Фазовые превращения и упругое последействие в деформированных стабильных и метастабильных листовых сталях

Получение тонкостенных изделий штамповкой из листовых сталей является одним из наиболее распространенных и перспективных способов. Проблема упругого последействия (пружинения, отдачи) при листовой штамповке, то есть некоторого восстановления исходной формы и размеров штампованного изделия после снятия внешней нагрузки, с внедрением в производство новых высокопрочных сталей, в том числе и сталей с пластичностью, наведенной фазовым превращением под нагрузкой (ПНПэффект), особенно для производства деталей ответственного назначения становится все более актуальной. Знакопеременная деформация и механическое поведение деформированных стабильных сталей и сплавов довольно хорошо описываются с помощью аналитических моделей и рассчитываются различными методами, используя в качестве входных параметров зависимость <7 = f (s), получаемую при испытании на растяжение. Правда, и в этом случае существует необходимость в дополнительной информации о деформационном упрочнении при разных схемах нагружения. Поэтому обычно вводят ограничение об адекватности модели в области равномерной деформации.

Для моделирования механического поведения метастабильных по отношению к фазовым превращениям сталей либо при резко немонотонном характере диаграммы деформации сталей требуются более жесткие ограничения и более точные данные об изменении фазового состава и свойств материала при нагружении. В предложенных моделях расчета течения металла и анизотропии деформации листовых метастабильных сталей при монотонном нагружении [1] была введена поправка, учитывающая объемный эффект в результате фазовых превращений при деформации. Авторами было показано, что даже небольшое изменение объема за счет дополнительного образования -10% мартенсита при деформации метастабильного аустенита приводит к существенному различию в получаемых ¦ оценках. Кроме того, явно немонотонное изменение характеристик метастабильного материала под нагрузкой, сильно зависящее от схемы напряженного состояния, вызывает необходимость комплексного исследования процессов, происходящих в деформируемом материале, прямых измерений деформации и напряжений. Кроме того, необходим учет эффекта Баушингера при знакопеременном нагружении и анизотропии пластического течения материала для более точного предсказания конечной формы деформированного изделия. Для прогнозирования упругого последействия требуется выбор представительного способа испытания и согласование расчетных моделей с прямыми экспериментальными измерениями.

Целью настоящей диссертационной работы было исследование фазовых превращений и релаксации напряжений при тестовых испытаниях на штампуемость и упругое последействие в различно деформированных стабильных и метастабильных листовых сталях, оценка механической стабильности их структуры и свойств, разработка математической модели тестового испытания, учитывающей влияние эффекта Баушингера и протекание фазовых превращений под нагрузкой.

Основными задачами, поставленными для достижения поставленных целей, являлись:

1. Анализ существующих математических моделей, описывающих процессы деформации листа и его упругую отдачу;

2. Исследование процесса деформации стабильных и метастабильных сталей при тестовых испытаниях;

3. Определение закономерностей изменения структуры и свойств материала- 4. Определение влияния механических свойств материала, протекания фазовых превращений под нагрузкой и релаксации напряжений на упругое последействие листа;

5. Оценка влияние схемы знакопеременного нагружения на механическое поведение материала, изменение кристаллографической текстуры и протекание фазовых превращений под нагрузкой.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• на основании экспериментальных данных установлены закономерности влияния мартенситного превращения под нагрузкой на механическое поведение метастабильных материалов для разных схем нагружения;

• разработана математическая (расчетная) модель деформационного процесса, учитывающая протекание фазовых превращений под нагрузкой и релаксацию напряжений при последеформационной выдержке.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования упругого последействия, изменения структуры и свойств стабильных и метастабильных сталей при деформации.

2. Разработанная с использованием экспериментальных данных, математическая модель тестового испытания на штампуемость и упругое последействие.

3. Рекомендации по выбору оптимальных режимов деформации метастабильных сталей для уменьшения искажения формы и размеров изделий после снятия внешних нагрузок.

Научная и практическая ценность работы:

1. Предложенная расчетная модель позволяет более точно определять упругое последействие листового материала при листовой штамповке.

2. Оценка границ применимости позволяет ограничить работоспособность аналитической модели в области равномерной пластической деформации при монотонном и знакопеременном нагружении.

3. Произведен аналитический учет влияния скорости деформирования и последеформационной выдержки на показатели механического поведения и упругого последействия материала.

4. Алгоритм аналитической модели опробован при изготовлении деталей аппаратов для полимеризации АПД-1 в ООО «Импульс-дент».

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:

• Европейский симпозиум по мартенситным превращениям ESOMAT, Бохум, Германия, 2006;

• Международная научно-техническая конференция «Университетская наука», Мариуполь, Украина, 2007 г.;

• XLIVI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Беларусь, 2007 г.;

• IV Международная научно-техническая конференция «Металлургия XXI века», Москва, Россия, 2008 г.;

• IV Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур — ПРОСТ», Москва, Россия, 2008 г.

• Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии», Витебск, Беларусь, 2009 г.;

• VIII Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.;

• X Международная научная конференция по высокоазотистым сталям «High Nitrogen Steels», Москва, Россия, 2009 г.;

• Европейский симпозиум по мартенситным превращениям ESOMAT, Прага, Чехия, 2009.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Диссертационная работа изложена на 146 страницах, содержит 46 рисунков, 15 таблиц, 4 приложения, 71 наименование библиографии. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка использованных источников и приложений.

Выводы по работе.

1. Экспериментально доказан различный характер механического поведения сталей различных структурных классов, зависимость деформационного упрочнения стали и протекания фазовых превращений под нагрузкой от хронологии знакопеременного нагружения.

2. На основании экспериментальных данных установлены закономерности влияния мартенситного превращения под нагрузкой на механическое поведение метастабильных материалов.

3. Эффект упругого последействия зависит от исходного структурного состояния и растет в ряду: феррит, аустенит, мартенсит. С повышением объемной доли исходного мартенсита и получением полностью мартенситного состояния в результате деформации стали увеличивается эффект упругого последействия.

4. В сталях с метастабильным аустенитом упругое последействие зависит как от количества мартенсита в исходном состоянии, так и от степени и кинетики образования мартенсита под нагрузкой. Протекание мартенситного превращения под нагрузкой не полностью и наличие в деформированной структуре остаточного аустенита приводит к уменьшению эффекта упругого последействия стали как за счет деформации, наводимой фазовым превращением, так и за счет увеличения степени релаксации напряжений при последеформационной выдержке.

5. Произведен аналитический учет влияния скорости деформирования и последеформационной выдержки на показатели механического поведения и упругого последействия материала.

6. Разработана адекватная аналитическая (расчетная) модель тестового испытания на упругое последействие, учитывающая протекание фазовых превращений под нагрузкой и релаксацию напряжений при последеформационной выдержке.

7. Для улучшения штампуемости и уменьшения эффекта упругого последействия в высокопрочных метастабильных сталях рекомендуется ограничивать содержание мартенсита в исходном состоянии, проводить последеформационную выдержку под нагрузкой для релаксации напряжений.