Моделирование контактного упрочнения алюминиевой прослойки в титано-алюминиевом композите при повышенных температурах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 62−419. 5:620. 172. 224:519. 876. 5
Л. М. Гуревич, д-р техн. наук, Ю. П. Трыков, д-р техн. наук, В. М. Волчков, канд. техн. наук, А. А. Голик, студентка
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОСЛОЙКИ В ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВОМ КОМПОЗИТЕ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Волгоградский государственный технический университет, mvpol@vstu. ru
Проведено моделирование методом конечных элементов с помощью пакета SIMULIA/Abaqus поведения титаноалюминиевого композита ВТ1−0-АД1-АМг6 при осевом растяжении, определена его прочность при варьировании толщины прослойки АД1.
Ключевые слова: алюминий, алюминиевый сплав, титан, мягкая прослойка, деформация, разрушение, моделирование, метод конечных элементов
L. M. Gurevich, Ju. P. Trykov, V. M. Volchkov, A. A. Golik
MODELING OF THE CONTACT HARDENING OF ALUMINUM LAYER INTO TITANIUM-ALUMINUM
COMPOSITE AT ELEVATED TEMPERATURES
Volgograd State Technical University, mvpol@vstu. ru
Modeling by method of final elements by means of a SIMULIA/Abaqus package of behavior of composite VT1−0-AD1-AMg6 is carried out at axial tension, its durability at AD1 layer thickness variation is determined.
Keywords: aluminum, aluminum alloy, titanium, soft layer, deformation, fracture, modeling, finite element method
При сварке взрывом титана с деформируемыми алюминиевыми сплавами часто используют мягкую прослойку из алюминия АД1, играющую роль буфера пластичности и диффузионного барьера. Прочность таких композитов в направлении, нормальном границе раздела слоев, определяется свойствами наиболее слабого из составляющих материалов, которым является прослойка алюминия. С уменьшением толщины прослойки (ее обычно характеризуют относительной толщиной х = И/й, где И — толщина прослойки, а й — диаметр испытываемого образца) начинает проявляться эффект контактного упрочнения. Моделирование методом конечных элементов деформирования с использованием пакета компьютерных программ SIMULIA/ABAQUS поведения таких переходников при нормальной температуре [1] показало хорошую сходимость с ранее проведенными экспериментальными исследованиями [2].
Целью настоящей работы являлось моде-
лирование с использованием пакета компьютерных программ SIMULIA/ABAQUS поведения при растяжении титано-алюминие-вых композитов с мягкой прослойкой из АД1 при повышенных температурах (100 и 200 °С).
Моделирование процессов деформирования и разрушения при растяжении цилиндрического образца 06 мм трехслойного ти-тано-алюминиевого композита ВТ1−0-АД1-АМг6 методом конечных элементов проводилось с использованием модуля Abaqus/Explicit программного комплекса SIMULIA/Abaqus компании Dassault Systemes Simulia Corp. (USA), использующего явную схему интегрирования для сильно нелинейных переходных быстротекущих динамических процессов. Расчет проводился с использованием модели Мизеса. Для расчета упрочнения материалов в результате пластического деформирования использовали для титана табличное задание кривой упрочняемости [3], а для других материалов
Таблица 1
Использованные коэффициенты для модели пластичности Джонсона-Кука
Коэффициенты для модели пластичности Джонсона-Кука [6]
Материал А, МПа В, МПа т п? 0, с-1 Тт, К Тг, К
Сплав АМг6 218,3 704,6 0,93 0,62 1 873 293
Алюминий 60,0 6,4 0,859 0,62 1 933 293
модель Джонсона-Кука [4], согласно которой предел текучести можно определить по формуле:
а, = (А + В%){1 + С 1п?)[1
где 8Р — эффективная пластическая деформация- Тт — температура плавления- Тг -комнатная температура- А — предел текучести неупрочненного материала, В — коэффициент упрочнения при деформировании, С -коэффициент зависимости упрочнения от скорости деформирования, п, т, 80 — параметры модели- ?0 и? р — первые производные по времени величин 8о и 8р. Формула (1), по сути, представляет собой семейство кривых деформирования материала при различных температурах и скоростях деформирования. Для описания разрушения материала использовалась модель Джонсона-Кука [5], согласно которой разрушение конечного элемента происходит, когда параметр поврежденности О стано-
вится равным единице:
0=^1 ?А? I ,
(2)
где Ае1р — приращение эффективной пластической деформации в конечном эле-
менте на /-м шаге интегрирования по времени. Величина 8/ рассчитывается по формуле:
?/ = (
+ 02еу Т-Т,
1 +041п-) х 8П/
),
(3)
где 01… Об — параметры материала- сте/ - эффективное напряжение- р — давление в рассматриваемом конечном элементе.
Значения параметров для выбранных материалов, взятые из работ [6, 7], приведены в таблицах 1 и 2. В связи с низкой скоростью деформирования (?р менее 0,0025 с-1) ее влияние не учитывалось.
Цилиндрическая форма образцов позволяла рассчитывать напряжения и деформации в радиальном сечении композита, как осесимметричного тела [8], что значительно сокращает время моделирования. Относительная толщина прослойки АД1 варьировалась от Хад1 = 0,33 (2 мм) до Хад1 =0,033 (0,2 мм), толщины слоев АМг6 и ВТ1−0 равнялись 10 мм.
Прочность связей между слоями соответствовала прочности наименее прочного элемента пары. Размер сторон квадратных
Таблица 2
Использованные коэффициенты для модели разрушения Джонсона-Кука
Материал оэффициенты для модели разрушения Джонсона-Кука [7]
Б1 02 О3 04 Об? 0, с-1 Тт, К Тг, К
Сплав АМг6 0,178 0,389 -2,246 0 0 1 873 293
Алюминий 0,071 1,428 -1,142 0,0097 0 1 933 293
а)
б)
Рис. 1. Изменение характера деформирования слоев и прослоек в композите ВТ1−0-АД1-АМг6 при температурах 100 (а) и 200 °C (б) при варьировании Хад1
1 — Хад1 =0,33- 2 — ХАД1 = 0,0167- 3 — ХАД1 =0,1- 4 — ХАД1 =0,066- 5 — ХАД1 =0,033
ячеек конечно-элементной сетки в элемен- направлении составлял 1/40 толщины мяг-
тах композита из AМг6 и ВТ1−0 составлял 0,1 кой прослойки). Моделируемая скорость
мм. Размер прямоугольных ячеек в мягкой растяжения образца — 0,1 мм/с.
прослойке АД1 в радиальном направлении Проведенное моделирование показало
соответствовал размерам ячеек в при- изменение характера деформирования и
лежащих слояхМг6 и ВТ1−0), а в осевом разрушения основных слоев композиции
при варьировании относительной толщины мягкой прослойки (рис. 1). При температурах 100 и 200 °C при всех толщинах алюминиевой прослойки разрушение при моделировании происходило по прослойке АД1.
Полученные при моделировании кривые
жения в наиболее прочном слое композита (ВТ1−0), соответствующего пределу прочности композита, до 225 МПа при 100 °C и 180 МПа при 200 °C, в тоже время наблюдалось увеличение скорости падения растягивающего усилия после образования шейки в
250
200
ш 150 ^
х
О)
?100 а. с го X
50
, 5

