К методике определения реологических свойств высокотемпературными испытаниями кручением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.735.016.2:620.175.001.8

К методике определения реологических свойств высокотемпературными испытаниями кручением

Б. А. Кривицкий, А. Ф. Фомичев

Приведена методика и результаты экспериментального исследования теплового эффекта при высокотемпературных испытаниях кручением образцов из титановых и жаропрочных сплавов. Установлено, что при определенных режимах нагружения имеет место значительный разогрев, который необходимо учитывать при построении кривых упрочнения и формирования на их основе базы данных программ математического моделирования процессов ОМД. В противном случае в результаты расчета тепловых полей и энергосиловых параметров вносится существенная ошибка. На основании полученных данных приводятся рекомендации по совершенствованию методики испытаний и построению кривых упрочнения.

Ключевые слова: тепловой эффект, кривые упрочнения, кручение, обработка металлов давлением, математическое моделирование.

Введение

Так называемые кривые упрочнения (реологические свойства) отражают зависимость сопротивления деформации от условий нагружения — температуры, степени и скорости деформации. Их строят по результатам высокотемпературных испытаний на сжатие, растяжение или кручение [1]. В настоящем исследовании использовали кручение, в наибольшей степени удовлетворяющее поставленной задаче исследования.

Кривые упрочнения (или их аппроксимации) используют, например, в качестве исходных данных, характеризующих свойства материалов, в программах математического моделирования горячих процессов обработки металлов давлением. В связи с этим качество результатов моделирования в большой степени зависит от того, насколько корректно определены свойства деформируемого материала [2].

Следует отметить, что до настоящего времени нет общепринятых методик построения кривых упрочнения. Базы данных программ часто формируются на основе случайных литературных источников, для которых характерны большой разброс и плохая воспроизводимость результатов.

Согласно традиционной методике при построении кривых упрочнения принято считать, что температура образца в каждом отдельно взятом испытании остается постоянной и равной ее начальному значению, что не соответствует действительности, так как в процессе деформации имеет место тепловой эффект — увеличение температуры образца. Если не учитывать это обстоятельство, в результаты определения сопротивления деформации вносится ошибка, величина которой априори неизвестна. Соответствующая ошибка вносится и в результаты моделирования.

Также имеет место существенное искажение реальной картины течения, что необходимо учитывать при исследовании динамических процессов структурообразования и построении структурных диаграмм [2, 3].

В качестве иллюстрации на рис. 1 и 2 приведены кривые упрочнения для двух сплавов, построенные по традиционной методике [1].

Характерным является резкое уменьшение сопротивления деформации, что можно принять за динамическую рекристаллизацию. Однако основной причиной разупрочнения здесь является интенсивное тепловыделение (разогрев) образца.

МЕТШ100 Б РАБОТКА

Например, ниже будет показано, что для сплава ХН56ВМКЮ (см. рис. 5) при исходной температуре 980 °С разогрев образца достигает 80 °С, что и является основной причиной уменьшения сопротивления деформации. В этом случае ошибка в определении сопротивления деформации составляет 40 %.

Очевидно, кривые упрочнения отражают разогрев образца, но интерпретируются не корректно, так как методика испытаний не предусматривает контроль текущего значения температуры образца.

Имеются работы, где тепловой эффект (разогрев образца) пытаются оценить путем расчета затрачиваемой работы деформации исходя их законов термодинамики [3]. Основная проблема состоит в том, что сопротивление деформации является функцией состояния, поэтому ее «истинное» значение можно определить только экспериментально.

Цели исследования. Экспериментальная оценка теплового эффекта при высокотемпературных испытаниях кручением и разработка на этой основе рекомендаций по совершенствованию методики испытаний и построения кривых упрочнения.

Для исследования использовали две группы образцов: из титанового сплава ВТ6 и из жаропрочного сплава ХН55ВМТКЮ, сопротивление деформации которых при температурах горячей обработки существенно различаются.

Испытания проводили на торсионном пла-стометре, который был нами дополнительно оснащен инфракрасным бесконтактным термометром, имеющим лазерный прицел, светодиодный индикатор и токовый выход для автоматической записи температуры поверхности образца.

Методика исследования. Образцы размерами рабочей части 8 х 30 мм устанавливали в нагретую до определенной температуры печь, где выдерживали 15-20 мин в условиях, близких к изотермическим. Термометр устанавливали через боковое отверстие печи таким образом, чтобы его «активное пятно» (диаметром 5 мм) было направлено в центральную часть образца. Образец деформировали до разрушения с записью машинной диаграммы «Момент - угол закручивания». Одновременно записывали температуру поверхности образца в процессе испытания.

а, МПа

200

100

\ 800 °С

900

0 0,2 0,4 0,6 0,8 е

Рис. 1. Кривые упрочнения титанового сплава ВТ6 [1]

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

98 0 °<

10 80

1 180

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Рис. 2. Кривые упрочнения жаропрочного сплава ХН56ВМКЮ

Температуру испытаний варьировали в пределах 850-1200 °С, скорость деформации — 0,01-6 с-1, что соответствует скоростям вращения активного захвата 1-600 об/мин. Отдельные испытания проводили на образцах с укороченной базой для получения скорости деформации 50 с-1.

При относительно больших скоростях из-за инертности термометра удавалось фиксировать только температуру к моменту разрушения образца.

а8, МПа

е

АТ, °С

30

20

10

850 °С

900 °С

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 3. Тепловой эффект (разогрев) при кручении образцов из сплава ВТ6

Результаты исследования. Результаты измерений разогрева образцов из титанового сплава ВТ6 при скорости деформации 5,0 с-1 изображены на рис. 3, где по оси ординат указано абсолютное значение приращения температуры поверхности образца АТ, по оси абсцисс — деформация 8. Максимальный разогрев к моменту разрушения (8 ~ 0,7 ) составил 20 и 30 °С при температурах 900 и 850 °С соответственно.

При скорости деформации 0,5 с-1 максимальный разогрев поверхности образца составил 10, 14 и 24 °С при начальных температурах 950, 900, 850 °С соответственно.

При скорости деформации 50 с 1 и температуре 900 °С максимальный разогрев составил 50-60 °С.

При относительно малых скоростях деформации (0,01 с-1) и высоких температурах (более 1000 °С) разогрев не превышал 2-3 °С, что находится в пределах чувствительности термометра.

На основании полученных выше данных построена «поверхность упрочнения» в трех мерных координатах (а, 8, Т), где Т — фактическая температура образца (рис. 4).

Методика оценки теплового эффекта образцов из жаропрочного сплава ХН56ВМКЮ предусматривала испытания при температурах 980, 1080, 1180 °С и скорости деформации 3,0 с-1. Результаты испытаний изображены на рис. 5.

Видно, что при начальной температуре 980 °С максимальный разогрев составляет 80 °С, при 1080 °С — 50 °С, при 1180 °С — 25 °С. Это означает, что фактическая температура образца к моменту разрушения (8 ~ 0,8) составляет 1060, 1130 и 1205 °С соответственно (см. рис. 2).

Ошибку в рассматриваемом случае мы оценивали следующим образом. Например, при Т = 980 °С и скорости 3 с-1 сопротивление деформации а составляет 600 МПа. К моменту разрушения а ~ 350 М. В этот момент фактическая температура образца 1060 °С. При этой температуре сопротивление деформации

8

МЕТ^^^РАБОТК)»

будет 400 МПа. Таким образом, относительная ошибка составит около 30 %.

При температурах 1080 и 1180 °С ошибка в определении а составит 20 и 5 %. При скорости деформации 50 с-1 (на рис. 2 не показано) ошибка составит уже 50 %.

Основные выводы

1. При относительно низких скоростях деформации и высоких температурах тепловой эффект относительно невелик и составляет для исследованных материалов не более 5-10 °С.

2. Для трудноформируемых материалов, например жаропрочных сплавов, а также при высоких скоростях нагружения тепловой эффект может быть весьма значительным (100 °С и более), что необходимо учитывать при разработке методики испытаний и интерпретации полученных результатов. В противном случае в результаты определения сопротивления деформации вносится существенная ошибка.

3. Результаты испытаний, где имеет место существенный разогрев, лучше представлять в виде поверхности упрочнения (или ее аппроксимации) в трехмерных координатах, где указывать не начальную, а фактическую температуру образца.

4. Результаты оценки теплового эффекта по изложенной выше методике характеризуются небольшим разбросом и хорошей воспроизводимостью. Относительная погрешность составляет не более 10 %.

5. Одним из направлений совершенствования методики высокотемпературных испытаний может быть оснащение пластометров устройствами для автоматической записи текущего значения температуры.

ДТ, °С

80

60

40

20

0 °С 080

/ 1

118 0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 5. Тепловой эффект (разогрев) при кручении образцов из жаропрочного сплава ХН56ВМКЮ

6. Тепловой эффект может существенно исказить реальную картину зависимости сопротивления деформации от температурно-ско-ростных условий нагружения, которую отражают кривые упрочнения. Это необходимо учитывать при металловедческих исследованиях, например при определении температур-но-скоростных режимов, протекания динамического упрочнения и разупрочнения.

Литература

1. Полухин П. И., Гун Г. Я., Галкин А. М. Сопротивление пластической деформации: Справочник. М.: Металлургия, 1993. 350 с.

2. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей: справ. М. Л. Бернштейн, С. В. Дебат-кин [и др.] М.: Металлургия, 1989. 543 с.

3. Полухин П. И., Горелик С. С., Воронцов В. К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1992. 435 с.

Е