УДК 621.983.044:669.715.001
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ. Часть 1
© Чумаченко Евгений Николаевич1, д-р техн. наук, проф., акад. РАЕН, e-mail: mmkaf@miem.edu.ru; Портной Владимир Кимович2, д-р техн. наук, проф., e-mail: portnoy@misis.ru; Логашина Ирина Валентиновна1, канд. техн. наук, e-mail: ilogashina@hse.ru;
1 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Россия, Москва
2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва Статья поступила 13.03.2014 г.
Приведены различные методики испытаний для определения механических свойств материалов в состоянии сверхпластичности. Напряжение течения зависит от степени и скорости деформации, структурного параметра и температуры. Обсуждаются реология и механика сверхпластической деформации. Методика была опробована и дала хорошие результаты при испытании сплавов титана и построении математических моделей по заказу компании EADS (Airbus). Методика проведения испытаний и последующей аппроксимации механических свойств представляет большой интерес для построения адекватных прогнозов формоизменения материалов при обработке давлением.
Ключевые слова: механические свойства материалов; сверхпластичность; моделирование; механические испытания.
Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность (отношение предела прочности к плотности), что обусловливает их эффективное использование в аэрокосмической промышленности. В то же время полуфабрикаты из титановых сплавов достаточно дороги, в частности, из-за большого числа технологических переделов (неоднократный вакуумный переплав, трудоемкая горячая обработка давлением и т.д.) и невозможности холодной штамповки листов. Деформация в состоянии сверхпластичности -это один из эффективных способов получения сложных деталей из листовых заготовок, позволяющий снизить стоимость изготовления [1-6]. Термином «сверхпластичность» обозначают способность поликристаллических материалов при определенных температурно-скоростных условиях нагружения испытывать, без нарушения сплошности, большие деформации при относительно низких напряжениях течения.
Сверхпластичность характеризуется совокупностью следующих основных признаков:
- повышенная (по сравнению с пластическим состоянием) чувствительность напряже-2 ния течения материалов к изменению скорости ™ деформации или, иными словами, повышенная 2 склонность сверхпластичных материалов к ско-^ ростному упрочнению;
^ - высокая устойчивость течения сверхпла-
Ц стичных материалов, обеспечивающая большой | ресурс деформационной способности, благодаря
чему относительное удлинение при растяжении таких материалов может достигать нескольких сотен и даже тысяч процентов;
- напряжение течения в состоянии сверхпластичности значительно (на порядок и более) меньше предела текучести материалов в обычном пластическом состоянии.
Наиболее существенным из перечисленных является первый признак, а два других можно рассматривать как его следствия. Сильная зависимость напряжения течения от скорости деформации объединяет сверхпластичные материалы (СПМ) по реологическим признакам с вязкими жидкостями. Именно вязким поведением СПМ объясняется их способность к течению под действием напряжений, которые значительно меньше предела текучести, и сопротивляться развитию локализации деформации, в результате чего достигаются рекордные показатели пластичности [7].
Особенностью титановых сплавов является способность к сверхпластической деформации серийных промышленных листов без специальной подготовки структуры. Поэтому их называют «природно» сверхпластичными [1]. Оптимальная температура сверхпластической формовки (СПФ) для широко распространенного титанового сплава ВТ6 (Т - 6% А1 - 4% V) составляет 900-925 °С. В то же время весьма желательно снизить температуру СПФ. Это позволит уменьшить окисление и разгар матриц, снизить стоимость оборудования для формовки и увеличить срок его службы [8].
В связи с вышесказанным понятен интерес ученых к методикам проведения экспериментов и аппроксимации механических свойств сверхпластичных материалов, особенно это относится к титановым сплавам. Требования по качеству и полетной массе специальных изделий авиакосмической промышленности постоянно повышаются. Точность выполняемых расчетов и прогнозов течения материала в условиях сверхпластичности не может быть выше, чем определенные экспериментально механические свойства и построенные модели сплошной среды.
Общая характеристика методов испытаний. В общем случае методы испытаний распространяются на черные и цветные сплавы, устанавливают процедуры исследования показателей сверхпластичности листовых образцов при температуре до 1250 °С и предназначены для:
- определения температурного и скоростного интервалов проявления сверхпластичности;
- сопоставления показателей сверхпластичности материалов, различающихся по химическому и фазовому составам и/или структуре;
- для выбора температурного, скоростного и силового режимов обработки металлов давлением (ОМД) в состоянии сверхпластичности.
Под показателями сверхпластичности материала понимают: напряжение течения а, показатель скоростной чувствительности напряжения течения m, относительное удлинение (до разрыва) б при фиксированной скорости деформации ё и температуре Т.
Сущность методов состоит в испытании при различной температуре серии образцов на растяжение со ступенчатым изменением скорости деформирования или на релаксацию напряжений.
По максимальному значению показателя скоростной чувствительности m определяют оптимальный для проявления эффекта сверхпластичности температурно-скоростной режим деформации. В этом режиме при постоянной скорости деформации испытывают образцы на растяжение для оценки пластичности сплава б, построения кривых растяжения и коэффициента деформационного упрочнения у как функции степени деформации.
Испытания со ступенчатым изменением скорости деформирования проводят для выбора температурного и скоростного режимов процесса ОМД в состоянии сверхпластичности.
Испытания на релаксацию напряжений проводят для определения и сопоставления показателей сверхпластичности материалов, различающихся химическим и фазовым составом, структурой и способами их получения.
Таким образом, в результате испытаний получают зависимости напряжения течения а и показателя скоростной чувствительности ж от
Я 0,5
17
Схема образца для определения показателей сверхпластичности листовых материалов
скорости деформации ё при разной температуре. Кроме того, для оптимальных скоростей деформации ё при каждой температуре получают кривые зависимости растяжения и коэффициента деформационного упрочнения у от степени деформации е.
Испытания проводят на образцах (см. рисунок) с шириной рабочей части 6 мм. Толщина образца определяется толщиной проката. Расстояние между заплечиками Ь0 вычисляется по формуле
А) -
где Ь0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.
Вычисленную длину Ь0 округляют до ближайшего целого числа. Однако эта расчетная длина не должна быть меньше удвоенной ширины образца. Основные значения расчетной длины образцов для листов разной толщины приведены ниже:
Толщина листа, мм До 0,85 0,901,15 1,201,40 1,451,80 1,92,2 2,73,0
Расчетная длина, мм 12 14 16 18 20 22 24
Допускаемое отклонение ширины рабочей части образцов составляет ±0,1 мм, а параметр шероховатости обрабатываемой поверхности -не более 2,5 мкм. Допускаемые отклонения от заданной расчетной длины образца, на которой измеряется удлинение, не должны превышать ±1%. Допускаемое отклонение площади поперечного сечения не должно превышать 0,5%.
Форма и размеры головок образцов одинаковы для листа любой толщины. Это позволяет унифицировать способ крепления образца в захватах испытательной машины. СПМ удлиняются при растяжении на сотни процентов, при этом разметка начальной длины обычно не сохраняется, поэтому начальную длину удобно отсчитывать как расстояние между заплечиками. В связи с этим сопряжения головок и рабочей части образца могут выполняться без плавного перехода, под прямым углом, так как отсутствует чувствительность сверхпластичных сплавов к концентраторам напряжений.
Для изучения показателей сверхпластичности в широком диапазоне температуры и скоростей деформации наиболее удобны листы толщиной около 1 мм. Это обусловлено значительным
6
I
14
14
диапазоном усилий на образце при изучении его поведения в широком интервале скоростей деформации. При этом для обеспечения точности важно, чтобы весь диапазон регистрируемых усилий можно было получить на одном датчике сило-измерителя. При испытании образцов из тонкого листа это можно осуществить, испытывая одновременно несколько образцов одинаковых размеров. Таким образом, изменяя число испытуемых образцов, можно провести испытания с одинаковой точностью при понижающейся температуре.
Образцы для испытаний берутся с сохранением поверхностного слоя без обработки, поскольку предназначены для оценки технологичности этих листов при СПФ.
Образцы, имеющие механические повреждения, дефекты поверхности в виде инородных включений, расслоений, пор, раковин или трещин, испытаниям не подвергаются. Листы, ис-пытывающиеся после термической обработки, могут иметь коробление. Поскольку такие листы поступают и для СПФ, и в связи с тем, что сверхпластичные сплавы во время нагрева до температуры сверхпластичности быстро релаксируют, рихтовка или другой вид правки заготовок допустимы. Если металл подлежит испытанию в термически обработанном состоянии, термообработке подвергают и заготовки для образцов.
Технические требования к машинам для определения показателей сверхпластичности не отличаются от требований к универсальным испытательным машинам для статических испытаний. Тем не менее, поведение СПМ при растяжении обусловливает ряд особых требований при использовании универсальных испытательных машин.
Способность СПМ при растяжении удлиняться в 3-20 раз предъявляет особые требования к печам, в которых испытываются образцы, и, соответственно, эти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.