CC BY
10
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
УДК 621.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕТОДАМИ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.И. Галкин, докт. техн. наук (e-mail: galkin@mati.ru), А.Р. Палтиевич, канд. техн. наук, Е.В. Преображенский, канд. техн. наук, М.Г. Дорофеева, аспирант(МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского)
Предлагаемая методика позволяет совместить результаты математического моделирования горячего пластического деформирования и экспериментальных исследований с целью прогнозирования уровня механических свойств и металлографической структуры в получаемом изделии.
Ключевые слова: прогнозирование, алюминиевые сплавы, конечно-элементный анализ, зеренная структура, механические свойства.
Investigation of Prediction of Structures and Properties of Wrought Aluminium Alloy Semiproducts via Finite-Element Analysis Methods. V.I. Galkin, A.R. Paltievich, Ye.V. Preobrazhensky, M.G. Dorofeyeva.
The method proposed in this paper brings together the results of mathematical modeling of hot plastic deformation and experimental studies to predict a level of mechanical properties and a metallographic structure in the resulting product.
Key words: prediction, aluminium alloys, finite-element analysis, grain structure, mechanical properties.
Разработка технологических процессов обработки металлов давлением (ОМД) в условиях современного производства должна обеспечивать не только соответствие получаемого изделия требованиям конструкторского чертежа, но и требуемый, а зачастую и заранее определенный уровень механических свойств, распределенный по объему изделия. Очевидно, что действующие напряженно-деформированное состояние (НДС) и темпера-турно-скоростные параметры процесса определяют формирование определенной металлографической структуры в изделии. Поэтому разработка научно-обоснованных подходов к прогнозированию структуры и свойств металлических материалов в процессе их пластического горячего деформирования является одной из важнейших задач современного металлургического производства. Количественно установив влияние таких
параметров, как степень деформации, напряжения, температура, скорость деформации и условия контакта на границе материал - инструмент, на формирование той или иной зе-ренной структуры в изделии, становится возможным еще при проектировании технологического процесса заложить в получаемом изделии необходимый уровень механических и эксплуатационных свойств.
Совершенствование технологических процессов пластического формоизменения, с учетом современных требований, значительно облегчается применением САЕ-систем. Основными представителями являются программные продукты, построенные на базе метода конечно-элементного анализа, позволяющего в большинстве прочностных и деформационных задач получать результаты с погрешностью не более 5-10 %, что более чем достаточно для инженерных расчетов. Непосредственно
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
для моделирования процессов ОМД могут использоваться как сугубо специализированные CAE-системы (Qform, Deform), так и программы универсальной направленности (Ansys). Основная область применения CAE-систем в ОМД — это анализ пластического течения металла, расчет напряжений, деформаций, температур, скоростей и т. п., а также построение полей распределения расчетных величин в объеме изделия. В то же время на такие вопросы, как значение предела прочности и текучести, величина зерна, современные CAE-системы однозначного ответа не дают. Для ответа на этот вопрос необходимо разработать методику, позволяющую увязать воедино результаты математического моделирования - данные НДС, температур-но-скоростные параметры процесса, и экспериментальных исследований - распределение металлографической структуры и свойств в объеме изделия.
Исследования в области управления структурой и свойствами деформированных изделий методами конечно-элементного анализа проводятся в течение последних 10-15 лет. Так, например, в работах [1-8] рассмотрены различные подходы к решению данной задачи. Анализируя их, можно проследить эволюционирование научной мысли от описания возможностей решения задачи до ее реализации в отдельных исследованиях. Наличие работ в области управления структурой и свойствами металлических изделий с помощью САЕ-сис-тем говорит об актуальности данных исследований, а отсутствие широко применяемых приложений с реализацией предлагаемых подходов - о необходимости проведения дополнительных исследований с целью совершенствования научно-обоснованных подходов в заявленной теме исследований.
В данной работе предлагается методика, позволяющая количественно оценить закономерности изменения структуры материала при его охлаждении по разным режимам после горячего пластического деформирования. В этом случае не будет учитываться начальное состояние структуры материала, но в условиях горячей ОМД ею можно пренебречь, так как в готовом изделии фазовый состав будет определяться имевшимся НДС, скоро-
стью и полнотой прохождения процессов рекристаллизации. Основная сложность при реализации данного подхода состоит в большом количестве экспериментальных исследований.
