Моделирование процесса пластической деформации многослойных металлических материалов

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 621. 77. 014: 519. 876. 5
А. И. Плохих, С. В. Путырский
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана **фгуп ВИАМ e-mail: plokhikh@bmstu. ru
Приведены результаты моделирования процесса прокатки многослойного материала У8+08Х18Н10 с использованием среды ANSYS Workbench и модуля Explicit Dynamics.
Ключевые слова: сталь, многослойный композит, прокатка, моделирование, метод конечных элементов, деформация.
Results of simulation by rolling multilayerd composite steel80+12Cr18Ni10Ti using the ANSYS Workbench and Explicit Dynamics package SIMULIA/Abaqus are shown.
Keywords: steel, rolling, simulation, finite element method, deformation.
Актуальной научно-технической задачей машиностроения остается снижение габаритновесовых параметров деталей и элементов конструкций, решение которой позволяет существенным образом повысить эксплуатационные показатели изделия в целом. Как показывает практика, весьма эффективным при создании перспективных образцов техники является использование новых нетрадиционных материалов, характерной особенностью которых является наличие градиентной структуры. К их числу можно отнести новый класс конструкционных металлических материалов, получаемый на основе синтеза многослойных композитных заготовок. Использование подобных материалов позволяет значительно повысить ресурс деталей и конструкций, работающих в условиях высоких температурно-силовых нагрузок с одновременной экономией дорогостоящих легирующих элементов. Главным преимуществом при этом является реализация в деталях машин высоких значений эксплуатационных характеристик, достижение которых при использовании монометаллических материалов оказывается невозможным.
Наряду с известным результатами по получению материалов с субмикро- и нанострукту-
рой на основе слаборастворимых друг в друге гетерогенных составляющих исходных композиций [1−5] вызывает также интерес возможность использования подобных технологических схем для получения гомогенных материалов, созданных на основе одного металла. Одним из хорошо известных способов является накопительная прокатка (АИВ-метод) [6], который, по мнению авторов, можно отнести к одной из схем измельчения зеренной структуры с помощью ИПД. Отличительным признаком этих материалов является микроструктура деформации со «сверхтонкими зернами» размером ~ 200 нм, которые разделены между собой большими угловыми границами. Реализация этой схемы на низкоуглеродистых сталях, прокатанных при температурах 500 и 600 °C, приводит к получению субмикрокристаллической структуры с размером зерен 0,5−1,5 мкм и менее, что является результатом протекания динамической полигонизации и рекристаллизации [7, 8].
Другим подходом в решении этой задачи является реализация схемы многоцикловой пакетной прокатки композитных заготовок, созданных на основе сталей с различным кристаллическим строением (рис. 1).
Рис. 1. Схема технологического процесса
Одно из важных преимуществ метода заключается в том, что номенклатуру используемых сплавов существенным образом можно расширить при использовании в качестве основного вида обработки горячую прокатку. В этом случае деформирование можно проводить в таком интервале температур, в котором исходные составляющие композитной заготовки имеют разные типы кристаллических решеток. Другим отличием данного метод от методов основанных на ИПД, является температура, при которой проводится деформация, которая значительно превышает температуру рекристаллизации сплавов, составляющих композицию многослойного материала.
Применение разработанного технологического маршрута позволяет получать заготовки полосового сортамента шириной 100 мм, толщиной от 2 до 10 мм, с суммарным количеством слоев от 100 до 2500. Микроструктура материала имеет ламинарное строение, которое можно характеризовать как попеременно чередующиеся между собой слои как в продольном, так и поперечном сечении заготовки, имеющие близкий химический состав и разделенные между собой большими угловыми границами, с толщинами слоев от 100 до 0,8 мкм. Дополнительное использование холодной пластической деформации позволяет получать в ламинарных материалах некоторых составов слои толщиной 100−200 нм [9, 10].
