CC BY
44
УДК 5З9.З
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СПЛАВЕ Ni3Al (111)
© М.С. Скоробогатов, Д.В. Дудник, Е.А. Дудник
Рубцовский индустриальный институт, филиал Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, г. Рубцовск, Россия, e-mail: evgdudnik@yandex.ru
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация; молекулярная динамика; экструзия; фрагментация; компьютерный эксперимент.
Проведено компьютерное моделирование процесса экструзии в сплаве МзА1. В результате эксперимента установлена зависимость угла сужения конической фильеры и размера образовавшихся фрагментов. Исследованы параметры порядка в шестиугольных фрагментах и механизмы их миграции.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наметился все возрастающий интерес к новому подходу в получении объемных наноструктурных металлов и сплавов, который является альтернативой компактированию. Этот подход основан на измельчении структуры до наноразмеров в объемных заготовках с использованием интенсивной пластической деформации. Исследование взаимосвязи фрагментированной структуры с механическими свойствами во многих металлах привлекают внимание многих авторов [1-3]. Ведутся исследования по применению интенсивной пластической деформации для получения ультрамелкозернистых структур в труднодеформируе-мых сплавах и интерметаллидах, что является важной и актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение. Ультрамелкозернистые материалы, полученные интенсивной пластической деформацией, характеризуются не только сверхмалым размером зерна, но и рядом других структурных особенностей (внутренними напряжениями, микроискажениями решетки, высокой плотностью дислокаций), которые также влияют на свойства этих материалов.
Исследование различных явлений с помощью моделирования на компьютерах стало в настоящее время признанным и быстро развивающимся направлением в науке и технике. Компьютерная тематика стала неотъемлемой частью физических исследований.
В связи с этим целью настоящей работы явилось комплексное исследование методом молекулярной динамики особенностей формирования ультрамелко-зернистой структуры, полученной в зависимости от условий интенсивной пластической деформации и геометрических параметров инструмента в процессе моделирования экструзии. Получены картины структурной трансформации сплава и рассчитаны прочностные и структурно-энергетические характеристики.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследования является модельный сплав №зА1. Атомы находятся в узлах двумерной гексаго-
нальной атомной плоскости (111) ГЦК решетки, структура которой соответствует сверхструктуре Ь12. В качестве граничных условий задаются координаты и скорости атомов в начальный момент времени: начальные положения атомов определены узлами кристаллической решетки, начальные скорости атомов полагаются равными нулю.
Размер расчетного блока составляет 32x32 атомов. Краевые условия представляют собой матрицу в виде цилиндра, соединенной с усеченным конусом в нижней части. Вид краевых условий представлен на рис. 1.
При моделировании процесса экструзии варьировались следующие показатели: угол сужения конической фильеры (10-38°), давление пуансона. В качестве уравнений движения атомов взяты уравнение движения Ньютона. Решается система обыкновенных дифференциальных уравнений с граничными и краевыми условиями численным модифицированным методом Эйлера. При деформации пуансон оказывал непосредственное давление на обрабатываемый сплав, который моделировался при помощи двух слоев атомов этого же кристалла.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате компьютерного эксперимента по моделированию процесса экструзии рассчитаны структурно-энергетические характеристики и напряжение сплава после деформации в зависимости от угла фильеры и давления пуансона. Визуализированы структурные особенности сплава в результате интенсивной пластической деформации: по изменению уровня потенциальной энергии атомов и изменению степени деформации кристалла.
Анализ зависимости изменения среднего напряжения в кристалле от угла конической фильеры в течение расчетного времени показал значительный рост напряжения при увеличении угла (рис. 2). В случае угла фильеры, меньшего 30°, в течение 40 пс изменение напряжения медленно возрастает, затем с увеличением угла фильеры и увеличением расчетного времени отмечено скачкообразное изменение кривых напряжения.
Рис. 1. Схема проведения компьютерного эксперимента. Вид краевых условий - заштрихованная область
3.5 -
3 -
и
= 2.5 х ш
X
І 2Н
с
та
1 1.5
----37.59
30
---- 21.05
----10.39
/
г-
1\
/
У
/Ч £\
/ { Л ................................
* » 1 1
Ґ _/>-Л/
* у" #
0.5
1—I I I |—I I I I—|—I I I—I—| I I I—I—I-П—I I | I—I—ГТ-1—I—I I I |—I I I I—|
10 20 30 40 50 60 70 30
Время, ПС
Рис. 2. Зависимость среднего напряжения от угла сужения конической фильеры в течение расчетного времени
На начальной стадии экструзии наблюдались отчетливые образования переориентированных областей кристалла вдоль стенок матрицы (рис. 3).
Полученные результаты показали, что увеличение угла сужения конической фильеры приводит к возрастанию степени фрагментации сплава, а вблизи контакта кристалла со стенкой матрицы формируются зоны не-кристалличности [3]. Выявлено, что при увеличении угла конической фильеры размер зерен уменьшается при ячеистой фрагментации кристалла.
После завершения экструзии (см. рис. 2, модельное время более 55 пс) система релаксирует с образованием шестиугольных фрагментов. Как видно из рис. 5, образовавшиеся фрагменты имеют форму шестиугольника, а с течением времени форма шестиугольников стано-вится близкой к правильным шестиугольникам.
В целом, порядок атомов во фрагментах сохраняется (см. рис. 6), но при увеличении угла фильеры возрастает количество областей, в которых отмечается нарушение порядка.
После завершения экструзии в течение расчетного времени более 60 пс локальные минимумы кривых напряжения (см. рис. 7) отражают состояние кристалла, когда некристаллическая составляющая минимальна, фрагменты четко видны, а границы, разделяющее их, минимальны. Картины фрагментации кристалла в точках локального минимума графика среднего напряжения имеют схожий характер (см. рис. 8). Отличия вызваны релаксационными процессами в кристалле. Следствием этих процессов является постепенное уменьшение амплитуды и периода колебаний графика напряжения. Гипотеза о схожести картин фрагмента-
ции в соответствующих точках графика напряжений подтверждается не только для точек экстремума, но и для промежуточных точек. Было выявлено, что фрагменты движутся циклически. Время одного цикла движения фрагментов совпадает с периодом колебаний графика среднего напряжения после стадии интенсивной деформации.
Механизм миграции таких фрагментов проходит по средствам удаления старых и образования новых сторон шестиугольных фрагментов (см. рис 9). Образование точечного дефекта на границе шестиугольника запускает механизм спрямления границы, вдоль стороны шестиугольника формируется цепочка из точечных дефектов замещения, уменьшающая размер фрагмента на одну границу. Аналогичная картина формирования
новой границы фрагмента происходит при осаждении атома на границу, не образуется дефекта замещения, формируется цепочка атомов, расположенная правильным образом к структуре фрагмента.
Механизмы фрагментации сплава связаны с принципом максимального производства энтропии: произвольная неравновесная система стремится к локальноравновесному состоянию с экстремальной скоростью. В результате движения дислокаций энергетически выгодны образования локальных упорядоченных фрагментов правильной шестиугольной формы, минимально смещенных относительно друг друга.
Анализ расчета степени атомного порядка во фрагментах правильной шестиугольной формы близок к идеальному порядку.
•••••••••••••••••••••••••••••••••
#••••••••••••••••••••••••••••••••
*•••••••••••••••••••••••••••••••*
•!••••••••••••••••••••••••••••••*
••••••••••••••••••••••••••••••
••••••••••••••••••••••••••• •
• • • • • • ММ • • • • ••• •••От
о******•••••••••••••••••••
«о••••••••••••••••••••• • • • •••••!•
То о *•••••••••••••••••••ооо#•«о* • 2 •
*0*000•••••••••••••••••• О • • •-• о ОТ • в
•«ООО•••••••••••••••• • • • О• • *#о* і
о.оо* •••••••••••••••••• • о о • •(70о*Т*Т
• 1 °А° ••••••••#•• ••• • ■• • • °^о о О О • •• 2
••••О* ••••••••••••••••• ОООои#ио • •••
О* V» ••••••••••• • • О • • • • • О • • •/« о • • о#
•2*••••••••••••••••• *••••
•••••••••••••••••••••••/•• •
••••
Рис. 3. Распределение атомов в кристалле №3А1 в течение 5 пс модельного времени (черным цветом окрашены атомы кристаллитов, серым - границы раздела)
••••••••••••••••••••••«••••••••с
•••••••••••••••••••••••••••••а*
• ••••••••••••••••• ••••••••• • О
о•••••••••••••••••••••••••••••о
••••••••••••••••••••••••••••• •
мшат
мшат
шттжшт
тшт
•••• • • ••
•••••••••••••••••••••••••••••••в
УнЛУЛ1# ••
• •••••••••••••
• •*»♦#••§§ 11 ** в**»»»*» о* V *•••>•• м •••••••••••
5 ••••••••• •••• •• ••••_• •••••• • --0
• О» Оо* ••••••• •(
•••••••••••••••? I*
«■•ада
ом* *л»*л* •••• •
№>
О#
ш-
ЮО>рО«„
ттшт.
а) б)
Рис. 4. Фрагментация кристалла при различных углах фильеры в течение 40 пс модельного времени: а) 30°; б) 37,59°
•••••••••••••••••••••••••••••••_•
•••••••••••••••••••••••••••«•••к
С* • • • • •••• •• • •
I* • • ••••• •••• ••••••!•• • «АИД?
^.7Л?Л?Л?Л%Ч7Л«не*
ттшшш®-
т*тТ:
©@
о»
оосД*
Ж*А*
* 0ОО°** ••
оо< •••
О о
Рис. 5. Фрагментация кристалла при угле фильеры 30°
•••••••••••••••••••••••••••••••а
•••••••••••••••••••••••••••••••«и
••••••••••••••••••••••••••«•••а*
••••••*••••••••••••••«•••••••.О
«••*•*••••• • •••••• • • • • • ••••_• г
••••••Л* ••••••••«•*
шшшвг
\7Л7Л”,Л'Л*Л.'
о*»
а)
•••«•••••••• •••••• • • • • • I
• • •••••••••• •• оо • • • ••АЙЯ? • ••
'тштш
б).
Рис. 6. Фрагментация кристалла при угле фильеры 30°, модельное время 156 пс (черным показаны области фрагментации, серым -области с нарушенным порядком атомов, светлым - границы раздела): а) без учета порядка атомов; б) с учетом порядка атомов
Рис. 7. Зависимость среднего напряжения от времени
•••••••••••••••••••••••••••«*••••
М •••• ••••А9.9.9 • • •/
•••••••••••••*«••••••••*+•«••
• • •Л*Л*Л9Л%9о о о
•••••• м«9Лм« • • • • • *Л?п # #
шшш
гш;
шит
^ШйЯйг00""
а) б)
Рис. 8. Фрагментация кристалла в различные моменты модельного времени: а) 62 пс; б) 72 пс
а)
•••••••••••••••••••••••••••••••а
•••••••••••••••••••••«•••••••••а
••••••••••••••••••••••••••••••«•в*
••••••••••••••••••••••••••••••••У
•••••••••••••••••••••••••••••а»*
•••••••••••••••••••••••••••••а
•••••• •А1*А*Л* • • • ••••*.*...* • • •
• • • • • • • • • • •••••••• •
«••••••• •••••-« • • • • •••••• » «
ШШ
Рис. 9. Миграция зернистой структуры: а) 64 пс; б) 65 пс; г) 67 пс
Определено, что в результате экструзии образованные шестиугольные фрагменты мигрируют за счет изменения своих размеров.
Результаты настоящей работы, полученные при помощи компьютерного моделирования, коррелируют с результатами экспериментов и теоретических оценок [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
2. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostuctured materials from severe plastic deformation // Progr. Mat. Sci. 2000. № 45 (2). P. 103-189.
3. Грабко Д.З., Шикимака О.А., Харя Е.Е., Кирняк Е.Ф., Александров С.Е., Лямина Е.А. Интенсивная пластическая деформация по-
ликристаллической меди в условиях сухого жесткого трения // Первые московские чтения по проблемам прочности материалов: сб. тез. докл. Междунар. конф. М., 2009. С. 59.
4. Lyamina E., Alexandrov S., Grabco D., Shikimaka O. // Key Eng. Mater. 2007. № З45-З4б. Р. 741.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Skorobogatov M.S., Dudnik D.V., Dudnik E.A. Modeling of severe plastic deformation process in Ni3Al (111) alloy. Computer simulation process of extrusion by severe plastic deformation in alloy Ni3Al was made. Dependences of angle of narrowing conical die holes and size of the resulting fragments were studied. Ordered parameters and migration mechanisms of hexagonal fragments were shown.
Key words: severe plastic deformation; extrusion; method Molecular Dynamics; fragmentation; computer experiment.
