CC BY
63
УДК 62-419.5: 620.172.224:519.876.5
Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, Е.В. Соколова, Р.Е. Новиков, А.А. Загребина
Волгоградский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ СВАРЕННЫХ ВЗРЫВОМ ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫХ ТИТАНО-СТАЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ*
Развитие энергетики, ракетно-космической и криогенной техники требует разработки технологий получения титано-стальных композитов с гарантированными служебными свойствами в условиях высоких давлений, нагрузок, низких и повышенных температур. Традиционные способы сварки (плавлением или прокаткой) сопровождаются нагревом границы раздела металлов до температур, приводящих к образованию интерметаллидов и карбидов титана и в результате к резкому падению прочности и пластичности слоистых композиционных материалов. При оптимальных режимах быстротечного процесса сварки взрывом не развиваются диффузионные процессы, и в полученных титано-стальных композитах отсутствуют хрупкие включения. Однако при последующих эксплуатационных нагревах свыше 600 °С возможно возникновение на границе раздела металлов интерметаллидных прослоек, поэтому для таких титано-стальных конструкций целесообразно использование композитов с промежуточными прослойками между титаном и сталью, исключающих или уменьшающих интенсивность диффузионных процессов [1, 2].
Введение медно-ниобиевой прослойки в ти-тано-стальную композицию ОТ4-1 (ВТ1, ВТ6С)+№>+Си+2Х18Н10Т расширяет оптимальный диапазон сварки и обеспечивает высокую стабильность механических свойств соединения после сварки взрывом и последующих кратковременных (до нескольких часов) нагревов до 1000 °С по сравнению с допустимыми 500 - 600 °С для биметалла ОТ4-1 +12Х18Н10Т. Оплавленные участки в таких соединениях обладают удовлетворительной пластичностью и имеют сравнительно низкую микротвердость (2,0 - 2,5 ГПа соединение №>+Си; 2,0 - 2,3 ГПа сталь 12Х18Н10Т+№>; 1,8 - 2,0 ГПа соединение сталь Ст3+Си). Введение мягких прослоек должно снижать прочность композита. Однако при уменьшении толщин Си (или медных сплавов) и № (кото-
Исследование выполнено за счет гранта научного фонда (проект № 14 - 19 - 00418).
рые обычно характеризуют относительной толщиной х = hid, где h - толщина прослойки, d - диаметр испытываемого образца) из-за реализации эффекта контактного упрочнения при нагружении [3] обеспечивается равно-прочность соединения основному металлу (титану или стали) и за счет вовлечения последнего в пластическую деформацию значительно повышается деформационная способность соединения в целом. Для расчета прочности сваренных взрывом композиционных материалов с мягкими прослойками разработаны расчетно-графические методы, учитывающие соотношение прочностных характеристик (пределов прочности и текучести) составляющих композита [4]. В последние годы повышение вычислительных возможностей компьютерной техники позволило для моделирования поведения многослойных композитов использовать пакеты компьютерных программ, основанных на методе конечных элементов.
Целью настоящей работы была проверка возможности моделирования методом конечных элементов поведения четырехслойного титано-стального композиционного материала с мягкой прослойкой в условиях растяжения при нормальной температуре и 300 °С. Для верификации модели использовались ранее полученные результаты испытания образцов титано-стального композита при нормальной температуре [5].
Возможность моделирования процессов растяжения цилиндрического образца диам. 6 мм четырехслойного титано-стального композита ВТ6+ниобий ВН2+медь М1+сталь 12Х18Н10Т методом конечных элементов проверялась с использованием модуля Abaqus/Explicit программного комплекса SIMULIA/Abaqus компании Abaqus, Inc. (USA), использующего явную схему интегрирования для сильно нелинейных переходных быстротекущих динамических процессов. Расчет проводился с использованием модели Ми-зеса. Прочность связей между слоями соответствовала прочности менее прочного элемента пары. Размер стороны кубической ячейки конечно-элементной сетки в сплаве ВТ6 и стали
12Х18Н10Т выбирался равным 0,04 мм, что обеспечивало достаточную точность и приемлемое время проведения расчетов. В прослойках ниобия ВН2 и меди М1 размер ячейки в радиальном направлении выбирался 0,04 мм, а толщина принималась равной 40 ячейкам. Для сокращения времени моделирования использовалась осевая симметрия цилиндрического тела и рассчитывались деформации в радиальном сечении. Толщина прослойки меди варьировалась от 6 (хси= 0,25) до 0,3 мм (хси = 0,05) при толщине ниобия 0,6 мм (хыъ = 0,1).
Для расчета упрочнения материалов в результате пластического деформирования использовали для ниобия кривую упрочняемости при различных температурах [6], а для других материалов модель Джонсона-Кука [7], согласно которой предел текучести можно определить по формуле
(л + Бе
Л
1 + Сп^
0
1 -
/ \т
I т - Т *
т - т
V т г у
где А - предел текучести неупрочненного материала; В - коэффициент упрочнения при деформировании; Ер - эффективная пластическая деформация; Тт - температура плавления; Тг -комнатная температура; С - коэффициент зависимости упрочнения от скорости деформирования; п, т, е0 - параметры модели; ¿0 и гр -
первые производные по времени величин е0 и
ер.
Эта формула по сути представляет собой семейство кривых деформирования материала при различных температурах и скоростях деформирования. Значения параметров для выбранных материалов приведены в таблице. В связи с низкой скоростью деформирования (е менее
0,0025 с-1) ее влияние не учитывалось.
Моделируемая скорость растяжения образца 0,01 мм/с.
Проведенное моделирование показало изменение характера деформирования и формирование напряжений Мизеса в основных слоях композиции при варьировании относительной толщины мягкой прослойки (рис. 1). При нормальной температуре и деформации образца 5 % максимальные напряжения Мизеса наблюдались в титановом сплаве вблизи линии соединения с ниобием. Увеличение толщины мягкой прослойки меди приводило к ее преимущественной деформации при одной и той же суммарной деформации образца и снижению напряжений в слоях титана и стали. Увеличение температуры моделирования до 300 оС вызывало снижение напряжений при той же величине деформации образца. При малых толщинах медной прослойки (0,3 и 0,6 мм) в деформацию активно вовлекается слой стали.
б
5, mi.es МПа
Рис. 1. Изменение характера распределения напряжений Мизеса в основных слоях и мягких прослойках в композите ВТ6+ВН2+М1+12Х18Н10Т (осевая суммарная деформация 5 %) при температурах 20 °С (а) и 300 оС (б)
при варьировании хСи: 1 - Хси = 0,05; 2 - хси = 0,1; 3 - Хси = 0,25; 4 - Хси = 1,0
П
Ъу =
а
Использованные коэффициенты для модели пластичности Джонсона - Кука
Коэффициенты для модели пластичности Джонсона - Кука [6]
Материал А, МПа В, МПа т п е o, с-1 Т ± т> К Т, 1 ^ К
Медь [7] 90 292 1,090 0,310 1 1356 293
Сталь 12Х18Н10Т [8] 305 1161 0,517 0,61 1 1773 293
Титановый сплав ВТ6 [9] 968 380 0,577 0,421 1 1940 293
Рис. 2. Расчетные диаграммы растяжения для композита ВТ6+ВН2+М1+12Х18Н10Т при температурах 20 °С (а) и 300 оС (б) для различных х^: 1 - ХСи = 0,05; 2 - Хси = 0,1; 3 - Хси = 0,25; 4 - Хси = 1,0
Полученные при моделировании кривые напряжения - деформация (о =Де)) при растяжении композита ВТ6+ВН2+М1+12Х18Н10Т с различными относительными толщинами медной прослойки хСи приведены на рис. 2. Уменьшение толщины медной прослойки до 0,3 мм позволяет повысить предел прочности до 435 МПа при комнатной температуре и до 350 МПа при 300 °С.
Зависимость деформации ячеек вдоль оси образцов с относительной толщиной медной прослойки хСи = 0,05 от общей деформации составного образца при комнатной температуре и 300 °С показаны на рис. 3. При нормальной температуре основная деформация локализуется в стали 12Х18Н10Т, при повышении температуры преимущественное падение предела текучести меди вызывает деформацию, в основном, медной и ни-обиевой прослоек.
Полученные результаты указывают на необходимость тщательного подхода к выбору толщины технологической прослойки меди в четырехслойном композите ВТ6+ВН2+М1+ +12Х18Н10Т, включая математическое моде-
лирование поведения изделия из композиционного материала при возможных схемах нагружения, для обеспечения необходимого запаса пластичности материала в условиях эксплуатации. Уменьшение толщины медной прослойки до 0,3 мм позволило переносить деформацию на слой стали 12Х18Н10Т при комнатной температуре, но для повышенных температур необходимы меньшие толщины медной прослойки.
Выводы. Методами конечно-элементного моделирования подтверждено, что уменьшение относительной толщины медной прослойки в четырехслойном композите ВТ6+ВН2+ +М1+12Х18Н10Т приводит к росту его прочности при нормальной температуре с постепенным перемещением локализации пластической деформации с меди М1 (при хСи от 1,0 до 0,1) на сталь 12Х18Н10Т (при хСи = 0,05). Повышение температуры испытаний до 300 оС приводит к локализации деформации в медной и ниобиевой прослойках даже при %Си = 0,05.
200
12 3 4
Расстояние вдоль оси, мм
ВТб ВН2-, М1 12Х18Н10Т б
\4
//V
/ 2 — ---------
/ ■ "— - - Г
12 3 4 5 6 Расстояние вдоль оси, %
Рис. 3. Расчетная диаграмма распределения деформации ячеек вдоль оси образца в слоях композита ВТ6+ВН2+М1+12Х18Н10Т при температурах 20 °С (а) и 300 оС (б) с относительной толщиной медной прослойки хСи = 0,05: 1, 2, 3 и 4 - средняя относительная деформация образца 2, 5, 8 и 11 %
0
0
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. Титано-стальные композиты и соединения. - Волгоград: изд. ВолгГТУ, 2013. - 344 с.
2. Т р ы к о в Ю.П., Г у р е в и ч Л.М., К у с-к о в Ю.Н., К и с е л е в О С., Б о г д а -н о в А.И. Расчет прочности сваренных взрывом композиционных соединений с механически неоднородными мягкими прослойками // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 3. С. 11 - 14.
3. Т р ы к о в Ю.П., Г у р е в и ч Л.М., П р он и ч е в Д.В. Композиционные переходники. - Волгоград: РПК «Политехник», 2007. - 328 с.
4. Т р ы к о в Ю.П., Г у р е в и ч Л.М., К у с-к о в Ю.Н., С а м а р с к и й Д.С., К и с е -л е в О.С., Б о г д а н о в А.И. Прочность свариваемых взрывом соединений с композитными прослойками // Конструкции из композиционных материалов. 2009. Вып. 4. С. 17 - 25.
5. Трыков Ю.П., Белоусов В.П., Гуревич Л.М., Рогозин В.Д., Писарев С.П. Исследование кинетики деформации и разрушения сваренных взрывом четырехслойных тита-но-стальных композитов // Деформация и
разрушение материалов. 2007. № 8. C. 31 -37.
6. Sia Nemat-Nasser, Weiguo Guo. Flow stress of commercially pure niobium over a broad range of temperatures and strain rates // Materials Science and Engineering A284 (2000). Рр. 202 - 210.
7. Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of the 7th Int. Symp. on Ballistics. 1983. Рр. 541 - 547.
8. Chandrasekaran R. M'Saoubi H. Chazal, Modelling of material flow stress in chip formation process from orthogonal milling and split Hopkinson bar tests // Machining Science and Technology. (2005). № 9. Рр. 131 - 145.
9. Li L., He N., A FEA study on mechanisms of saw-tooth chip deformation in high speed cutting of Ti-6A1-4V alloy, in: Fifth International Conference on High Speed Machining (HSM), Metz, France, 14-16 March 2006. Pp. 759 - 767.
© 2015 г. Л.М. Гуревич, ЮЛ. Трыков, Е.В. Соколова, Р.Е. Новиков, А.А. Загребина Поступила 22 июня 2015 г.
УДК 621.745.34:662.87 А.В. Феоктистов, О.Г. Модзелевская, И.Ф. Селянин, А.И. Куценко, А.А. Куценко
Сибирский государственный индустриальный университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПО КАНАЛАМ СЛОЯ ТОПЛИВА
Пылеугольное топливо в доменном процессе используют уже порядка 50 лет. Практика его применения показала экономическую эффективность такого вида топлива в сравнении с другими заменителями кокса - природного газа и мазута.
В ваграночной плавке пылеугольное топливо не применяют, хотя технология процесса намного проще. С экономической точки зрения проблема использования этого топлива в ваграночном процессе заслуживает внимания
исследователей технологического и теоретического направлений специализации.
Установлено [1], что дисперсные частицы должны сгореть в пределах кислородной зоны для получения максимального теплового эффекта. Угольные частицы, попадая в восстановительную зону, где нет свободного кислорода, механически взаимодействуют со шлаком, изменяют его физико-механические свойства и удаляются из печи вместе с ним.