Вместе с тем синтез подобных материалов является задачей достаточно сложной. Требуется учет многих факторов, оказывающих влияние как на процесс формирования ламинарной структуры на стадии горячей прокатки, так и на ее стабильность, включая межслойную диффузию легирующих элементов [11]. Одним из главных условий, позволяющих наследовать исходное ламинарное строение первичной заготовки от одного технологического цикла к другому, является предотвращение структурной перекристаллизации на межслойных границах. В отличие от традиционных многослойных материалов (би-, триметаллов и др.), в которых образование общих зерен на границах раздела приветствуется, в материалах с ламинарной структурой этот процесс является недопустимым. Нарушение регулярного расположения слоев вследствие исчезновения высокоугловой разориенти-ровки между ними делает невозможным постепенное утонение слоев деформацией прокатки.
Одной из характерных особенностей процесса получения многослойных металлических материалов является наблюдаемый эффект значительного увеличения сопротивления дефор-
мации при прокатке, по сравнению с аналогичными значениями, полученными на монозаготовках с полиэдрическим строением структуры. Было установлено, что при одинаковых деформационных, температурных и скоростных параметрах процесса, силы прокатки многослойного образца, состоящего из 100 чередующихся слоев стали 08кп и У8, на 50% превышают силы прокатки образца состоящего из такого же количества слоев стали У 8, и более чем на 100% равного по размерам монолитного образца из той же стали [12]. Похожий эффект был обнаружен и в работе [8] при реализации ARB-метода на стали 09Г2С. Было, в частности, установлено, что на первой стадии обработки по мере увеличения количества слоев (от 2 до 4) резко возрастает давление прокатки. При дальнейшем увеличении числа слоев (от 4 до 8) давление прокатки постепенно повышается, а после 4-го прохода (16 слоев) незначительно снижается. Это является тем более любопытным, что температура прокатки в обоих случаях отличалась существенно. Если прокатка по технологии ARB проводилась при 600 °C, и это проявление было объяснено как протекание сложных процессов эволюции в дислокационной субструктуре стали при различных режимах многопроходной пакетной прокатки, то композитные заготовки прокатывались в аустенитном состоянии при температуре 1100 °C в условиях активной динамической рекристаллизации.
Необходимо отметить, что это явление может оказывать негативное влияние на процесс получения таких многослойных материалов на последующих технологических циклах, когда суммарное количество слоев в заготовке превышает несколько тысяч. В этом случае может наблюдаться такой технологический брак, как раскрытие заготовки вследствие недостаточной проработки сечения по высоте (рис. 2).
Рис. 2. Раскрытие многослойной заготовки
Причиной увеличения сопротивления деформации при прокатке композитных заготовок, видимо, является формирование особого вида структуры, известной как «бамбу-
ковая», которая формируется на заключительных стадиях первого технологического цикла и наследуется на втором цикле изготовления (рис. 3).
п& gt-




¦ ¦ - |И

¦ - - ^ -

ИТ& quot- ~ ~

'-л
* 18 111 '- ь ^
а б
Рис. 3. Микроструктура поперечного сечения многослойного образца композиции 08Х18Н10+У8: а — первый технологический цикл, толщина заготовки 2 мм- б — второй технологический цикл, толщина заготовки 10 мм
При этом, если на первом цикле изготовле- стадии второго технологического цикла это
ния в толщине отдельного слоя может нахо- чаще всего одно зерно, имеющее одну кристал-диться несколько зерен, то на заключительной лографическую ориентировку (рис. 4)*.
Рис. 4. Восстановленная карта ориентировок кристаллитов в слоях образца многослойной композиции 08Х18Н10+У8. Расцветка слоев соответствует раскраске инверсного треугольника
При этом слои отделены друг от друга большими угловыми границами с разориенти-ровкой не менее 15°, и в пределах каждого слоя кристаллографическая ориентировка практически не изменяется и не превышает 5°.
Исследование механических свойств многослойных материалов различного состава (представлены в таблице) показало, что если ламинар-
* Исследования проведены канд. хим. наук С. Н. Петровым.
ное строение сохраняется на заключительной стадии второго технологического цикла, то наблюдается устойчивое сохранение пониженных значений модуля упругости в направлении прокатки, по сравнению со значениями исходных составляющих многослойной композиции. Обращает на себя внимание также резкое снижение характеристик пластичности многослойного материала при проведении испытаний на растяжении образцов в том же направлении.
Механические свойства сталей и многослойного материала композиции У8+08Х18Н10
Материал Е, ГПа о0 2, МПа ов, МПа 5, % V, % HB
Многослойный образец У8+08Х18Н10, горячая прокатка при 1000 °C, 1-й цикл 150 560 960 7 44 110
Многослойный образец У8+08Х18Н10, горячая прокатка при 1000 °C, 2-й цикл 180 880 1470 4 18 450
У 8-закалка от 780 °C, отпуск при 400 °C 209 1230 1420 10 37 370−470
08Х18Н10 закалка от 1020−1100 °С 196 205 510 40 70 170
На основании сказанного можно предположить, что по мере утонения ламинарных слоев в многослойном материале происходит повышение жесткости материала заготовки в нормальном направлении по отношению к направлению прокатки. Причиной этому является, в первую очередь, локализация пластического течения в отдельных слоях вдоль направления прокатки ввиду сохранения большой угловой разориентировки между ними, а также формирование ориентированной структуры в пределах каждого зерна, находящегося в слое. Дополнительным фактором является также увеличение общего количества межслойных границ с повышением номера технологического цикла. В общем виде изменения можно проиллюстрировать рис. 5.
Для анализа предложенной модели было решено использовать метод конечно элементного моделирования с использованием программных пакетов ANSYS и LS-Dyna, учитывая, что последняя из программ была разработана для решения задач, предусматривающих значительные пластические деформации [13,14]. Метод конечного элемента включает различные подходы, в которых для определения напряжения, деформации и перемещения материал условно разбивают на отдельные элементы, соединенные в узловых точках [15]. Применение такого подхода даст возможность комплексно оценить влияние структурных и технологических факторов на поведение многослойного материала при пластической деформации.
В качестве первого физического условия моделирования была принята гипотеза о неразрывной связи между отдельными слоями. Это подтверждают результаты исследований, проведенных с помощью оптической и электронной микроскопии, а также данные микроди-фракционного анализа, которые показывают, что межслойные границы являются сплошными и имеют большую угловую разориентировку.
б
Рис. 5. Схема изменения строения слоев: а — первый технологический цикл- б — второй технологический ЦИКЛ
Другим физическим условием моделирования является предположение о протекании динамической рекристаллизации при высокотемпературном деформировании, при котором материал не испытывает деформационного упрочнения. Это позволяет выбрать для моделирования упругопластическую модель поведения материала, однако подобное допущение справедливо только на первом технологическом цикле, пока сохраняется поликристалли-ческое строение слоев.
Для создания расчетной модели и построения конечноэлементной сетки в работе использовались средства среды ANSYS Workbench и модуль Explicit Dynamics (LS-Dyna export), который позволяет создать командный файл, содержащий информацию о модели для запуска расчета. При этом каждый слой создавался независимо и лишь затем объединялся в единую многослойную заготовку. Это обеспечило возможность создания межслойной связи и назначение индивидуальных прочностных и пластических характеристик каждому слою.
Первичные расчеты, проведенные для сравнения напряженно-деформированного состоя-
ния, возникающего при прокатке монолитнои и многослойной заготовок, показали, что напряжения в сечении заготовок распределены неодинаково (рис. 6). Можно видеть, что слои в многослойной заготовке с заданным более низким пределом текучести стремятся быть выдавленными из очага деформации. Если бы это происходило, то напряжения в более твердом
материале не достигали бы предела текучести. Однако выдавливания мягкого материала не происходит, поскольку этому препятствует материал, находящийся вне очага, обеспечивая подпор. В результате этого в многослойном материале вне зоны деформации формируются сжимающие напряжения.
