УДК 620.178.15
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ОТДЕЛЬНЫХ
СЛОЕВ ДЕФОРМИРОВАННЫХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ
Д.А. Коновалов, И.А. Голубкова, C.B. Смирнов
Показана возможность определения методами кинетической твердости предела текучести и диаграммы деформационного упрочнения в отдельных слоях многослойного композиционного материала, полученного сваркой взрывом, и после его деформирования прокаткой.
Ключевые слова: кинетическое индентирование, слоистый металлический композит, диаграмма деформационного упрочнения, предел текучести.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили слоистые металлические композиционные материалы. Значительная технико-экономическая эффективность их использования обусловлена тем, что, во-первых, за счет определенного сочетания различных металлов и сплавов в композите удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые материалы; во-вторых, изготовление изделий с разными по сечению механическими и физическими свойствами позволяет одновременно уменьшить расход дорогостоящих легированных сталей и цветных металлов за счет их использования в композиции с более дешевыми углеродистыми сталями. При формировании требуемого комплекса эксплуатационных свойств важным является не только уровень прочностных свойств для композиции в целом, но и их распределение по отдельным слоям. При изготовлении многослойных композитов методом совместной прокатки происходит неодинаковое изменение механических свойств за счет разной способности к деформационному упрочнению и формирования неоднородного поля остаточных напряжений, которые могут увеличивать предел текучести, если они сжимающие, и уменьшать его, если растягивающие.
Далеко не всегда можно оценить изменение этих свойств, исходя из теоретических представлений, так как в силу случайного характера в различии свойств исходных листов до прокатки, а также отклонений в реализации технологического цикла прокатки, прочность слоев может также изменяться в определенном диапазоне. Кроме того, при формировании многослойной заготовки методом сварки взрывом экспериментально наблюдается эффект, когда прочность композита становится выше прочности наиболее прочной компоненты [1, 2]. Контроль прочностных свойств отдельных слоев слоистого композита, особенно подвергнутого пластическому деформированию, является сложной задачей.
Перспективным является использование методов контроля, основанных на измерении физических свойств, например, магнитных, однако
Дмитрий Анатольевич Коновалов, канд. техн. наук, научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-96. E-mail: konovaIov@imach.uran.ru
Ирина Андреевна Голубкова, младший научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-96. E-mail: irincha@imach.uran.ru
Сергей Витальевич Смирнов, доктор техн. наук, заведующий лабораторией Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-71, 374-40-76. E-mail: svs@imach.uran.ru
принципиальная возможность этого показана пока только для случая пакетной прокатки, но не рассматривался случай деформирования композиции, изготовленной методом сварки взрывом [3].
В предыдущих работах авторами была разработана, апробирована и адаптирована методика, позволяющая получать кривую деформационного упрочнения по результатам испытаний на вдавливание трех конических инденторов с разными углами конусности с помощью портативного твердомера [4]. Методика кинетического индентирования позволяет определять локальные механические свойства, что является важным преимуществом при исследовании композиционных материалов, когда их разборка на отдельные компоненты невозможна или нежелательна. В данной статье показана возможность определения с помощью разработанной методики предела текучести в отдельных слоях многослойного композиционного материала, полученного сваркой взрывом, и после его деформирования прокаткой.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для получения композитов использовали нержавеющую сталь аусте-нитного класса 12Х18Н10Т, углеродистую сталь 20 в виде горячекатаного листа и медь марки М1. Выбор данных модельных материалов обусловлен широким применением их в промышленности. В качестве основного слоя композита применяется сталь 20, в качестве плакирующих — коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т и электротехническая медь М1. Наличие двухсторонней плакировки превращает композит в высокопрочную нержавеющую или коррозионностойкую стали. С помощью сварки взрывом (взрывное плакирование) [5], проведенной в ООО "Уралтехнопроект" (г. Екатеринбург), были получены пластины трехслойных композитов "12Х18Н10Т+сталь20+12Х18Н10Т" и "М1+сталь20+М1" (см. табл. 1). В результате сварки взрывом образовались неразъемные сварные соединения, граница которых имеет характерное "волнообразное строение" и узкую диффузионную зону на границе сварного шва, дополнительная пластическая деформация не меняет сформированного при сварке взрывом характера распределения химических элементов композита в зоне сварного шва [6, 7].
Таблица 1
Состав и толщина слоев композита
Комбинация материалов по слоям композита Толщина композита и его слоев (в скобках)
До сварки взрывом, мм После сварки взрывом, мм После прокатки, мм
12Х18Н10Т+сталь20+12Х18Н10Т М1+сталь20+М1 9(2+5+2) 6(2+2+2) 8,35(1,73+4,71+1,91) 5,7(1,83+1,96+1,91) 4,1(0,7+2,5+0,8) 2,9(0,75+1,15+1)
Из пластин были вырезаны заготовки для последующей прокатки размерами 8,35x35x110 мм. Прокатка была проведена* при комнатной температуре на лабораторном прокатном стане с диаметром валков 255 мм со скоростью 0,2 м/с. Величина относительного изменения площади поперечного сечения композита при прокатке (относительное обжатие) составляла 50 %. Прокатку композита "12Х18Н10Т+сталь20+12Х18Н10Т" осуще-
* Прокатка осуществлена старшим научным сотрудником, канд. техн. наук Е.А. Ко-ковихиным на стане дуо-кватро 250 в ЦКП ИМАШ УрО РАН.
ствляли за 25 проходов, композита "М1+сталь20+М1" — за 6 проходов, что было обусловлено ограничениями по предельной нагрузке на валки прокатного стана. Для определения особенностей изменения прочности материалов в составе композита по сравнению с прокаткой однослойного металла исходные листовые заготовки сталей 20, 12Х18Н10Т и меди М1 прокатывались также при суммарном обжатии 50 %.
Микротвердость по Виккерсу определяли на приборе Leica VMHT AUTO. Для проведения кинетического индентирования использовали портативный прибор ТЕСТ—МИНИ—(УТ) в режиме статического на-гружения. Принцип работы твердомера, оснащенного датчиками изменения нагрузки и перемещения индентора при испытаниях, состоит в непрерывной регистрации процесса вдавливания индентора в виде диаграммы "нагрузка на индентор Р — глубина внедрения h" на трех стадиях процесса: активного нагружения, выдержки под нагрузкой, разгрузки. Диапазон измерения нагрузки: 1—140 Н; глубины отпечатка: 1—200 мкм.
Для восстановления кривой деформационного упрочнения по результатам кинетического индентирования использовали методику [4]. При этом предполагали, что диаграмма деформационного упрочнения может быть описана аналитически в виде трехпараметрической степенной зависимости
G = °т(1 + a^2, (1)
где GT — предел текучести; a1, a2 — коэффициенты; £ — степень пластической деформации.
Участок нагружения при вдавливании пирамидальных и конических инденторов описывали параболической зависимостью [8—10]
P = ch2, (2)
где коэффициент c зависит от угла индентора и упругопластических свойств материала, в который вдавливается индентор, и не зависит от глубины вдавливания.
Для определения связи коэффициента c с эмпирическими коэффициентами в (1) многократно моделировали методом конечных элементов внедрение конического индентора с заданными углами а в упругопласти-ческую среду для множества значений параметров gt, a1, a2. При моделировании принимали, что деформируемый материал представляет собой упругопластическую изотропную, изотропно-упрочняющуюся сплошную среду. Упругие деформации удовлетворяют закону Гука, пластические подчиняются ассоциированному закону пластического течения с функцией нагружения Мизеса. Индентор представляли как абсолютно жесткое тело. На поверхности среды, контактирующей с индентором, задавали закон трения Прандтля—Ильюшина [11], который объединяет законы трения Амонтона—Кулона и Зибеля. Коэффициенты трения в последних задали соответственно равными 0,1 по данным [8] и 0,4 по данным [12].
Аналитическую зависимость коэффициента c от параметров gt, a1, a2 искали в виде
c¡ = E^aia^, i = 1, 2, 3, (3)
где Е — модуль Юнга; индекс i определяет значения коэффициентов для соответствующего угла конуса. Поскольку уравнение (3) нелинейно, то его решение находили методом подбора.
В экспериментах по вдавливанию использовали пирамидальные алмазные инденторы с углами между гранями 90, 120 и 136°. Результаты ус-
редняли по пяти испытаниям каждым индентором. Поскольку методика [4] предполагает использование конических инденторов, то для пирамидальных были найдены, как это обычно принято [8, 9], эквивалентные конические инденторы из условия равенства площади проекции: 97, 120 и 140,6° соответственно. Использование конических инденторов при моделировании позволило осуществлять решение задачи в осесимметрич-ной, а не в объемной постановке, что существенно уменьшило объем вычислений. Вдавливание осуществляли в торцевую часть слоев поперечного темплета композита. Предварительно поверхность, в которую вдавливали инденторы, полировали до зеркального блеска. Из пяти диаграмм Р, н
80
60
40
20
0
30 60 90 к, мкм
Рис. 1. Средние диаграммы вдавливания пирамидального индентора с углом между гранями 90° для стали 20:
1, 2 — до и после прокатки исходной полосы; 3, 4 — в композите до и после прокатки композита.
определяли среднюю, аппроксимировали ее ф
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.