Кз
?V

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Деформация образца, %
а)
б)
Рис. 2. Расчетные диаграммы растяжения для композита ВТ1−0-АД1-АМг6 при температурах 100 (а) и 200 °C (б) для различных Хад1
1 — ХАД1 =0,33- 2 — ХАД1 = 0,0167- 3 — Хад1 =0,1- 4 — ХАД1 =0,066- 5 — ХАД1 =0,033
«напряжения-деформация» а = /(г) при растяжении композита ВТ1−0-АД1-АМг6 с различными относительными толщинами прослойки Хад1 при температурах 100 и 200 °C приведены на рис. 2.
Уменьшение Хад1 от 0,33 до 0,033 вызывает рост максимально достижимого напря-
слое АД1. Хотя разрушение композита при всех моделируемых величинах Хад1 происходило по алюминиевой прослойке, однако напряженно-деформированное состояние в композитах с малыми значениями Хад1 изменялось не совсем тривиально (рис. 3 и 4).
о^
аГ ш
О) X
ее
СЕ

го
о.
о
-е-
ш
80 70 60 50 40 30 20 10
А1 /1г6 АД1 ЗТ1-С
/ 4


1\



0
О)
си т ее ее

го §
о. о
-е-
О)
С!
160 140 120 100 80 60 40 20
о4^
80 70
? 60
О)
«50
се
• 40
го
Ц 30 о.
о 20
О)
10
о
3 4 5 6 Расстояние, мм
а]
7 8
А1 /1г6 АЛ1 ВТ1−0
(4

3

2

Л 1
0
3 4 5 6 Расстояние, мм б)
8
аг /1г6 АД1 ВТ1−0





1 2 з 4
Расстояние, мм
в)
Рис. 3. Расчетная диаграмма распределения деформации ячеек вдоль оси образца в слоях композита ВТ1−0-АД1-АМг6 при 100 °C с различной относительной толщины
мягкой прослойки Хад1: а — Хад1 =0,33- б — Хад1 =0,066- в — Хад1 =0,033- 1 — средняя относительная деформация образца 0,8%, 2 — 1,2%, 3 — 1,6%, 4 — 2,0%
60
о^
V& quot- 50
О)
си т 40
о:
а:
=г 30
го
о. 20
о
-е- а& gt- 10

