CC BY
18
УДК 621.833
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ
ПРОЦЕССА ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
НА ОСНОВАНИИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА GLEEBLE 3500
М.П. Барышников, А.С. Ишимов, А.М. Бырышникова
Проведено исследование реологических свойств стали 20 в диапазоне температур 900... 1200 °С и скоростей деформации 0,01 ...5 с1. Получены кривые текучести, на которых за исключением Т=900 °С, s = 5 с-1 установлены основные стадии изменения напряжения текучести в процессе динамической рекристаллизации. Методом двойного дифференцирования, с использованием взвешенной локальной регрессии для сглаживания экспериментальных данных определены численные значения критической степени деформации.
Ключевые слова: горячая деформация, динамическая рекристаллизация, Glee-ble, критическая степень деформации.
Введение. Процесс горячей деформации протекает в условиях высокой пластичности, в ходе процесса присутствуют упрочнение и разупрочнение материала. Механизм процесса деформационного упрочнения связан с увеличением плотности дислокаций под воздействием внешних сил. Кроме этого, также происходит непосредственное взаимодействие дислокаций друг с другом, в результате чего формируются дислокационные сплетения разной степени стабильности и сложности [1 - 2]. Нагрев металла сопровождается протеканием таких процессов, как диффузия точечных дефектов, и их сток в дислокации и границы при попутной аннигиляции части вакансий с межузловыми атомами; перераспределение дислокаций простым и поперечным скольжением, при аннигиляции дислокаций противоположных знаков, а также сужением дислокационных петель; перераспределение дислокаций переползанием; формирование малоугловых границ; миграция малоугловых и большеугловых межзеренных границ в деформированную матрицу; миграция межзеренных границ между рекри-сталлизованными зернами и рост последних [3].
Процесс разупрочнения заключается в уменьшении плотности дислокаций, а также их перераспределении для обеспечения более стабильного состояния. Комбинация термомеханических параметров, присущая процессам горячей деформации (скорость, степень и температура деформации) способствует протеканию таких процессов, как перераспределение дислокаций за счет вакансионного переползания, образование зародышей рекристаллизации и их роста за счет миграции большеугловых границ [4].
Таким образом, определение критической степени деформации является очень важным с точки зрения проектирования процессов деформации. Определение численного значения данного параметра позволяет уста-
новить момент начала процесса динамической рекристаллизации, что делает возможным управление процессами зернообразования непосредственно в процессе деформирования.
Методика экспериментального исследования. Физическое моделирование процесс горячей осадки было выполнено с использование комплекса физического моделирования 01ееЬ1е 3500. Данный комплекс позволяет исследовать влияние различных режимов термодеформационной обработки на процессы формирования микроструктуры механических свойств. Нагрев образцов осуществляется методом прямого пропускания тока. Максимальная температура нагрева составляет 1750 оС. Скорости нагрева и охлаждения могут достигать до 10000 оС/с, максимальное усилие деформации - 100 кН. Такие технические характеристики прибора позволяют смоделировать практически любой режим термической и деформационной обработки.
Физическое моделирование процесса горячей осадки осуществлялось с использованием модуля Hydrowedge II, комплекса 01ееЬ1е 3500. Использовались цилиндрические образцы из стали марки 20 диаметром 10 мм и длинной 15 мм. Деформация осуществлялась между плоскими бойками из твердого сплава. Для минимизации процесса бочкообразования на границу контакта, была нанесена высокотемпературная никелевая смазка.
В ходе эксперимента исследовалось влияние таких параметров, как скорость, степень, температура деформации на величину напряжения текучести. Температура деформации 1200; 1150; 1100; 1000; 900 0С. Скорости деформации 0,01; 0,1; 0,5; 1; 5 с-1. Истинная логарифмическая степень деформации составляла 0,8 [5 - 6].
Результаты экспериментального исследования. В результате проведения эксперимента по установлению связи напряжения текучести и степени деформации при различных температурно-скоростных условиях деформирования были получены следующие кривые текучести, представленные на рис. 1 [7]. На большинстве полученных кривых текучести за исключением полученной при температуре деформации 900 оС и скорости деформации 5 с-1, можно наблюдать основные этапы, присущие процессу динамической рекристаллизации. Так, начальный этап деформирования характеризуется непрерывном ростом напряжения текучести. При достижении критической степени деформации скорость деформационного упрочнения начинает падать и становится равной нулю в точке пикового напряжения текучести. В этот момент процессы разупрочнения начинают преобладать, и наблюдается падение напряжения текучести с последующим выходом на устойчивое состояние. Дальнейшее деформирование не приводит к изменения напряжениям текучести, поскольку достигнуто равновесие между упрочняемыми и рекристаллизованными областями микроструктуры. Определение величины критической степени деформации основано на анализе экспериментальных данных, а именно на оценке скорости деформационного упрочнения.
Рис. 1. Графики зависимости напряжения текучести от степени деформации при различных температурно-скоростных
условиях деформирования
Анализ экспериментально полученных зависимостей напряжения текучести от степени деформации затруднен, поскольку данные сильно зашумлены, что не позволяет проводить их численное дифференцирование. Для сглаживания экспериментальных данных использовалась взвешенная локальная регрессия. При применении взвешенной локальной регрессии для каждой точки из диапазона экспериментальных данных выбирается набор фиксированного числа рядом расположенных точек, каждой из которых назначается вес в соответствии с уравнением
w,
/ з ^
1 - Хк X;
V й ( X ) )
(1)
3
где хк - значение предиктора, связанное с подлежащим сглаживанию значением отклика; х - ближайшее значение к хк из определенного диапазона; d (хк) - расстояние по абсциссе от хк до самого дальнего значения
предиктора в пределах диапазона.
Методика определения критической степени деформации описана в работах [8] и заключается в двойном дифференцировании экспериментальных данных. При построении графика зависимости скорости деформационного упрочнения в = ds / ^ от напряжения текучести а критическая степень деформации может быть определена в точке отклонения данного графика от линейного вида. На практике использование денной методики затруднительно для определения степени деформации, при которой происходит отклонение графика от линейного вида. Для решения этой проблемы график зависимости в = ds / d£ от а дифференцируют второй раз и строят график зависимости —dв/ ds от а. Критической степени деформации будет соответствовать минимум на данном графике .
На рис. 2 представлен график зависимости скорости деформационного упрочнения от напряжения текучести. Анализ полученной зависимости, представленной на рис. 2, затруднен, поскольку не представляется возможным точно определить место перегиба на графике, соответствующее критической степени деформации, в связи с чем для определения точного значения критической степени деформации кривая на рис. 2 была продифференцирована, и график полученной зависимости —dв / ds от напряжения текучести представлен на рис. 3.
Минимум на данном графике соответствует критической степени деформации, т.е. началу процесса динамической рекристаллизации. Используя данный способ, были определены критические степени деформации для всего набора экспериментальных данных.
30-,
60
Рис. 2. График зависимости скорости деформационного упрочнения от напряжения текучести
Рис. 3. График зависимости —dв/ dа от напряжения текучести
Величины критической степени деформации при различных
T, оС £, с-1 £ S , МПа С
1200 0,01 0,03 25,75
1200 0,1 0,05 39,84
1200 0,5 0,06 50,52
1200 1 0,07 59,77
1200 5 0,08 77,43
1150 0,01 0,03 30,19
1150 0,1 0,05 41,87
1150 0,5 0,06 56,71
1150 1 0,07 63,22
1150 5 0,09 88,57
1100 0,01 0,04 34,76
1100 0,1 0,06 51,89
1100 0,5 0,07 68,32
T, оС £, с-1 £c S , МПа С '
1100 1 0,09 82,20
1100 5 0,11 100,34
1000 0,01 0,06 50,40
1000 0,1 0,07 74,49
1000 0,5 0,11 99,57
1000 1 0,13 112,90
1000 5 0,16 137,95
900 0,01 0,08 74,63
900 0,1 0,11 113,10
900 0,5 0,17 144,90
900 1 0,20 163,80
900 5 0,24 181,05
Выводы. С применением современного исследовательского комплекса Gleeble 3500 получены экспериментальные зависимости напряжения текучести от степени деформации при различных скоростях и температурах деформации, с помощью которых установлены основные стадии изменения напряжения текучести в процессе динамической рекристаллизации, такие, как деформационное упрочнение, динамический возврат и рекристаллизация.
Определены численные значения критической степени деформации и проведена оценка кинетики протекания процесса динамической рекристаллизации, что позволяет проводить проектирование технологических процессов термодеформационной обработки, основанной на управлении микроструктурой с применением механизма динамической рекристаллизации.
Список литературы
1. Zerill F.J., Armstrong R.W. Disloation mechanics based constitutive relations for material dynamics calculations // Journal of applied physics. 1987. Vol. 61. P. 1816 - 1825.
2. Preston D.L., Tonks D.L., Wallace D.C. Model of plastic deformation for extreme loading conditions // Journal of applied physics. 2003. Vol. 93. P.211 - 220
3. Luton, M.J., Sellars C.M. Dynamic recrystallization in nickel and nickel-iron alloys during high temperature deformation // Acta Metallurgica. 1969. 17. Iss. 8. P. 1033 - 1043.
4. Stuwe H.P., Ortner B. Recrystallization in Hot Working and Creep // Metal Science. 1974. Vol. 8. P. 161 - 167.
5. Физическое моделирование деформационного измельчения структуры углеродистой стали с использованием комплекса Gleeble 3500 / А.С. Ишимов, М.В. Чукин, О. А. Никитенко, Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, М.П. Барышников // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10. Ч. 2. 2014. С. 18 - 27.
112
6. Ишимов А.С., Барышников М.П., Чукин М.В. К вопросу выбора математической функции уравнения состояния для описания реологических свойств стали 20 в процессе горячей пластической деформации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №1. С. 43 - 50.
7. Физическое моделирование реологических свойств и расчет сопротивления деформации стали 20 в процессе горячей пластической деформации на комплексе Gleeble 3500 / А.С. Ишимов, М.В. Чукин, М.П. Барышников, О. А. Никитенко // Производство проката. 2015. №11. С. 3 - 9.
8. Poliak E.I., Jonas J.J. A one-parameter approach to determining the critical conditions for the initiation of dynamic recrystallization // Acta mater. 1995. Vol. 44. № 1. P. 127 - 136.
Барышников Михаил Павлович, канд. техн. наук, профессор, arcosmag@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Ишимов Алексей Сергеевич, канд. техн. наук, инженер-исследователь, TTSoprano.A@gmail.com, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Бырышникова Анна Михайловна, студентка, arcosmag@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
DETERMINATION OF THE CRITICAL STRAIN OF THE DYNAMIC RECRYSTALLIZATION PROCESS BASED ON THE PHYSICAL MODELING OF THE HOTPRESSING PROCESS USING THE GLEEBLE 3500 SYSTEM
M.P. Baryshnikov, A.S. Ishimov, A.M. Byryshnikova
A study was conducted of the rheological properties of steel 20 in the temperature range of 900-1200 °C and strain rates of 0.01-5 s'1. Flow carves were obtained, on which, with the exception of T=900 °C, s = 5 s-1, the main stages of the dynamic recrystallization process are clearly visible. Method of double differentiation, using weighted local regression to smooth out the experimental data, were used to determine the critical strain values.
Key words: hot deformation, dynamic recrystallization, gleeble, critical strain.
Baryshnikov Mikhail Pavlovich, candidate of technical sciences, professor, arcosmagamail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University. G.I. Nosova
Ishimov Aleksey Sergeevich, candidate of technical sciences, Research Engineer, TTSoprano.A@gmail.com, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University. G.I. Nosova
Byryshnikova Anna Mikhailovna, student, arcosmag@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University. G.I. Nosova
