CC BY
1
УДК 539.384 DOI 10.25960/mo.2019.5.42
Упрочнение
при циклическом упругопластическом изгибе
С. И. Каратушин, Д. А. Храмова, Ю. А. Плешанова
Изучены особенностиупругопластического циклического деформирования эвтектоидной стали со структурой мелкопластинчатого цементита. Деформация производилась по двум схемам: изгиб—выпрямление с чередующейся термической обработкой — низкотемпературным отпуском. Процесс изгиба моделировался с учетом реальных свойств и геометрии в двух компьютерных программах: ANSYS Workbench и DEFORM-3D. В результате исследования установлены явные преимущества комплекса ANSYS Workbench. Напряженно-деформированное состояние при упругопластическом изгибе существенно зависит от схемы приложения нагрузки. Циклическое деформирование по схеме изгиб—выпрямление не приводит к упрочнению, если процесс осуществляется без термической обработки. Геометрия изгибаемого образца при чистом изгибе не изменяется при переходе от упругой деформации к пластической, нет и смещения нейтральной плоскости при больших деформациях.
Ключевые слова: упрочнение изгибом, ANSYS Workbench, остаточные напряжения, четырехточечный изгиб, пластическая деформация.
Изгибная деформация — это тот вид деформации, который широко распространен как основа технологического процесса [1, 2], например гибка профилей, штамповка, вальцовка. При изгибе происходят упрочнение по дислокационному механизму и образование остаточных напряжений (ОН). Все это оказывает влияние на эксплуатационные характеристики изделий. Именно по этой причине из-гибная деформация рассматривается с различных позиций: от моделирования изгибаемого твердого тела [3] набором дифференциальных уравнений и граничных условий [4] до упрочнения [5-11]. В ряде случаев изгибная деформация изучается как метод формоизменения [12, 13] с детализацией особенностей технологических процессов [14]. Отдельные работы [15, 16] затрагивают некоторые вопросы упрочнения при циклическом изгибе. В целом анализ состояния вопроса упрочнения при изгибе циклической деформацией указывает на недостаточную изученность темы.
В качестве объекта для исследования выбрана эвтектоидная сталь со структурой мелкопластинчатого перлита. Образцы 9 X 13 X 230 мм
на базе 180 мм изгибали по схеме чистого изгиба радиусом 135 мм с помощью специально сконструированного приспособления на разрывной машине. Выбранная схема нагруже-ния обеспечивает однородную упруго-пластическую деформацию по всей рабочей длине образца. Образец изгибали за один цикл в одном направлении со стрелой прогиба 35 мм и выпрямляли. Одна часть образцов в исходном состоянии многократно (до 20 раз) циклически деформировалась, а вторая испытывалась по схеме изгиб ^ т/о (термическая обработка) ^ выпрямление ^ т/о, и так цикл повторялся до достижения необходимого упрочнения, которое оценивалось по диаграмме усилие—прогиб. Размеры экспериментального образца и механические свойства приняты и для компьютерных моделей. На рис. 1 представлены изогнутый экспериментальный образец и смоделированный в АК8У8 вместе с инструментом деформирования.
Моделирование НДС произведено в двух программах. Анализировались ОН и деформации при приложенной изгибающей нагрузке и после снятия. При снятии нагрузки
Рис. 1. Виды изогнутых образцов: а — верхний образец изогнут по 3-точечной схеме, нижний по 4-точечной; b — смоделированный в ANSYS образец с инструментом деформирования после снятия нагрузки
Fig. 1. View of curved samples: a — the upper sample is curved in a 3-point pattern, the bottom — in 4-point pattern; b — a model modeled in ANSYS with a deformation tool after unloading
устраняется упругая деформация и в образце фиксируются ОН. На рис. 2 представлены картины напряжений по Мизесу (Maximum Principal Stress). Распределения напряжений, рассчитанные в программе ANSYS Worcbench, не совпадают с таковыми в программе DEFORM-3D.
Размеры образцов, свойства материала и геометрия изгиба в обоих программах идентичны. По существу одинаковы и граничные условия, заложенные в дереве проекта. Сомневаться в результатах, полученных программой ANSYS
Worcbench, нет оснований, так как ранее производилось сравнение с аналитическими расчетами изгибных деформаций различных профилей, которые показали хорошее совпадение. Наибольшими ОН при изгибе являются нормальные продольные напряжения (Normal Stress), которые хорошо коррелируются с напряжениями по Мизесу (Maximum Principal Stress). ОН тем больше, чем больше предел текучести материала, но они всегда будут меньше этой величины исходя из физики образования ОН. При выпрямлении эпюра ОН будет
см
Рис. 2. Картины распределения напряжений Maximum Principal Stress в изогнутых образцах: а — в программе DEFORM-3D; b — в ANSYS Workbench
Fig. 2. Patterns of stress distribution Maximum Principal Stress in curved samples: a — in the program DEFORM-3D; b — in ANSYS Workbench
Рис. 3. Распределение остаточных напряжений в сечении изогнутого образца
Fig. 3. The distribution of residual stresses in the cross section of a bent sample
меняться зеркально. ОН формируются, как только напряжения от изгибающего момента достигают предела текучести. В дальнейшем, с увеличением прогиба, когда нейтральная плоскость становится резкой границей (рис. 3) областей сжатий и растяжений ОН распределяются по всему объему.
На вогнутой стороне формируются растягивающие напряжения, на выпуклой — сжимающие, т. е. при разгрузке изменяется знак напряжений. Адекватно ОН изменяется и распределение упругих деформаций.
Результаты экспериментов по циклическому изгибу представлены на рис. 4.
Все образцы деформировались таким образом, чтобы на выпуклой и вогнутой сторонах обеспечивалась степень деформации в 7,5 %. Это значение соответствует равномерной деформации при испытаниях на растяжение. Кривые деформирования образцов без т/о с минимальным рассеянием укладываются на одну линию как при изгибе, так и при выпрямлении без явно выраженного предела текучести. Двадцатикратные изгиб—выпрямление не сказываются на изменении вида кривых деформирования и не оставляют никаких внешних признаков начала разрушения. Циклическое деформирование не приводит к упрочнению. Твердость, замеренная на выпуклой (вогнутой) стороне, остается на уровне исходной — 330ИУ, что также подтверждает отсутствие
упрочнения, несмотря на значительную накопленную деформацию. Деформирование с чередующейся т/о сопровождается упрочнением. Кривые деформирования изгиб—выпрямление сдвигаются вверх по оси ординат, твердость на деформируемых поверхностях повышается до 390ИУ. Ранее проведенные исследования по циклическому изгибу по 3-точечной схеме [16-18] показали существенное различие по результатам: без т/о происходит разупрочнение, а с т/о — упрочнение. Такое различие можно объяснить следующим образом: при 3-точечном изгибе с увеличением нагрузки при переходе от упругой деформации к пластической изменяется геометрия деформируемого образца (см. рис. 1, а). Нейтральная плоскость смещается со среднего положения. В месте приложения нагрузки уменьшается радиус изгиба, что приводит к увеличению степени пластической деформации на поверхности при той же стреле прогиба, как и при чистом изгибе. Большие локальные степени деформации (больше равномерной) создают внутренние микротрещины, которые, накапливаясь, приводят к разупрочнению и последующему разрушению.
В публикуемых работах по изгибной упру-гопластической деформации, в особенности
20-
К
м
16 -i
12-
8-
4 -
~г 10
15
Прогиб, мм
20
25
30
Рис. 4. Диаграммы изгиба: 1 — изгиб; 2 — выпрямление; сплошные линии — изгиб выпрямление с т/о; штриховые — без т/о
Fig. 4. Bending diagrams: 1 — bending; 2 — straightening; solid lines — bending, straightening with heat treatment; dotted — no heat treatment
0
5
циклической, редко указывают схему нагру-жения, что затрудняет интерпретацию полученных результатов.
Выводы
1. Для моделирования НДС при упруго-пластической деформации программа ANSYS Workbench имеет несомненные преимущества перед DEFORM-3D и аналитическими расчетами.
2. Циклическая деформация при чистом изгибе не приводит к сдвигу нейтральной линии в отличие от 3-точечного упругопласти-ческого деформирования и не искажает геометрию изгибаемого объекта в области пластической деформации.
3. Циклическая деформация при чистом изгибе вызывает упрочнение только при чередовании с термической обработкой — низкотемпературным отпуском-старением. В отсутствии т/о упрочнения-разупрочнения не происходит.
Литература
1. Effect of cyclic plastic deformation on microstructure and mechanical properties of weld metals used for reel-lay pipeline steels / S. Lin [et al.] //Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 737. P. 77-84.
2. Podgaiskii M. S., Maksimov A. B., Nalivaichen-ko T. M. Strengthening of 10G2S1 steel in relation to the temperature of cyclic bending deformation //Metal Science and Heat Treatment. 1986. Vol. 28, N 6. P. 455-458.
3. Krolo P., Grandic D., Smolcic t. Experimental and numerical study of mild steel behaviour under cyclic loading with variable strain ranges //Advances in Materials Science and Engineering. 2016.
4. Bennati S., Fisicaro P., Valvo P. S. An elastic-interface model for the mixed-mode bending test under cyclic loads //Procedia Structural Integrity. 2016. Т. 2. P. 72-79.
5. Ikeya H., Fukutomi H. Cyclic Bending Deformation and Fracture of Al and Al-1.0 mass% Mg Alloy //Procedia Materials Science. 2016. Vol. 12. P. 42-47.
6. ULCF assessment of X52 piping steel by means of cyclic bending tests / J. C. R. Pereira [et al.] //Journal of Constructional Steel Research. 2017. Vol. 138. P. 663-674.
7. Rosenschon M., Merklein M. Process-oriented validation of hardening models in a cyclic bending test // Procedia Engineering. 2017. Vol. 207. P. 1904-1909.
8. Chang K. H., Pan W. F. Buckling life estimation of circular tubes under cyclic bending //International Journal of Solids and Structures. 2009. Vol. 46. N 2. P. 254-270.
9. Dimensional stability of coarse-grained and submi-crocrystalline TiNi shape memory alloy for medical use under quasistatic and cyclic bending / O. A. Kashin [et al.] // Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. P. 1514-1521.
10. Foti F., Martinelli L. Mechanical modeling of metallic strands subjected to tension, torsion and bending //International Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 91. P. 1-17.
11. Podgaysky M. S., Maksimov A. B. Hardening of Plate Steel by Cyclic Bending //Sov. Mater. Sci. Rev. 1987. Т.1. N 4. P. 491-493.
12. Fatigue damage in diameter-enlargement part formed by cyclic bending and axial compressive Load / X. Zhu [et al.] //Procedia Materials Science. 2014. Vol. 3. P. 1499-1504.
13. Springback behavior of AA6082T6 tubes in three-point bending operation / M. A. Sofuoglu [et al.] //Procedia Engineering. 2017. Vol. 182. P. 658-664.
14. Four-point bending cycling: The alternative for thermal cycling solder fatigue testing of electronic components / B. Vandevelde [et al.] //Microelectronics Reliability. 2017. Vol. 74. P. 131-135.
15. Cyclic deformation leads to defect healing and strengthening of small-volume metal crystals / Z. J. Wang [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. Vol. 112. N 44. P. 13502-13507.
16. Максимов А. Б. Разработка модели упрочнения низколегированной стали при пластической деформации циклическим изгибом / / Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуваннь 2012. № 1. С. 87-89. [Maksimov A. B. Development of a model for hardening low-alloy steel during plastic deformation by cyclic bending // New materials and technologies in metallurgy and machinery. 2012. N 1. P. 87-89.]
17. Каратушин С. И., Храмова Д. А., Пехов В. А. Эффект Баушингера при различных видах пластической деформации // Известия вузов. Машиностроение. 2017. № 12. С. 45-50. [Karatushin S. I., Hramova D. A., Pekhov V. A. The Bausinger effect with various types of plastic deformation // Izvestiya VUZov. Mashinostroyenie. 2017. N 12. P. 45-50.]
Сведения об авторах
Каратушин Станислав Иванович — доцент кафедры «Механика деформируемого твердого тела», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1, e-mail: karatsi@bk.ru
Храмова Дария Алексеевна — старший преподаватель кафедры «Механика деформируемого твердого тела», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1, e-mail: khdaria@mail.ru
Плешанова Юлия Андреевна — инженер, кандидат технических наук, НПО специальных материалов, Санкт-Петербург, Нефтяная дорога, д. 5, e-mail: jylia_1980@mail.ru
Для цитирования: Каратушин С. И., Храмова Д. А., Плешанова Ю. А. Упрочнение при циклическом упру-гопластическом изгибе // Металлообработка. 2019. № 5. С. 42-46.
hflt IHLI/UUKIiHIf UIH A
L I^H LL'jU U Р^ПН DU H^t
UDC 539.384
DOI 10.25960/mo.2019.5.42
Hardening with cyclical elastic-plastic bending S. I. Karatushin, D. A. Khramova, Yu. A. Pleshanova
The features of the elastic-plastic cyclic deformation of eutectoid steel with the structure of fine-lamellar cementite are studied. The deformation was carried out according to two schemes: 1. Bending-straightening with alternating heat treatment-low-temperature tempering. The bending process was modeled with regard to real properties and geometry in two computer programs: ANSYS Workbench and DEFORM-3D. As a result of the study, clear advantages of the ANSYS Workbench complex were established. The stress-strain state during elastoplastic bending significantly depends on the load application scheme. Cyclic deformation according to the bending-straightening scheme does not lead to hardening if the process is carried out without heat treatment. The geometry of the sample to be bent upon pure bending does not change upon transition from elastic to plastic, there is no displacement of the neutral plane for large deformations.
Keywords: bending hardening, ANSYS Workbench, residual stresses, four-point bending, plastic deformation.
Сontact authors
Karatushin Stanislav Ivanovich — Associate Professor of "Mechanics of deformable solids" of the Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D. F. Ustinov, 190005, Russian Federation, Saint-Petersburg, 1-st Krasnoarmeiskaya str., 1, karatsi@bk.ru
Khramova Daria Alekseevna — Senior Lecturer of "Mechanics of deformable solids" of the Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D. F. Ustinov. 190005, Russian Federation, Saint-Petersburg, 1-st Krasnoarmeiskaya str., 1, e-mail: khdaria@mail.ru
Pleshanova Yulia Andreevna — Engineer, Candidate of Technical Sciences Scientific Production Association special materials, St. Petersburg Neftjanaja Road, 5, e-mail: jylia_1980@mail.ru
For citation: Karatushin S. I., Khramova D. A., Pleshanova Yu. A. Hardening with cyclical elastic-plastic bending // Metalloobrabotka. 2019. N 5. P. 42-46.
Обращаем Ваше внимание, что издательство "Политехника" проводит проверку всех рукописей, поступивших в редакцию журнала "Металлообработка", в системе "Антиплагиат" с целью выявления необоснованного заимствования.
УВАЖАЕМЫЕ АВТОРЫ!
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