А1 Лгб АД1 л ЗТ1-С

Л
1


О
120
4 $ 0х-
ф
Ш Т
а:
СЕ

го
а. о
-е-
ш
. 100
80 60 40 20
0
3 4 5 6 Расстояние, мм
а)
8
АМгб А, Ц1 ВТ1−0
4
3

Л 2
1
2 3 4 5 6 Расстояние, мм
б)
8
Пб ш 5 ?4
го 3 §
о. о ^
I1
А1 /1г64 АД1 ВТ1−0

3

\
N V

О
3 4 Расстояние, мм
в)
Рис. 4. Расчетная диаграмма распределения деформации ячеек вдоль оси образца в слоях композита ВТ1−0-АД1-АМг6 при 200 °C с различной относительной толщины
мягкой прослойки Хад1: а — Хад1 =0,33- б — Хад1 =0,066- в — Хад1 =0,033- 1 — средняя относительная деформация образца 0,8%- 2 — 1,2%- 3 — 1,6%- 4 — 2,0%
При относительных толщинах Хад1 в интервале 0,33. 0,1 слои АМг6 и ВТ1−0 не деформировались, и вся деформация локализовалась только в алюминиевой прослойке (рис. 3, а и 4, а).
При Хад1 = 0,066 первоначально деформируется алюминиевый сплав АМг6, но после достижения величины относительной деформации в нем около 5% на расстоянии 1 мм от границы с АД1, дальнейшая деформация происходит только в мягкой прослойке (рис. 3, б и 4, б).
При Хад1 = 0,33 существенная деформация мягкой прослойки начинается только после достижения величины относительной деформации в АМг6 10% (рис. 3, в и 4, в).
Полученные результаты указывают на высокую важность выбора толщины технологической прослойки АД1 в трехслойном композите ВТ1−0-АД1-АМг6, предназначенном для работы при повышенных температурах, включая математическое моделирование поведения изделия из композиционного материала, для обеспечения необходимого запаса пластичности материала в условиях эксплуатации.
ВЫВОДЫ
Методами конечно-элементного моделирования подтверждено, что уменьшение относительной толщины алюминиевой прослойки в трехслойном композите ВТ1−0-АД1-АМг6 при температурах 100 и 200 °C приводит к росту его прочности с локализацией пластической деформации в алюминии АД1. При относительной толщине Хад1 ^ 0,033 первоначально начинается деформирование алюминиевого сплава АМг6, а существенная деформация мягкой прослойки
начинается только после достижения величины относительной деформации в АМг6 10%.
Библиографический список
1. Головкин, Г. С. Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов / Г. С. Головкин, В. П. Дмитренко.- М: РУСАКИ, 2005. — 472 с.
2. Гуревич, Л. М. Моделирование методом конечных элементов поведения титаноалюминиевого композита с мягкой прослойкой / Л. М. Гуревич, Ю. П. Трыков, О. С. Киселев // Известия ВолгГТУ. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 8, № 15 (118). — 2013. — С. 6 — 9.
3. Трыков, Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Г. Шморгун. — М.: Металлургиздат, 2004. — 230c.
4. Третьяков, А. В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: справочник / А. В. Третьяков, В. И. Зюзин. — М.: Металлургия, 1973. -224 с.
5. Johnson, G. R. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures / G. R. Johnson, W. H. Cook // Proc. of 7th Symposium on Ballistics, Hague, Netherlands, 1983. — Рр. 541−547.
6. Johnson, G.R. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures / G. R. Johnson, W. H. Cook // Engineering Fracture Mechanics, 1985, Vol. 21. — Рр. 3148.
7. Кузькин, В. А. Применение численного моделирования для идентификации параметров модели Джонсона-Кука при высокоскоростном деформировании алюминия / В. А. Кузькин, Д. С. Михалюк // Вычислительная механика сплошных сред. — 2010. — Т. 3, № 1. — С. 32−43.
8. Giraud, E. Constitutive Modelling of AZ31B-O Magnesium Alloy for Cryogenic Machining / E. Giraud, F. Rossi, G. Germain, J. C. Outeiro // 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations (CIRP CMMO), (CIRP CMMO), Italy (2013). DOI: 10. 1016/j. procir. 2013. 06. 144.
9. Abaqus 6. 12. Analysis User'-s Manual. Volume 1. Part 1. Introduction, spatial modeling and execution. Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA, 2012. — 831 p.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда,
грант № 14−19−418

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой