УДК 621.983.044:669.715.001
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ. Часть II*
© Чумаченко Евгений Николаевич)1, 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). Данные о методике проведения испытаний и последующей аппроксимации механических свойств представляют большой интерес для построения адекватных прогнозов формоизменения материалов при обработке давлением.
Ключевые слова: механические свойства материалов; сверхпластичность; моделирование; механические испытания.
Проведение испытаний и принципы расчета параметров
Испытания со ступенчатым изменением скорости. При испытаниях на растяжение образец растягивается со скоростью и0 = 1-5 мм/мин до начала устойчивого пластического течения, затем устанавливается минимальная скорость деформирования, по достижении деформации 2-3% скорость деформирования ступенчато увеличивается в 1,5-2 раза. В некоторых случаях более корректны испытания, когда скорость деформирования ступенчато уменьшается. Такие испытания целесообразно использовать для оценки сверхпластичности материалов, в которых структурные изменения (формирование зернистой структуры после обработки давлением и/или рост зерна, например) в начальный период испытания при деформации с малыми скоростями обусловливают сильное деформационное упрочнение или разупрочнение. Испытания таких материалов со ступенчатым увеличением скорости деформирования могут давать завышенные значения показателя скоростной чувствительности т при низких скоростях деформации. К материалам такого типа относятся двухфазные титановые сплавы. В результате испытаний получен массив данных с величи-
нами усилий и длин образца, соответствующих устойчивому течению при каждом значении скорости траверсы. Основные характеристики, рассчитываемые по данным этого массива, - истинное напряжение течения а и скорость деформации ё определяются по формулам а = PL./W, (1)
ё= и К (2)
где W - объем рабочей части образца, мм3; v. - скорость деформирования, мм/мин; P -усилие деформирования, Н; L. -текущая длина образца, мм.
При растяжении L. определяется как
L,=Lo+ А
Р
К,
L. = L + D. - P./К
(3)
•Часть I - см. Металлург. 2014. № 12. С. 68-71.
где Ь0 - начальная длина образца, мм; К — жесткость системы образец - машина, Н/мм; Б, - перемещение траверсы (мм), вычисляемое по формуле
Б = и -т, (4)
а т. - время действия ¿-той скорости, с.
Жесткость системы образец-машина К$_т определяется по наклону кривой зависимости: усилие - ход на линейном участке нагружения со скоростью и0. Устойчивым течением при конкретной скорости траверсы принимается момент деформации, когда быстрый рост (или падение) нагрузки прекращается, и усилие либо остается стабильным, либо начинает медленно снижаться из-за уменьшения поперечного сечения образца. В массив заносят значения усилия и длины образца при конкретной скорости траверсы непосредственно перед переключением на следующую V.+1 скорость растяжения.
Испытания с постоянной скоростью деформации. При испытании с постоянной скоростью растяжения скорость
деформации ё, являющаяся одной из главных характеристик сверхпластичности, непрерывно понижается по мере увеличения длины образца в соответствии с выражением (2). В связи с этим для анализа пластичности материала и процессов упрочнения - разупрочнения более корректны испытания с постоянной скоростью деформации. Такие режимы легко осуществить при наличии системы компьютерного управления испытательной машиной. Если выбрано некоторое значение скорости деформации ё, то начальная скорость траверсы и0, соответствующая начальной длине образца Ь0, также определена. По мере растяжения образца скорость деформации понижается, а ее реальное значение вычисляется по формулам (2)-(4). Для поддержания постоянной скорости деформации скорость перемещения траверсы корректируется. Этот процесс повторяется до достижения заданного удлинения образца или до его разрыва. Шаг изменения скоростей траверсы должен обеспечивать поддержание средней заданной скорости деформации с точностью не менее ±(0,3-1)%. В результате испытаний с постоянной скоростью деформации по имеющимся в массиве значениям силы и длины образца вычисляют напряжения течения а (формула (1)) и истинную деформацию
ё = 1п(Ь;/д. (5)
Затем строят зависимость коэффициента деформационного упрочнения у от степени деформации для анализа процессов упрочнения. Коэффициент деформационного упрочнения рассчитывают по формуле
у = ^1па/^ё. (6)
Метод испытаний на релаксацию нагрузки позволяет строить зависимости напряжения течения и показателя т от скорости деформации при малых значениях дополнительной деформации (1-5%) по сравнению с построением таких кривых методом скачкового (ступенчатого) изменения скорости растяжения. В последнем случае накапливаемая деформация достигает 40-70%, при которой возможны изменения структуры материала. Таким образом, полученные методом релаксации нагрузки могут служить основой для суждения о структурном состоянии и/или изменениях деформированного состояния материала при растяжении. По этой же причине перспективно проведение испытаний с постоянной оптимальной для данной температуры скоростью деформации до заданных удлинений с последующим испытанием на релаксацию нагрузки, что позволяет собрать мас-
сив реологических характеристик материала для прогнозирования режимов сверхпластичной формовки (СПФ).
Для реализации этой задачи образец растягивается с постоянной скоростью деформации до заданного значения удлинения, затем разгружается до нулевого усилия, после чего вновь нагружается с повышенной скоростью, заведомо соответствующей верхней границе скоростного интервала сверхпластичности. По достижении устойчивого течения при деформации 1-5% траверсу останавливают и регистрируют снижение усилия в системе образец-машина (отслеживая процесс релаксации). В период на-гружения образца с повышенной скоростью к моменту остановки траверсы полная деформация О0 складывается из упругой деформации системы образец-машина Бе и пластической деформации образца Б: Б0 = Бе + О. Эта полная деформация остается постоянной во времени, а упругая деформация системы образец-машина переходит в пластическую деформацию образца, поэтому
Ц + Б= 0. (7)
отсюда скорость пластической деформации образца в процессе релаксации
Ь = -Ь = -Р/К , (8)
е 5-»г 4
где Р - скорость падения усилия на образце во время релаксации.
Полагая, что жесткость системы образец-машина К-т и объем рабочей части образца постоянны во время испытания, можно рассчитать длину рабочей части образца в каждой точке кривой релаксации по формуле
Ь. = Ь. . - (Р. - Р. ,)/К . (9)
I г+1 4 I 1+1' &-т 4 '
Скорость деформации образца при этом
ё. = О./Ь. = -Р/(К Ь), (10)
I II I 4 5-т . 4 '
а напряжение течения в каждой точке кривой релаксации
а = рь/^. (11)
Поскольку после окончания испытания на релаксацию образец извлекается из захватов и длину его рабочей части можно измерить точно, расчет длины образца, скоростей деформации и напряжений (формулы (9)-(11)) ведется в обратной направлению записи последовательности, т.е. от конечной точки кривой релаксации к ее началу. Это позволяет избежать неточностей при определении длины образца, обычно вызы-
ваемых реверсированием направления движения траверсы во время испытаний. Коэффициент жесткости системы образец-машина К рассчитывается, как и в других испытаниях, по наклону линейного участка зависимости усилие-ход на стадии нагружения перед остановкой траверсы.
Математическая обработка данных, полученных в испытаниях разных видов, включает вычисление ряда параметров, являющихся производными. Такими параметрами являются показатель т, определяемый по результатам испытаний со ступенчатым изменением скорости растяжения или по результатам испытаний с релаксацией нагрузки. В последнем виде испытаний скорость деформации ё определяется по скорости падения нагрузки Р в процессе релаксации. При испытаниях с постоянной скоростью деформации коэффициент деформационного упрочнения у также является производной логарифма напряжения по деформации. Во всех этих случаях используются сглаживающие сплайн-функции [1], а затем проводится дифференцирование.
Результаты испытаний представляются в виде таблиц и графиков зависимости напряжения течения и показателя т от скорости деформации при разных температуре и степенях деформации. Строятся зависимости относительного удлинения от температуры при оптимальных скоростях деформации. По графикам определяется температурный и скоростной интервалы проявления сверхпластичности (область скоростей деформации и температуры испытания, в которой т > 0,3, и относительное удлинение >200%).
Структурный анализ исследуемого материала проводится после отжига, соответствующего времени нагрева образцов до соответствующей температуры испытания. Полученные параметры структуры в этом случае рассматриваются как характеристики исходного состояния сплава.
Для образцов, испытанных с постоянной скоростью деформации до заданных степеней деформации, выполняется количественный анализ структуры. Определяется средний размер частиц а- и р-фаз и А-объемное содержание р-фазы. Точность определения параметров структуры должна быть не ниже 5% при доверительной вероятности 0,95.
Реологические и мех
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.