016 и %дд1 = 0,667 показаны на рис. 4. Повышение температуры снижало расчетную прочность композиционных образцов. Зависимость максимального удлинения образца от температуры испытаний имеет более сложный характер: при использовании мягкой прослойки больших толщин (рис. 4, б) повышение температуры способствует быстрой

Таблица 1

Использованные коэффициенты для модели пластичности Джонсона-Кука [6]

Материал А, МПа В, МПа /77 п 7 о о •СО тт, к Тг, к

Сплав АМгб 218,3 704,6 0,93 0,62 1 773 293

Алюминий 60,0 6,4 0,859 0,62 1 933 293

Сплав МА2-1 100,0 380 1,04 0,28 1 773 293

(аналог AZ31В-0)

Таблица 2

Использованные коэффициенты для модели разрушения Джонсона-Кука [7]

Материал А А А А А 7 о о •со т т, К А к

Сплав АМгб 0,178 0,389 -2,246 0 0 1 873 293

Алюминий 0,071 1,428 -1,142 0,0097 0 1 933 293

Сплав МА2-1 (аналог AZ31В-0) -0,35 0,6025 -0,4537 0,206 7,2 1 773 293

-25 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Рис. 2. Изменение характера деформирования в композите МА2-1-АД1-АМг6 ячеек слоев МА2-1 и АД1 при нормальной температуре и варьировании относительной толщины мягкой прослойки Хадь а ~ Хад1 = 0,016; б- ХаД1 = 0,033; в - Хад1 = 0,067; г - Хад1 = 0,166; д - Хад1 = 0,667

локализации деформации в формирующейся шейке и, соответственно, снижению относительного удлинения. Для прослойки с Хл/и = 0,016 (рис. 4, а) наименьшие значения относительного удлинения получены в интервале моделируемых температур 100 - 200 °С вследствие уменьшения вовлечения магниевого сплава в пластическую деформацию.

Полученные результаты указывают на необходимость тщательного подхода к выбору толщины технологической прослойки АД1 в трехслойном композите МА2-1-АД1-АМг6, вклю-

чая математическое моделирование поведения изделия из композиционного материала при возможных схемах нагружения, для обеспечения необходимого запаса пластичности материала в условиях эксплуатации. Вместе с тем практическое получение слоя АД1 в 100 мкм в композиционном материале МА2-1-АД1-АМг6 затруднено даже в случае использования при сварке взрывом не листового алюминия, а предварительно сваренной взрывом и прокатанной трехслойной прослойки МА2-1-АД1-АМгб с расчетным соотношением слоев

Рис. 3. Изменение характера деформирования в композите МА2-1-АД1-АМг6 ячеек слоев МА2-1 и АД1 при температуре 300°С и варьировании относительной толщины мягкой прослойки Хадт а - Хад1 = 0,016; б - Хлд| = 0,033; в - Хад1 = 0,067; г - Хад1 = 0,166; <3 - Хад1 = 0,667

-26 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Рис. 4. Кривые деформация - напряжения при различных температурах для композиционных образцов МА2-1—АД1-АМгб с относительными толщинами алюминиевой прослойки хдд] = 0,016 (а) и хад] = 0,667 (б):

I - нормальная температура; 2-100 °С; 3 - 200 °С; 4 - 300 °С

по аналогии с ранее созданной технологией получения четырехслойного композита титан -ниобий - медь - сталь [11]. Причиной этого является ухудшение при прокатке условий совместной деформации слоев, вызывающей в конечном счете разрушение по границе АД1-МА2-1 или по магниевому сплаву МА2-1 вследствие снижения его деформационной способности по мере увеличения обжатия.

Выводы. Сравнением с экспериментальными данными верифицированы результаты моделирования с использованием модуля Abaqus/Explicit программного комплекса SIMULIA/Abaqus поведения в процессе осевого растяжения нормально к линии соединения при комнатных и повышенных температурах трехслойной композиции МА2-1-АД1-АМг6 с различными толщинами мягкой прослойки. Методами конечно-элементного моделирования подтверждено, что уменьшение относительной толщины алюминиевой прослойки приводит к росту прочности композита с локализацией пластической деформации в алюми-

ниевом сплаве АД1. Только при относительной толщине Хлд1 < 0,033 начинается заметное деформирование алюминиевого сплава АМгб, увеличивающееся по мере роста температуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Т р ы к о в Ю.П., Г у р е в и ч Л.М., Ш м о р г у н В.Г. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов. - М.: Металлургия, 2004. - 230 с.

2. Т р ы к о в Ю.П., Гуревич Л.М., Проничев Д.В. Композиционные переходники. - Волгоград: РПК «Политехник», 2007. - 328 с.

3. Ф е й л е р С.В., Протопопов Е.В., Комшуков В.П., Г а н з е р Л. А. Разработка математической модели и численные расчеты гидродинамических потоков стали в промежуточном ковше машины непрерывного литья заготовок // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 12. С. 15-21.

Рис. 5. Зависимость определенного при моделировании временного сопротивления разрыву от относительной толщины

алюминиевой прослойки в композите АМг6-АД1-МА2-1:

1 - нормальная температура; 2 - 100 °С; 3 - 200 °С; 4 - 300 °С

-27-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

4. Перетятько В.Н., Т емлянцев Н.В., Темлянцев М.В., Михайленко Ю.Е. Нагрев стальных слябов: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150100 - Металлургия. - М.: Теплотехник, 2008,- 178 с.

5. Гуревич Л. М., Т р ы к о в Ю.П., А р и с о в а В.Н., Пономарева И.А., Голик А.А. Моделирование контактного упрочнения в магниево-алюминиевых композитах // Известия ВолгГТУ. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 9. № 9 (136). 2014. С. 72-76.

6. Johnson G.R., Cook W.H. Aconstitu-tivemodelanddataformetalssubjectedtolarg-estrains, highstrainratesandhightemperatures // Proc. of 7th Symposium on Ballistics, Hague, Netherlands, 1983. P. 541 - 547.

7. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures // Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 21. P. 31-48.

8. Кузькин В.A., M и x а л ю к Д.С. Применение численного моделирования для

идентификации параметров модели Джонсона-Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычислительная механика сплошных сред. 2010. Т. 3. № 1. С. 32-43.

9. Giraud Е., Rossi F., Germain G., Outeiro J.C. Constitutive Modelling of AZ31B-0 Magnesium Alloy for Cryogenic Machining // 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations (CIRP CMMO), (CIRP CMMO), Italy (2013). DOI : 10.1016/j.procir. 2013.06.144.

10. Abaqus 6.12. Analysis User's Manual. Vol. 1. Part 1. Introduction, spatial modeling and execution. DassaultSystnmesSimulia Corp., Providence, RI, USA, 2012. - 831 p.

11. Г у p e в и ч Л.М., T p ы к о в Ю.П., Голик А.А. Моделирование контактного упрочнения титано-стального композита с мягкой прослойкой /// Известия ВолгГТУ. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 9. № 9(136). 2014. С. 68-72.

© 2014 г. Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, А.А. Голик, И.А. Пономарева, В.Н. Арисова Поступила 28 августа 2014 г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

УДК 669.162.12:622

В.М. Павловец

Сибирский государственный индустриальный университет

ПРИНЦИПЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ЗА СЧЕТ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ОКАТЫШЕЙ

Технологическая схема производства железорудных окатышей включает в себя окомкова-ние шихты с получением влажных окатышей на низкотемпературной стадии процесса и упрочняющую термическую обработку окомкованно-го сырья на высокотемпературной стадии технологии, после которой окисленные окатыши пригодны для длительной транспортировки к потребителям и для последующей плавки или металлизации. Упрочняющая термическая обработка окатышей в режимах сушки, подогрева и обжига с использованием 100 % технологического топлива (20 - 25 м3/т) и 80 % электро-

энергии (5-10 кВт ч/т) осуществляется на обжиговых конвейерных машинах, где и происходит основное структурообразование (формируется пористость, межчастичная минеральная связка). Процессы формирования формы и размеров пор, характера (открытая, закрытая) пористости при обжиге являются трудноконтролируемыми, поскольку на них накладываются многочисленные сопутствующие физико-химические процессы. Окомкова-ние влажной железорудной шихты на низкотемпературной стадии технологии в окомкова-теле свободно от внешнего теплового и струк-

-28 -

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.