Предлагаемая методика (рис. 1) строится на проведении экспериментальных исследований с алюминиевыми образцами, определе -нии их механических и структурных свойств, разработке математической модели связи механических и структурных свойств изделий с параметрами деформационного процесса и условиями охлаждения, объединении результатов экспериментальных исследований с параметрами НДС, полученными в САЕ-системе.
Рис. 1. Методика прогнозирования структуры и свойств деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов
-t
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Для выявления функциональных зависимостей влияния технологических параметров процесса обработки металлов давлением на структуру и механические характеристики изделия изготавливали клиновые образцы. В работе в качестве материалов использовали алюминиевые сплавы Д1 и АМг6.
В процессах ОМД распределение НДС может значительно различаться по объему изделия. Это обусловливает необходимость проведения испытаний с различной степенью деформации. Одним из способов сокращения потребного количества экспериментов является использование образцов клиновидной формы, деформируемых продольной прокаткой (рис. 2). Это позволяет получать в ходе
Рис. 2. Схема прокатки клиновидных образцов
Рис. 3. Клиновой образец с вертикальными насечками
Рис. 4. Клиновой образец после продольной прокатки
одного эксперимента заготовку с равномерным нарастанием степени деформации по ее длине. Тем самым экономится материал и сокращается количество проводимых экспериментов (например, клиновой образец длиной ^ = 100 мм, с минимальной толщиной 6 мм и углом конусности а = 10° дает возможность исследовать материал, который обработан со степенями деформации в диапазоне от 0 до 75 %).
На боковой поверхности таких образцов через равные промежутки следует нанести вертикальные насечки с целью количественного определения распределения степени деформации по длине образца после прокатки (рис. 3).
Образцы после нагрева до разных температур из принятого температурного интервала деформирования подвергают продольной прокатке (рис. 4).
Следует отметить, что в реальных процессах ОМД на формирование металлографической структуры, помимо трения, степени деформации и температуры, большое влияние также оказывает полнота протекания рекрис-таллизационных и других процессов, которые происходят при охлаждении заготовки. В результате у полуфабрикатов из одинакового материала и подобных по форме, проде-формированных при одинаковых условиях, но имеющих разную массу, распределение бальности зерна будет различным ввиду разных условий охлаждения. Поэтому темпера-турно-скоростной фактор охлаждения чрезвычайно важен, в связи с чем его необходимо особо учитывать при проведении экспериментов на клиновых образцах. В экспериментах использовали клиновые образцы, одинаковые по форме и размерам. Поэтому для оценки влияния температурно-скоростного фактора предложена методика, позволяющая моделировать различные режимы охлаждения образцов. Методика предусматривает применение так называемых дополнительных тепловых аккумуляторов разной мощности, представляющих собой наборы плоско-параллельных стальных плит различной толщины, которые нагревались совместно с клиновыми образцами до одинаковых температур. После прокатки клиновые образцы охлаждались по
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Рис. 5. Процесс остывания образцов в аккумуляторах разной мощности между 2-мя (а) и 4-мя (б) слоями плит
т, °е
450 400
350 300 250 200 150 100 50
0
1000
2000
3000 т, с
Рис. 6. Результаты охлаждения сплава Д1 после прокатки при 450 °С по трем режимам:
1 - охлаждение на воздухе; 2 - 2 слоя плит; 3 - 4 слоя плит
Рис. 7. Образцы для механических испьттаний:
а - схема вырезки образцов на растяжение из деформированной заготовки; б - исходный образец; в - образец после испытания на растяжение
а
трем режимам - на воздухе (без использования тепловых аккумуляторов), между 2-мя слоями стальных плит (аккумулятор средней мощности) и между 4-мя слоями стальных плит (аккумулятор высокой мощности) (рис. 5).
Для учета влияния начальной температуры деформации прокатку клиновых образцов проводили при температурах 380, 450 и 500 °С с последующим охлаждением по трем ранее указанным режимам. Приведенный температурный интервал позволяет изучить процессы рекристаллизации в широком диапазоне их протекания.
Результаты экспериментов по предлагаемой методике показали, что использование тепловых аккумуляторов позволяет вести охлаждение деформированных образцов из сплавов Д1 (рис. 6) и АМг6 по различным режимам охлаждения. На графиках видно, что
если в образце после прокатки, охлаждаемом на воздухе, рекристаллизационные процессы заканчиваются практически на первых же секундах охлаждения, то в образцах с тепловыми аккумуляторами они протекают в течение 30-40 мин.
Для анализа полученной металлографической структуры на следующем этапе исследований изготовили образцы для механических испытаний на растяжение (рис. 7).
Испытания на разрыв в исследовательско-испытательном комплексе !пз1гоп [9] позволяют получить при различных условиях остывания полуфабрикатов зависимости предела прочности (рис. 8) и предела текучести (рис. 9) от степени деформации.
Затем из образцов в месте разрыва изготавливали микрошлифы с целью определения величины зерна (рис. 10).
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Рис. 8. Зависимость предела прочности сплавов АМг6 (а) и Д1 (б) от степени деформации Апрок = 380 °С) при различных условиях остывания:
♦ - на воздухе; А - 2 + 2 плиты; * - 4 + 4 плиты
Рис. 9.. Зависимость предела текучести сплавов АМг6 (а) и Д1 (б) от степени деформации (Апрок = 380 °С) при различных условиях остывания:
♦ - на воздухе; А - 2 + 2 плиты; * - 4 + 4 плиты
Рис. 10. Микроструктура образцов (х100) из сплавов АМг6 (а, б) и Д1 (в, г) с различными степенями деформации:
а, в - деформация 30 %; б, г - деформация 60 %
I 2,5
^ 2 нн
ей 1
я 1
к
Е 0,5
РР 0
#
, , л
►
Сплав АМг6
20 40 60
Степень деформации, %
80
н и
¡г
и
£ рр
2,5 2 1,5 1
0,5 0
Сплав Д1
10 20 30 40 50 60 Степень деформации, %
70 80
Рис. 11. Зависимость изменения величины! зерна от степени деформации при охлаждении на воздухе
По результатам микроструктурных исследований строятся зависимости величины зерна от степени деформации при различных условиях остывания (рис. 11).
Проведенная серия экспериментов с нагревом, прокаткой и охлаждением по разным режимам клиновидных образцов и последующим их испытанием на разрыв позволяет оценить влияние технологических параметров процессов деформирования и последующего охлаждения на структуру и свойства полу-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Таблица 1 Коэффициенты аппроксимации функции-полинома Ке для расчета предела прочности сплава Д1 при Т = 380 °С
Режим охлаждения МПа Коэффициенты аппроксимации функции Ks = a + bs + cs2 + ds3
а b c d
Воздух 266 1 -3E-05 -1E-05 2E-07
В аккумуля- 218 1 0,001 -3E-05 4E-07
торе тепла
(2+2 плиты)
В аккумуля- 216 1 0,001 -2E-05 2E-07
торе тепла
(4+4 плиты)
чаемого изделия в виде следующей функциональной зависимости:
О = Об х Кт х КЕ х Кт,
где О - расчетный параметр (величина зерна, предел прочности и др.);
Об - расчетное значение параметра при базовыхзначенияхтемпературы деформации, степени деформации и скорости охлаждения;
Кт, Кг, Кт - поправочные коэффициенты, корректирующие базовую величину О в зависимости от температуры, степени деформации и скорости охлаждения соответственно.
Коэффициенты Кт, КЕ, Кт определяются с помощью аппроксимации результатов экспериментальных исследований и конечно-элементных расчетов, полученных в ходе выполнения настоящей работы, и выражаются в виде функций-полиномов. В табл. 1 представлены коэффициенты аппроксимации функции-полинома КЕ для расчета предела прочности сплава Д1.
Таким образом, в представленной интегрированной математической модели прогнозирования структуры и свойств алюминиевых сплавов используется конечно-элементная модель вязкопластического течения металла в ходе пластической деформации и учитывается реологическое поведение материала в ходе горячей объемной деформации и термообработки.
Итогом исследований стало совмещение результатов экспериментальных исследований механических свойств пластически деформированного изделия и расчетов математического моделирования, показывающих распределение НДС в объеме изделия.
Математическое моделирование процесса прокатки клиновых образцов осуществлялось в программе Deform 3D. Результаты моделирования прокатки клиновых образцов из сплавов Д1 и АМг6 (рис. 12) позволяют получить распределение деформаций и температур по сечению образца. Условия моделирования -контактное трение, геометрия зоны очага деформации, температурно-скоростной режим, выбирались таким образом, чтобы в результате получить модель, максимально приближенную по геометрии к реально деформированному образцу.
Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования объединяются в экспериментальном образце системы цифрового моделирования (ЭО СЦМ), дающем возможность проектировать техноло-
б
Рис. 12. Результаты моделирования прокатки клинового образца из сплава Д1:
а - распределение деформаций; б - распределение температур
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
гические процессы горячей обработки давлением алюминиевых сплавов и получать для деформированных алюминиевых полуфабрикатов расчеты следующих прогнозируемых параметров: величина зерна, предел текучести, предел прочности, твердость и т. д. в каждой зоне сечения. Разрабатываемый в настоящее время ЭО СЦМ представляет собой программное приложение к существующим САЕ-системам.
Работа ЭО СЦМ строится в соответствии со следующим алгоритмом (рис. 13). Перед началом импортирования данных пользователь выбирает базовые варианты (введенные в систему данные о механических и структур-
Рис. 13. Алгоритм работы ЭО СЦМ
ных свойствах материала, полученные по разработанной методике). Если требуемого материала нет, то необходимо провести экспериментальные исследования, создать базовый вариант, т. е. импортировать данные без прогнозирования и указать значения величины зерна, предела прочности и предела текучести в узлах модели согласно полученным экспериментальным данным.
Метод прогнозирования определяет вклад каждого из импортируемых параметров (начальной температуры, скорости охлаждения, эквивалентных деформаций) в рассчитываемые свойства. После импорта данных система моделирования отображает модель и результаты распределения прогнозных значений величины зерна, прочности и твердости.
В качестве примера выполнения прогнозирования механических свойств и величины зерна в изделии с помощью ЭО СЦМ можно рассмотреть процесс штамповки детали фланец из сплава АМг6. После того как CAE-программа (в тестировании использовался Deform 3D) завершает расчет процесса штамповки, данные передаются в систему цифрового моделирования.
Для прогнозирования свойств при импорте используются базовые варианты, созданные с помощью моделирования прокатки клиновых образцов из АМг6. В результате в автоматическом режиме получены картины распределения величины зерна, твердости и прочности в любой точке изучаемого изделия (рис. 14, 15).
Для определения достоверности прогнозируемых величин из штамповки вырезали образцы, которые подвергали испытаниям, включая измерение размера зерна и твердости по Бринеллю. Сравнение результатов, полученных в системе цифрового моделирования, с данными экспериментальных исследований показывают достаточно высокую точность решения (табл. 2).
Таким образом, система цифрового моделирования является достаточно простой в использовании и, что важно, дополняемой. Пользователь, имея данные исследований и результаты математического моделирования, может самостоятельно добавлять базовые варианты для различных марок материалов, применяемых в процессах обработки метал-
-t
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Рис. 14. Расчет прогнозируемой величины! зерна после штамповки
gj Predictor
Файл Правка Вид Инструменты Справка
\&&W\ к\<?\ eflaio
Список | Таблица |
База данных В Открытая работа
<без имени> В Базовые варианты
<*> АМгБ_380С_ < > АМг6_380С_Проверка <"> АМ г6_Т 380С_20мм .........<"> АМгб Т380С 40мм
> AM г6_Т 380С_воздух
-< > Д1_Т380С_20мм '■■■< > Д1_Т380С_40мм ■о Д1_Т380С_воздух Последние документы
Геометрия] Размер зерна Твердость НВ [прочность] То | V ] е
Твердость (прогь
□ 121
I I 122,555
I I 124,111
| | 125.666
П 127,222
I | 128,777
□ 130,333 ■ 131.888 I I 133,444
□ 135
Среднее: 126.88'
Минимум: 121. Максимум: 135,
к: 21.07666; у: 83,78857: F-121
-Ф-
&J Predictor
Файл Правка Вид Инструменты Справка
Список | Таблица]
База данных Ё Открытая работа
<безимени> В Базовые варианты
.........<"> АМг6_380С_
< > АМ гБ_380С_П роверка <"> АМ г6_Т 380С_20мм .........<"> АМ г6_Т 380С_40мм
<х> АМ г6_Т 380С_воздух
о Д1_Т380С_20мм
.........< > Д1_Т380С_40мм
.......< > Д1_Т380С_воздух
Последние документы
Геометрия] Размер зерна | Твердость ИВ Прочность | То
Прочность про
|П 422,888
I I 427,777
| | 432.666
Г~1 437.555
| | 442,444
| | 447,333
I I 452,222
I I 457,111
□ 462
Среднее: 438,04!
Минимум: 418, Максимум: 462,
х 74,32323: у: 68,62438; F - 438
Рис. 15. Прогнозируемые твердость (а) и прочность (б) после штамповки фланца
а
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Таблица 2
Сравнение результатов прогнозируемых и опытных свойств штамповки фланца из АМг6
Экспериментальные данные Смоделированные данные
Размер Твердость Прочность, Размер Откл., % Твердость Откл., % Прочность, Откл., %
зерна, мкм HB МПа зерна, мкм HB МПа
8 134 6 25 125 6,7 427 1,6
7 137 6 14 135 1,5 435 3,4
13 120 10 23 130 8,3 434 3,2
12 121 10 17 123 1,7 433 3,0
лов давлением. Следует отметить, что представленная методика универсальна и может быть использована не только для алюминиевых сплавов, но и для других сплавов и сталей.
Заключение
Разработанная методика прогнозирования методами конечно-элементного анализа структуры и свойств деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов позволяет объединить результаты экспериментальных исследований и математического моделиро-
вания в ЭО СЦМ и тем самым расширить возможности современных САЕ-систем, применяемых в обработке металлов давлением. С использованием разрабатываемый ЭО СЦМ становится возможным проектировать процессы ОМД с заранее заданными структурными и прочностными характеристиками получаемых изделий и полуфабрикатов. Методика имеет универсальный характер и может применяться как для алюминиевых, так и для других сплавов.
1. Галкин В.И., Петров А.П., Палтиевич А.Р.
Особенности применения конечно-элементного анализа процессов обработки металлов давлением и перспективы прогнозирования структуры и свойств изделий // Технология машиностроения. 2007. № 8.
2. Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Евсеев П.С. Современные научно обоснованные подходы к моделированию технологических процессов обработки металлов давлением // Авиационная промышленность. 2012. № 3. С. 38-41.
3. Бережной В.Л. Анализ и формализация представлений о неравномерности деформаций для технологического развития прессования // Технология легких сплавов. 2013. № 1. С. 40-57.
4. Duan X., Velay X., Sheppard T. Application of finite element method in the hot extrusion of aluminium alloys // Materials Science and Engineering A. 2004. V. 369. P. 66-75.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 5.
Flitta I., Sheppard T. Material flow during the extrusion of simple and complex cross-sections using FEM // Materials Science and Technology. 2005. V. 21. P. 648-656.
6. Donati L., Tomesani L., Schikorra M., Ben Khalifa N., Tekkaya A.E. Friction model selection in FEM simulations of aluminium extrusion // International Journal of Surface Science and Engineering. 2010. V. 4. P. 27-41.
7. Reggiani B., Donati L., Tomesani L. Evaluation of different FE simulation codes in the stress analysis of extrusion dies // International Journal of Material Forming. 2012. May.
8. Schikorra M., Donati L., Tomesani L., Tekkaya A.E. Microstructure analysis of aluminum extrusion: grain size distribution in AA6060, AA6082 and AA7075 alloys // Journal of Mechanical Science and Technology. 2012. May.
9. Решения в сфере испытаний материалов/ www.instron.com.