Fringe Levels I. 3=tl*-02 1. 0384−02 I 7. 456*-01_l 4. 531*-01_ 1. 606е-01_ -1. 319е-01_ -4. 244е-01_ -7. 1Є9е-01_ -1. 009е~02_ -1. 302е-02_ -1. 594Є-0 2
Fringe Levels JL 47Se-02_ -1 134-і-02_ (8393е-01_ І 5 951е-01_
З 009е-01_
-2. S76e-01_ -5. SlSe-01_ •S. 760e-01_ -J. 170−5-02_ -1. 4645−02
Рис. 6. Распределение напряжений в очаге деформации заготовок: а — монолитная заготовка- б — многослойная заготовка
Нужно отметить, что на данном этапе модель поведения материалов выбиралась максимально упрощенной, однако программа имеет возможность учета, в том числе и деформационного упрочнения. Это можно делать посредством задания материалу отдельного слоя функциональной зависимости значений предела текучести от величины пластической деформации. Причем эта зависимость может быть различной по осям координат заготовки, что можно интерпретировать как анизотропию свойств материала, в том числе в пределах отдельного слоя. Дополнительной особенностью используемой программы является возможность проведения связанного термомеханического расчета, который учитывает дополнительный разогрев при прокатке, теплопередачу между валками и окружающей средой, что также поможет оценить величину и распреде-
ление напряжений в поперечном сечении многослойной заготовки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Копань, В. С. Об электросопротивлении и механических свойствах многослойных композиций на основе меди и алюминия / В. С Копань, А. В. Лысенко // ФММ. -1970. — 29. — № 5. — 1075 с.
2. Майборода, В. П. Свойства тонкослойного проката сталь-медь / В. П. Майборода, В. С. Копань // Изв. АН СССР. Металлы. — 1973. — № 3. — С. 132−136.
3. B. Huang, K. N. Ishihara, P. H. Shingu / Materials Science Letters, 20, 1669 (2001).
4. K. Yasuna, M. Terauchi, A. Otsuki, K. N. Ishihara and P. H. Shingu, Mat. Sci. Engg. A, 285, 412 (2000).
5. Карпов, М. И. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нано-метрическими толщинами слоев / М. И. Карпов, В. И. Внуков, К. Г. Волков, Н. В. Медведь, И. И. Ходос, Г. Е. Абросимова // Материаловедение. — № 1. — 2004. — С. 48−53.
6. Saito Y., TsujiN., Utsunomiya H., Sakai T. and HongR.G. // Ultra-Fine Grained Bulk Aluminum Produced by Accumu-
lative Roll-Bonding (ARB) Process. Scripta Mater., 39 (1998), P. 1221−1227.
7. Коджаспиров, Г. E. Получение ультрамелкозерни-стого листа из ультранизкоуглеродистой стали пакетной прокаткой / Г. Е. Коджаспиров, С. В. Добаткин, А. И. Руд-ской, А. А. Наумов // МиТОМ. — 2007. — № 12. — С. 13−16.
8. Рудской, А. И. Перспективные технологии изготовления листового проката с ультрамелкозернистой структурой / А. И. Рудской, Г. Е. Коджаспиров, С. В. Добаткин // Металлы. — 2012. — № 1. — С. 88−92.
9. Колесников, А. Г. Исследование особенностей формирования субмикро- и наноразмерной структуры в многослойных материалах методом горячей прокатки / А. Г. Колесников, А. И. Плохих, Ю. С. Комиссарчук, П. Ю. Ми-хальцевич // МиТОМ. — 2010. — № 6. — С. 44−49.
10. Табатчикова, Т. И. Структура и свойства многослойного материала на основе сталей, полученного методом горячей пакетной прокатки / Т. И. Табатчикова, А. И. Плохих,
П. Л. Яковлев, С. Ю. Клюева // ФММ. — 2013. — Т. 114. -№ 7. — С. 633−646.
11. Плохих, А. И. Исследование влияния диффузионной подвижности легирующих элементов на стабильность структуры многослойных металлических материалов / А. И. Плохих, Д. В. Власова, О. М. Ховова, В. М. Полянский // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. — 2011. — № 11. — Страница размещения: http: //technomag. edu. ru/doc/262 116. html
12. Колесников, А. Г. Прокатка стального многослойного материала IА. Г. Колесников, А. И. Плохих, А. С. Шин -карев, М. О. Миронова // Заготовительные производства в машиностроении. — 2013. — № 8. — С. 39−43.
13. LS-Dyna keyword user’s manual. LSTC, 2007.
14. LS-Dyna theoretical manual. LSTC, 2006.
15. Унксов, E. П. Теория пластических деформаций металлов / Е. П. Унксов, У. Джонсон, В. Л. Колмогоров. -М.: Машиностроение, 1983. — 598 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой