^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.721.5:539.431.3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВ СПЛАВА АZ31, ДЕФОРМИРОВАННЫХ МАЛОЦИКЛОВЫМ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫМ ИЗГИБОМ
© 2014 г. А. А. Брюханов*, М. Родман**, Н. А. Волчок*, П. П. Стоянов*,
М. Шапер**, Х. Клозе**
*Южноукраинский национальный педагогический университет им. К.Д. Ушинского, 65020 Одесса, Старопортоффранковская, 26 Украина; e-mail: aabr2007@rambler.ru **Институт материаловедения Ганноверского университета им. Г.Ф. Лейбница, 30823 Гарбсен, Германия
e-mail: rodman@iw.uni-hannover.de Поступила в редакцию 20.08.2012 г.; в окончательном варианте — 13.05.2013 г.
Изучали влияние деформации знакопеременным изгибом (ЗИ) различным числом циклов на механические свойства листов сплава AZ31 (Mg, 3% Al, 1% Zn, 0.4% Мп). Установлена количественная связь между характеристиками текстуры и анизотропией механических свойств прокатанных листов сплава после рекристаллизационного отжига при 320°C и деформации ЗИ. Для всех изученных деформаций представление анизотропии предела текучести тензорами второго ранга находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными. Анизотропия предела прочности и относительного равномерного удлинения удовлетворительно описывается тензором второго ранга только для деформаций до 3 циклов ЗИ. Анизотропия относительного удлинения описывается тензором второго ранга для деформации 5.5 циклов ЗИ. Для описания анизотропии механических свойств, не поддающихся описанию тензорами второго ранга, возможно применение тензоров четвертого ранга.
Ключевые слова: магниевый сплав, изгиб, текстура, интегральные характеристики, пределы прочности и текучести, относительное удлинение, равномерное относительное удлинение, анизотропия, тензор.
DOI: 10.7868/S0015323014010033
ВВЕДЕНИЕ
Деформируемые сплавы магния обладают комплексом свойств, позволяющим прогнозировать их широкое распространение как конструкционных материалов, особенно на транспорте [1], и для них исследования процессов деформации, эффектов ассиметрии течения металла в плоскости испытания растяжением или сжатием, природы анизотропии свойств [2, 3] представляются важными.
В работах [4—6] наблюдали необычный для металлических материалов эффект деформационного разупрочнения при деформации знакопеременным изгибом (ЗИ) листов сплава АZ31 (3% А1, 1% Zn, 0.4% Мп, остальное магний). Этот эффект труднообъясним с позиций моделей, рассматривающих поликристалл как сплошную среду с доминированием в процессе формоизменения гексагональных материалов только пяти независимых систем скольжения [7, 8].
В предыдущей работе авторы [9] на основе исследований развития и превращения текстуры
при деформации растяжением и сжатием в процессе циклической гибки объясняют указанный эффект существенной ролью процессов двойни-кования и раздвойникования в механизме пластической деформации магниевого сплава АZ31.
Целью данной работы явилось установление количественной связи между характеристиками текстуры листов сплава АZ31 и анизотропией их механических свойств после деформации знакопеременным изгибом различным числом циклов.
Количественная связь между текстурой и свойствами поликристаллов наиболее строго устанавливается посредством представления текстуры в виде функции распределения кристаллов по ори-ентациям (ФРО). Для поликристаллов в виде листов орторомбической симметрии такая связь достаточно полно описывается при помощи некоторых сверток ФРО, интегральных характеристик текстуры (ИХТ), представляющих собой комбинации направляющих косинусов системы координат кристалла относительно системы координат ли-
ста, в качестве осей которой выбираются направление прокатки (НП), поперечное направление (ПН) и нормальное к плоскости листа направление (НН) [10]. Для поликристаллов с гексагональной решеткой таких ИХТ пять, и они могут быть рассчитаны из данных рентгенодифракто-метрического анализа распределения полюсов [0001] на сфере проекций, т.е. из полюсной фигуры (ПФ){0002} [11]:
П2 2п
I¡ J J sin" a cos" в i(ooo2) (а, в) da dp, (1)
o o
где I¡ — ИХТ; а и в — азимутальный и меридианный углы оси [0001] гексагонального кристалла относительно плоскости листа, 3 =
1 рл/2 р2п
= — J J P(ooo2)(a, р) sin adadp обеспечивает
нормировку полюсной плотности ПФ в уровнях средней полюсной плотности.
В представлении текстуры при помощи ИХТ анизотропия свойств 4 тензорной размерности, например, модуля Юнга в плоскости текстурован-ных листов, описываются формулами:
E(ф) = + 2 (ф) + 4 (ф) , (2)
здесь
V2 (ф) = Iicos4 ф + I2 sin4 ф + i( + I2)sin2 2ф; (3) у4(ф) = I6 cos4 ф + I4 sin4 ф + 1.5I5 sin2 2ф; (4)
K1 = 2 (s13 - s11 + 2 S44) ; K 2 = (s33 + s11 - 2s13 - s44 ),
где sk — монокристальные характеристики свойства (константы податливости), угол ф отсчиты-вается от НП.
Анизотропия свойств второй тензорной размерности рассчитывается как
дФ) = dp+(d2M) - d1M)) у 2(9), (5)
где d1M), d(M — константы, которые можно считать эффективными компонента тензора свойства гексагонального монокристалла, угол ф, как и ранее, отсчитывается от НП.
В работе [12] показано, что монокристальные характеристики свойства второй тензорной размерности гексагонального монокристалла могут быть найдены непосредственно по данным изме-
рений свойства в текстурованном листе по формулам:
d(M M =■
D (0°) (1 + /2)-D (90°) I,
d(MM =
1+12 - Ii D(90°)(1 -1,) + D(0°)I
(6)
1 + I2 - Ii
где D(0°) и D(90°) — значения свойства в НП и ПН, соответственно.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом для исследований служили листы сплава AZ31 толщиной 1 мм после горячей прокатки и последующего отжига при температуре 320°C в течение часа.
Листы разрезали на образцы размерами в плане 95 х 95 мм, которые подвергали деформации знакопеременным изгибом в НП-0.5, 1, 3, 5.5, 11 циклами на роликах диаметром 50 мм.
Установка для изгиба обеспечивала равномерную деформацию по всей длине образца [13]. 0.5 цикла деформирования включает изгиб в одну сторону и возвращение образца в выпрямленное состояние, а один полный цикл состоит из двух изгибов в противоположные стороны с последующим выпрямлением. Таким образом, противоположные стороны листов в процессе ЗИ деформировались попеременно сжатием и растяжением. Из полученных карт вырезали прямоугольные образцы размером 90 х 20 мм под различными углами к НП, через каждые 15°, а также дискообразные — для рентгенодифрактометриче-ских исследований текстуры. Кривые полюсной плотности {0002} снимали в CuZa-излучении на дифрактометре ДРОН-3М. ПФ и их анализ для исходных листов сплава и после деформации различным числом циклов ЗИ приведены в [9].
Механические испытания проводили для разных направлений в листах на образцах стандартной формы на разрывной машине "Zwick Z100 (100 кН)", точность результатов которой при испытании на растяжение фирма изготовитель гарантирует не ниже 0.5%. Длина рабочей части образцов — 30, ширина — 12.5 мм, средняя площадь поперечного сечения — 12.64 мм2, максимальная нагрузка растяжением составляла — 3.267 кН. Значения характеристик механических свойств определяли усреднением по результатам испытаний трех образцов для каждого направления.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены кривые растяжения образцов в исходном недеформированном состоянии и
после деформации ЗИ различным числом циклов в главных направлениях листов сплава АZ31: в НП, ПН и диагональном направлении НП ± 45°.
Из кривых следует, что напряжения исходных и деформированных ЗИ листов в ПН выше, чем в НП. Упругая область достаточно протяженная. Деформация 0.5 цикла ЗИ существенно изменяет вид кривых растяжения листов. Упругая часть кривой в НП сокращается и соответственно для этого направления уменьшается предел текучести. Деформация 1 циклом ЗИ приводит к появлению перегиба на кривой растяжения в НП в области напряжений 80—100 МПа, который переходит в площадку текучести после деформации 3 циклами ЗИ. Существенно понижаются и точки, соответствующие пределу текучести. Кривые растяжения в НП после деформации 5.5 и 11 циклами ЗИ выглядят конгруэнтными линиями. Площадка текучести, наблюдаемая при деформациях 1 и 3 циклами в области напряжений 80—100 МПа, исчезает. Кривые, соответствующие этой области, становятся более крутыми, особенно в ПН.
В табл. 1 приведены значения характеристик прочности и пластичности в главных направлениях листов сплава AZ31 в исходном состоянии и после деформации различным числом циклов ЗИ.
Из табл. 1 следует, что деформация листов сплава АZ31 периодическим сжатием и растяжением при знакопеременном изгибе существенно изменяет механические свойства листов.
Предел текучести в НП уже после деформации 1 циклом ЗИ уменьшается на 43.5%, относительно исходного состояния, сохраняет свое значение
0 2 4 6 8
I_I_I_I_I
02460
0246
I_I_I_I
0 2 4 6
I_I_I_
024 Деформация, %
Рис. 1. Кривые растяжения листов сплава AZ31 в НП (—), ПН (---) и НП ± 45° (......) в 1 — исходном состоянии и после деформации: 2 — 0.5; 3 — 1; 4 — 3; 5 — 5.5; 6 — 11 циклами знакопеременного изгиба.
при дальнейшей деформации 3 циклами, а затем растет на 41.8% при деформации 5.5 циклами и далее до деформации 11 циклами практически не
Таблица 1. Значения механических свойств листов сплава AZ31 в исходном (недеформированном) состоянии и после деформации различным числом циклов знакопеременного изгиба
Значения механических свойств
Число циклов ЗИ Угол с НП, град предел текучести, ст0 2, МПа предел прочности, ств, МПа равномерное относительное удлинение, 8Р, % относительное удлинение, 8, %
0 0 90 170 200 260 268 18.9 15.6 27.8 25.6
0.5 0 90 45 117 196 169 261 271 265 18.2 14.4 16.6 26.1 24.7 26.2
1 0 90 45 96 202 161 260 275 265 17.6 13.8 15.6 24.3 24.0 25.1
3 0 90 45 96 214 154 260 284 272 16.4 12.8 14.9 21.5 22.0 23.4
5.5 0 90 45 165 197 179 259 267 260 18.0 15.0 17.5 24.8 24.9 27.5
11 0 90 45 164 198 180 258 269 263 18.8 15.6 17.3 26.8 25.6 27.0
75
220 200 180160 140 120100 80 100 120 140 160 180 200 220 Предел текучести, МПа
НП ^
■л-"—-;5___ 15 Ч&-
30 -^¿^С^—с
45 \
280 275 270 265 260 255 250 255 260 265 270 275 280
Предел прочности, МПа
М
75
15
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.