CC BY
53Список литературы:
1. Костина З.И., Никифоров Б.А., Лаптев
B.Н., Клочковская Г.Д., Костин В.Ф., Слобожанкин Г.С. Композиция для защиты от коррозии и солеот-ложений систем водоснабжения и способ ее приготовления. Патент РФ № 2149219. Бюл. № 14. 2000.
2. Никифоров Б.А., Костина З.И., Слобожанкин Г.С., Крылова С.А., Костин В.Ф., Понурко И.В. Композиция для защиты от коррозии и солеотло-жений систем водоснабжения и водоотведения. Патент РФ № 2303084. Бюл. № 20. 2007.
3. Костина З.И., Крылова С.А., Костин В.Ф., Понурко И.В. Композиция для защиты систем водоснабжения и водоотведения. Патент РФ № 2535891. Бюл. № 35. 2014.
4. Опыт применения ингибитора «Композиция фосфатная» (КОМФОС) для защиты систем горячего водоснабжения от коррозии и накипеобра-зования/ В.Н. Лаптев, Г.С. Слобожанкин, З.И. Костина и др. // Энергосбережение и водоподготовка.
1999. № 3. С. 43-46.
5. О применении ингибитора «КОМФОС» в системе горячего водоснабжения г. Магнитогорска / Б.А. Никифоров, З.И. Костина, Г.С. Слобожанкин и др. // Практика противокоррозионной защиты.
2000. №3. С.28-31.
6. Разработка и использование композиций для улучшения качества пожарно-питьевой воды / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. По-нурко //Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского: Сб. материалов 2-й международной научно-практической конференции. - Тамбов: Издательство: Тамбовпринт, 2007
C.120-121.
7. Разработка составов и схем применения фосфатных композиций для различных объектов /
З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко //Материалы 65-й научно-технической конференции: Сб. докл. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007.Т.1. С.116-119.
8. Анализ состояния стойкости элементов индукционного нагрева с водяным охлаждением / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко //Химия. Технология. Качество. Состояние, проблемы и перспективы развития: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Вып.2. С.85-89.
9. Пассивация внутренних поверхностей металлических водоводов / З.И. Костина, В.Ф. Костин, С.А.Крылова, И.В. Понурко //Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегиональный сб. науч. тр. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С.200-205.
10. Костина З.И., Крылова С.А., Понурко И.В. Защита водонагревательных элементов бытовых приборов от коррозии и солеотложений //Энергосбережение и водоподготовка. №4 (90) 2014. С. 28-32.
11. Костина З.И., Крылова С.А., Понурко И.В. Защита металлических поверхностей водоох-лаждающих систем от коррозии и солеотложений //Теория и технология металлургического производства. №1 (14) 2014. С. 90-92.
12. Антинакипные свойства композиции «Астра» /З.И. Костина, С.А. Крылова, И.В. Понурко, Е.И. Шабалин //Теория и технология металлургического производства. №2 (15) 2014. С. 112-115.
13. Колокольцев В.М. Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова. История. Развитие //Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №1 (45). С. 5-6.
УДК 621.77.01 Песин А.М., Пустовойтов Д.О., Локотунина Н.М.
ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ АСИММЕТРИЧНОЙ ТОНКОЛИСТОВОЙ ПРОКАТКЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 5083*
Аннотация. В работе на основе моделирования МКЭ выполнена оценка поврежденности металла при холодной асимметричной тонколистовой прокатке алюминиевого сплава 5083 в условиях сверхвысоких сдвиговых деформаций. Показано, что при создании большой кинематической асимметрии в сочетании с большими деформациями и высоким контактным трением поврежденность металла существенно возрастает.
Ключевые слова: метод конечных элементов; напряженно-деформированное состояние; асимметричная прокатка; сдвиговая деформация; алюминиевый сплав; поврежденность.
*Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №15-19-10030)
Введение
Алюминиевые свариваемые термически неупрочняемые сплавы серии 5ххх широко применяются в качестве легких конструкционных материалов в различных отраслях промышленности. Улучшение удельных прочностных характеристик таких сплавов за счет холодной пластической деформации является одной из актуальных научно-технических проблем. Эффективным способом повышения прочности алюминиевых сплавов является обработка их методом интенсивной пластической деформации (ИПД). Такие процессы осуществляют при температурах ниже температуры рекристаллизации деформируемого металла. Перспективным методом ИПД с точки зрения возможности его промышленного применения является процесс асимметричной тонколистовой прокатки, позволяющий создавать в материале субмикрокристаллическую структуру с высокой плотностью дислокаций за счет сверхвысоких сдвиговых деформаций [1-6]. Целенаправленная асимметрия процесса достигается за счет рассогласования окружных скоростей валков при соотношении от 1:2 до 1:4, при этом холодную прокатку осуществляют в условиях высокого контактного трения с большими разовыми деформациями [7-10].
Однако важным вопросом при разработке технологических режимов пластического формоизменения алюминиевых сплавов при ИПД является прогнозирование разрушения, которое сопровождается развитием и увеличением количества микропор и микротрещин. Их относительный объем характеризует повреж-денность металла, которая не должна превышать некоторого критического значения, так как при его превышении происходит потеря прочностных характеристик изделия. К настоящему времени опубликовано достаточно много моделей, с помощью которых можно оценивать поврежденность металлических материалов при обработке давлением. В работах [11-13] представлена методика прогнозирования разрушения металла при большой пластической деформации с использованием энергетической модели Cockroft & Latham, согласно которой работа элементарной положительной силы, действующей на материальную точку тела в процессе деформации, характеризует поврежденность металла. Разрушение металла происходит при достижении работой критического значения. Целью данного исследования является численное моделирование и оценка поврежденности металла при холодной асим-
метричной тонколистовой прокатке алюминиевого сплава Al 5083 в условиях сверхвысоких сдвиговых деформаций.
Материалы и метод исследования
Математическое моделирование процесса асимметричной тонколистовой прокатки (рис. 1) алюминиевого сплава 5083 (СТТ0 = 330 МПа) проводили методом конечных элементов с использованием программного комплекса для инженерного анализа технологических операций обработки металлов давлением DEFORM 3D.
При моделировании были приняты следующие допущения: 1) деформируемая среда -упрочняющаяся жесткопластическая; 2) рабочие валки - абсолютно жесткие; 3) закон контактного трения - Кулона; 4) условия деформирования - изотермические; 5) эволюцию микроструктуры не учитывали; 6) деформируемый материал - однородный и изотропный во всём объёме. Рассматривали 'Л часть полосы (задавали плоскость симметрии относительно продольной оси).
Исходные данные для моделирования: 1) начальная толщина полосы 2,0 мм, длина - 50 мм, ширина - 20 мм; 2) температура деформируемого металла 20°С; 3) радиус рабочих валков R=100 мм; 4) коэффициент контактного трения Ц — 0,1.. .0,4; 5) относительная степень деформации за проход £ — 50.75%; 6) окружная скорость нижнего валка V —10
мм/сек.; 7) для создания кинематической асимметрии процесса окружную скорость верхнего валка снижали в 2.4 раза относительно скорости нижнего валка, т.е. V2 — 2,5.5,0 мм/сек.; 8) кривую текучести алюминиевого сплава 5083 задавали из библиотеки материалов DEFORM 3D. Прокатку проводили за один проход без натяжений. Для деформируемой полосы задавали сетку конечных элементов, состоящую из 14200 восьмиугольных (brick) элементов. Оценку поврежденности металла, а также анализ напряженно-деформированного состояния металла при асимметричной прокатке проводили сравнением с симметричным случаем деформирования
при V = V = 10 мм/сек. Поврежденность (Damage) металла рассчитывали согласно модели Cockroft & Latham:
s
C = J
а
ds
(1)
а
где ст^ - максимальное главное растягивающее напряжение; с - интенсивность напряже-
ний; s - интенсивность деформации; C константа материала (критическое значение).
о
Рис.1. Схема процесса асимметричной тонколистовой прокатки
Результаты моделирования и их обсуждение
При тонколистовой прокатке в области боковых кромок реализуется неблагоприятная схема напряженно-деформированного состояния (НДС) металла. Если в центральной части полосы действует схема всестороннего неравномерного сжатия, то в области боковых кромок в схеме НДС преобладают растягивающие напряжения. Поэтому поврежденность металла у кромок полосы является максимальной. Результаты компьютерного моделирования показали, что при высоком контактном трении ( Л = 0,4) с увеличением степени относительной деформации с 50 до 75% поврежденность металла возрастает с 0,364 до 0,693 при симметричной прокатке (рис. 2, а) и с 0,434 до 0,989 при асимметричной прокатке (рис. 2, б).
Конечно-элементный анализ напряженного состояния металла при холодной прокатке алюминиевого сплава 5083 показал, что в очаге деформации действуют сжимающие напряжения, однако в зонах передней и задней
внеконтактной деформации появляются высокие (до 153 МПа) растягивающие напряжения (рис. 3).
При симметричной прокатке с уменьшением коэффициента контактного трения с 0,4 до 0,1 поврежденность металла снижается с 0,364 до 0,337 при s = 50% и с 0,693 до 0,555 при s= 75%. При асимметричной прокатке поврежденность алюминиевого сплава 5083 также снижается: с 0,434 до 0,346 при s = 50% и с 0,989 до 0,792 при s= 75%. Однако с уменьшением коэффициента контактного трения с 0,4 до 0,1 при асимметричной прокатке с рассогласованием окружных скоростей валков существенно снижаются сдвиговые деформации (рис. 4), что не позволяет использовать данный процесс в качестве метода ИПД для получения субмикрокристаллических структур и повышения прочностных свойств алюминиевых сплавов.
Рис. 2. Поврежденность металла при симметричной (а) и асимметричной (б) прокатке с относительным обжатием 75% и коэффициентом контактного трения Ц — 0,4
Рис. 3. Поле средних растягивающих напряжений при симметричной (а) и асимметричной (б) прокатке с относительной степенью деформации 75% и коэффициентом контактного трения Ц — 0,4
а
Отсутствие сдвига
ишвняв
Рис. 4.Сдвиг слоев металла при асимметричной прокатке с относительной степенью деформации 50% и коэффициентом контактного трения Ц — 0,4 (а) и отсутствие сдвига при
Ц — 0,1 (б)
Выводы
1. С использованием энергетической модели разрушения Cockroft & Latham выполнена оценка поврежденности металла при асимметричной тонколистовой прокатке алюминиевого сплава 5083 с большими сдвиговыми деформациями.
2. Поврежденность металла при холодной прокатке алюминиевого сплава 5083 возрастает до 0,989 с увеличением степени деформации до 75% и коэффициента контактного трения до 0,4, а также с увеличением рассогласования окружных скоростей валков до 1:4, т.е. при переходе от симметричного режима деформирования к асимметричной прокатке с большими сдвиговыми деформациями.
3. При холодной прокатке алюминиевого сплава 5083 с большими разовыми деформациями (50...75%) и высоким коэффициентом контактного трения (Ц — 0,4) в зонах передней и задней внеконтактной деформации появляются высокие (до 153 МПа) растягивающие напряжения, что может являться причиной образования поверхностных трещин и разрывов.
4. Результаты исследования могут быть полезны при разработке оптимальных режимов асимметричной прокатки алюминиевых сплавов для получения субмикрокристаллической структуры и повышенных прочностных свойств.
Список литературы:
1. Development of severe plastic deformation by various asymmetric rolling processes / Ji Y.H., Park
J.J. // Materials Science and Engineering: A. Vol. 499. 2009. P. 14-17.
2. Mechanical properties and microstructures of ultrafine-grained pure aluminum by asymmetric rolling / J. Jiang, Yi Ding, F. Zuo, A. Shan // Scripta Materialia. Vol. 60. 2009. P. 905-908.
3. Microstructure evolution and mechanical properties of severely deformed Al alloy processed by differential speed rolling / Lorentz, Young Gun Ko // Journal of Alloys and Compounds. Vol. 536S. 2012. P. S122-S125.
4. Grain refinement of high purity aluminum by asymmetric rolling / Cui Q., Ohori K. // Materials Science and Technology. 2000. Vol. 16. P. 1095-1101.
5. Shear deformation and grain refinement in pure Al by asymmetric rolling / Zuo F., Jiang J., Shan A. // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. Vol. 18. 2008. P. 774-777.
6. Microstructure and mechanical properties of Al 7075 alloy processed by differential speed rolling / Bobor K. // Mechanical Engineering. Vol. 56. 2012. P. 111-115.
7. Influence of process parameters on distribution of shear strain through sheet thickness in asymmetric rolling / Pesin A., Pustovoytov D. // Key Engineering Materials. Vol. 622-623. 2014. P. 929-935.
.8. Finite element simulation of shear strain in various asymmetric cold rolling processes / Pesin A., Pustovoytov D., Korchunov A., Wang K., Tang D., Mi Z. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 4 (48). С. 32-40.
9. Патент № 2542212 РФ, МПК В21В 1/28. Способ производства холоднокатаной полосы / А.М. Песин, Д.О. Пустовойтов. Заявл. 06.11.2013; опубл. 20.02.2015; Бюл. №5.
10. Numerical research of shear strain in an extreme case of asymmetric rolling / Sverdlik M., Pesin A., Pustovoytov D., Perekhozhikh A. // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 742. С. 476-481.
11. Прогнозирование разрушения металла в процессе интенсивной пластической деформации длинномерной заготовки равноканальным угловым прессованием конформ / Боткин А.В., Валиев Р.З. [и др.] // Вестник УГАТУ. 2012. Т. 16. № 8 (53). С. 98-103.
12. Оценка поврежденности металла при холодной пластической деформации c использованием модели разрушения Кокрофта-Латама / А.В. Боткин, Р.З. Валиев [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 7. С. 17-22.
13. Расчет поврежденности металла при угловом прессовании по схеме «Конформ» // А.В. Боткин, Р.З. Валиев [и др.] // Наноинженерия. 2013. № 3. С. 36-41.
