Локализация и устойчивость деформации в температурно-скоростных режимах динамической сверхпластичности

Требования резкого увеличения темпов развития экономики на основе научно-технического прогресса и интенсификации народного хозяйства, повышения его эффективности и качества всех видов выпускаемой продукции ставят задачи создания и внедрения технологических процессов и оборудования, которые в состоянии обеспечить качественный скачок не только уровня конечной продукции, но и способов ее производства. При этом упор делается на ресурсосберегающие технологии, с использованием которых можно достичь значительной экономии материальных, энергетических и трудовых затрат по сравнению с традиционными методами при высоком качестве продукции.

Научно-технический прогресс любой отрасли определяется не только технологией производства, но и применяемыми материалами. Важнейшую роль в машиностроении играют металлические материалы, определяющее значение которых сохранится, очевидно, на длительный период времени. Использование интенсивных методов металлургического и заготовительного производств позволит наиболее эффективно внедрить ресурсосберегающие процессы, чтобы максимально приблизить используемые в дальнейшем изделия и заготовки по массе, форме и качеству к готовым деталям узлов и машин. Одним из путей решения этой задачи является внедрение малоотходных технологических процессов, в частности, обработки давлением. Успехи таких способов, достигнутые в последние годы, опираются, главным образом, на совершенствование традиционных теории и практики обработки металлов давлением, созданием новых видов высокопроизводительного, высокомощного, универсального технологического оборудования.

Из новейших достижений в изучении поведения металлов и сплавов при деформировании, использующих результаты исследований в металловедении, физике металлов, механике сплошных сред и обработке давлением, достаточно перспективной считается практическая реализация эффекта сверхпластичности.

Явление сверхпластичности можно считать научной и технологической новинкой по той причине, что лишь в 60-х годах XX в. проблема была сформулирована и начаты систематические исследования не только по выяснению микромеханизмов, но и в области промышленного использования.

Внешняя сторона эффекта сверхпластичности проявляется в виде аномального квазиоднородного удлинения (до нескольких сотен и даже тысяч процентов) при малых значениях напряжений пластического течения. Изучение физических аспектов подобной аномалии показало перераспределение известных форм массопереноса в сторону превалирования механизма зернограничного проскальзывания. Реализации указанного механизма способствует формирование равноосной ультрамелкозернистой структуры, которое может осуществляться на предварительном этапе или в процессе нагрева и деформации. Первому случаю отвечает структурная или микрозеренная сверхпластичность, второму — динамическая.

Наибольшее количество исследований посвящено структурной сверхпластичности. В то же время известно, что многие металлические материалы в состоянии поставки проявляют сверхпластические свойства. Получение ультрамелкого зерна и, следовательно, осуществление механизма зернограничного проскальзывания обусловлены грамотным подбором температурно-скоростных условий.

Анализ развития сверхпластичности указывает на интерес, с.

• одной стороны, к материаловедческой и металлофизической части проблемы, а с другой — к технологической. При этом вне рассмотрения исследователей оказалась механическая сторона эффекта. Для структурной сверхпластичности появилось упрощенное механическое толкование в рамках экспериментально обнаруженной высокой скоростной чувствительности напряжения пластического течения. Уравнение состояния, предложенное в форме степенной зависимости между напряжением и скоростью деформации, оказывается непригодным для описания опытных данных. Исходя из указанного уравнения, появилась и стала распространенной оценка макроусловий осуществления сверхпластичности по величине коэффициента скоростной чувствительности, вызывающая законные возражения [1,2].

Попытки трансформировать критериальность сверхпластичности микрозеренного типа на динамическую считаются [2] неприемлемыми из-за существенных различий в природе возникновения эффекта. Дело в том, что динамической сверхпластичности предшествует иерархия структурных состояний материала. Совершенно неисследованной остается реакция механического поведения на сильные структурные флуктуации, сопутствующие возникновению сверхпластичности и обусловленные меняющимся термомеханическими условиями. Это, в частности, означает, что динамическая сверхпластичность не может изучаться вне связи с историей деформации.

Экспериментальное изучение закономерностей деформации в широких температурно-скоростных диапазонах методами механики деформируемого твердого тела позволяет выявить особенности проявления сверхпластичности динамического типа. При таком подходе, требующем наличия основательных опытных данных, сверхпластичность определяется [2] как особое состояние деформируемого материала в меняющихся термических и кинематических условиях.

Строгую постановку и решение возникающих при этом теоретических и практических проблем нельзя считать окончательно сформулированными. В [2] приведены данные, позволяющие.

• продвинуться в понимании и использовании сверхпластичности ряда промышленных алюминиевых сплавов, структура которых специально не готовится. Результаты представленных исследований имеют не только фундаментальное значение, но и служат основанием при выдаче обоснованных технологических рекомендаций для процессов обработки металлов давлением с целью изготовления конечного продуктаполуфабрикатов с ультрамелкозернистой структурой.

Известно, что особое внимание при описании и моделировании процессов формоизменения уделяется изучению очага деформации. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал о развитии в нем сложных физических явлений, влияющих на ход течения металла. Это, прежде всего, интереснейший эффект локализации деформации, обуславливающий определенное строение реального очага, сильно меняющий сопротивление деформированию и степень заполнения гравюр штампов, точность, структуру и, в конечном счете, свойства изделий и их качество [3].

Изучение явления локализации деформации в настоящее время весьма важно с точки зрения теории и технологических приложений сверхпластичности. Создание представлений о закономерностях развития больших и сверхпластических деформаций крайне необходимо для более полного и точного суждения об их природе и скрытых возможностях.

В связи со сказанным задачу о локализации деформации в изотермических условиях для одноосной ситуации предложено рассматривать как первый этап в исследовании очага пластической деформации с выделением области сверхпластичности. Последнюю необходимо установить для построения оптимальной функции.

• управления технологическими процессами объемного формоизменения в зависимости от их конечной цели.

Несмотря на давность установления феномена локализации [4],.

• вопрос о механизмах ее формирования является во многих аспектах дискуссионным и не может считаться окончательно решенным. Сама терминология говорит о тенденции рассмотрения его, по словам A.A. Преснякова, как досадной случайности, не имеющей описания в известных теориях пластичности: «потеря устойчивости деформирования», «местная деформация» и т. д.

Локализация пластической деформации при растяжении воспринимается зачастую как потеря устойчивости пластического течения металла. Однако анализ экспериментов [5] показал, что именно непрерывная локализация является физической основой пластичности. Способность к формоизменению есть способность к локализации деформации. В соответствии со сказанным предложено [3] рассматривать процесс как макроскопический, характерной особенностью которого является спонтанное появление и замораживание многочисленных «бегающих» шеек, а затем при.

• увеличении локально деформированного объема — устойчивой шейки, когда начинается монотонное уменьшение величины последнего вплоть до разрушения [6]. Поэтому в дальнейшем, считая, что при равномерной деформации течение металла происходит путем возникновения и замораживания «бегающих» шеек, потерю устойчивости, выражающуюся в образовании четко выраженной шейки, будем.

Ч связывать с термином «устойчивая локализация».

Постановка задачи об устойчивости деформации вязкопластического тела принадлежит A.A. Ильюшину [7], который изучил близкие течения по отношению к плоскому равномерному деформированию полосы и плоскому деформированию цилиндра, сделав при этом выводы об устойчивости этих процессов.

• А. Ю. Ишлинский [8] сформулировал задачу об устойчивости пластического растяжения круглого стержня из вязкопластического материала, полагая, что максимальное касательное напряжение связано единой кривой с максимальной скорость сдвига.

Г. Д. Дель [9] распространил решение задачи [7], [8] на деформацию в условиях сверхпластичности. В момент начала локализации зависимость между вариациями интенсивности напряжений и интенсивности скоростей деформации принята линейной, что, вообще говоря, не имеет места для сверхпластичных материалов. Кроме того, при анализе процесса использована модель течения нелинейно-вязкого материала [10], пригодность которой требует обоснования.

Потеря устойчивости в [7.9] трактуется как нарушение равномерности пластического деформирования, выражающееся в появлении местного утонения в виде шейки.

Задачу о локализации деформаций и устойчивости в температурно-скоростных режимах динамической сверхпластичности будем рассматривать в контексте общей проблемы локализации деформации [1]. Как утверждается в [1], большие пластические деформации отличает существенная неравномерность течения, которая проявляется как развитие значительных локальных деформаций. Собственно поэтому в известном определении [2] понятия эффекта сверхпластичности подчеркивается способность металлических материалов именно равномерно деформироваться с высокой скоростной чувствительностью, хотя условия проведения эксперимента при этом не оговариваются. Последнее утверждение, по-видимому, пригодно только для структурной сверхпластичности и связано с оценкой эффекта по величине коэффициента скоростной чувствительности. Использование указанного коэффициента позволяет только объяснить причину равномерности сверхпластического течения [3] без формулировки критериальности. При этом не находит объяснения такой феномен сверхпластичности как «бегающая» шейка.

В настоящем исследовании ставится задача об устойчивости стержня в процессе изотермического сверхпластического растяжения. Естественен при этом отказ от линеаризации, предложенный в [9]. Стержень выполнен из материала с неподготовленной структурой (динамическая сверхпластичность). Предмет исследования.

Изучение локализации деформации и устойчивости в температурно-скоростных режимах динамической сверхпластичности.

Целью работы является выявление закономерностей реализации устойчивой сверхпластической деформации при одноосном растяжении алюминиевых сплавов с неподготовленной структурой. Для достижения этой цели поставлены задачи: •обосновать выбор критерия устойчивости с позиций механики деформируемого твердого тела;

•получить на основе модельных представлений аналитическое решение задачи об устойчивости одноосного растяжения при динамической сверхпластичности;

•осуществить численное исследование процесса локализации деформации на группе промышленных алюминиевых сплавов, проявляющих сверхпластические свойства при одноосном растяжении (деформированные сплавы АМг5, 1561 (АМг61), Д18Т и АК8);

•объяснить феномен «бегающей» шейки в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования. Методы исследований.

Теоретическое исследование осуществлено с привлечением уравнений механики деформируемого твердого тела, которые с использованием соответствующих модельных представлений пригодны для анализа процессов как сверхпластичности, так и пограничных областей термопластичности и высокотемпературной ползучести.

Численная реализация решения проведена с помощью программного пакета Mathcad 2001 Professional.

Научная новизна.

1. Усовершенствована модель связи между напряжениями, температурой и кинематическими переменными для однородной осевой высокотемпературной деформации промышленных алюминиевых сплавов, включая диапазоны сверхпластичности.

2. Сформулирована изотермическая задача исследования устойчивости одноосного сверхпластического растяжения цилиндрического стержня, выполненного из алюминиевого сплава без предварительной подготовки структуры. В рамках системы исходных соотношений установлена нелинейная связь между приращениями интенсивности напряжений и скоростей деформаций в момент начала локализации.

3. Записано основное дифференциальное уравнение задачи в форме зависимости вариаций осевой и радиальной скоростей перемещений от координат. Предложен метод интегрирования указанного уравнения, частное решение которого получено в цилиндрических функциях.

4. В качестве условия устойчивости деформации выбран критерий A.A. Ильюшина, заключающийся в неотрицательности вариации скорости радиального перемещения на поверхности стержня. Проведен численный анализ критерия устойчивости, который показал возможность отслеживать устойчивые локализации («бегающие» шейки) через параметр, названный критическим параметром протяженности шейки.

5. В соответствие экспериментальным данным для промышленных алюминиевых сплавов показано, что феномен «бегающей» шейки не реализуется, если хотя бы одна из характеристик, отвечающих за сверхпластичность — температура или скорость деформации — выведены за интервалы проявления эффекта.

Практическая ценность.

Полученные результаты являются основой для прогнозирования нарушения равномерности пластического течения в условиях однородной осевой высокотемпературной деформации, включая сверхпластичность, и позволяют контролировать явление «бегающей» шейки. Последнее особенно важно для приложений в технологических процессах объемного формоизменения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Макрокинетически обоснованная связь между напряжениями, температурой и кинематическими переменными для однородной осевой деформации промышленных алюминиевых сплавов, включая диапазоны сверхпластичности.

2. Изотермическая задача исследования устойчивости одноосного растяжения цилиндрического стержня в температурно-скоростных режимах сверхпластичности промышленных алюминиевых сплавов.

3. Основное дифференциальное уравнение задачи и метод его интегрирования.

4. Результаты численного анализа выбранного критерия устойчивости, позволившие выделить ответственный за локализацию параметр протяженности шейки и контролировать посредством последнего нарушение равномерности пластического течения.

5. Особенности реализации феномена локализации при высокотемпературной деформации в широком интервале скоростей.

Апробация.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Современные технологии в образовании, науке и культуре: факт адаптации и внедрения» (г.Бишкек, 23−25 мая 2001 г.) — Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2001) (г.Новосибирск, 11−13 декабря.

2001 г.) — ХХХ-ой Международной летней школе «Advanced Problems in Mechanics» (APM-2002) (г. Санкт-Петербург (Репино), 27 июня-6 июля.

2002 г.) — XIV-ом Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем» (г.Москва (Звенигород), 18−24 мая 2003 г.) — XXXI-ой Международной летней школе «Advanced Problems in Mechanics» (APM-2003) (г. Санкт-Петербург (Репино), 22 июня-2 июля.

2003 г.) — ХХХП-ой Международной летней школе «Advanced Problems in Mechanics» (APM-2004) (г. Санкт-Петербург (Репино), 24 июня-1 июля 2004 г.) — V-ой Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (АКТ-2004) (г. Воронеж, 22−24 сентября 2004 г.) — Международном научно-техническом симпозиуме «Образование через науку» (г. Бишкек, 7−9 октября 2004 г.) — Федеральной итоговой научно-технической конференции всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по техническим наукам (г.Москва, 13−18 декабря 2004 г.) — на семинарах кафедры механики Кыргызско-Российского Славянского университета (г. Бишкек).

Публикации.

Результаты работы опубликованы в 11 научных работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 132 страницы, включая 20 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 87 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. При анализе модели, представляющей связь между напряжениями, температурой и кинематическими характеристиками, энергетическую функцию состояния предложено рассматривать как потенциал катастрофы сборки. Уравнение состояния получено минимизацией потенциала и дополнено кинетическими уравнениями для управляющего параметра и внутренних параметров состояния. Указанные соотношения пригодны для математического описания конкретных закономерностей деформирования алюминиевых сплавов при наличии явного выражения функции чувствительности к структурным превращениям, требования к которой сформулированы.

2. В рамках теории упругопластических процессов малой кривизны с учетом предложенного уравнения состояния математически сформулирована и решена задача об устойчивости одноосного растяжения при динамической сверхпластичности. В качестве критерия устойчивости используется условие A.A. Ильюшина как наиболее обоснованное с точки зрения механики деформируемого твердого тела.

3. Численная реализация решения задачи проведена на группе промышленных алюминиевых сплавов, проявляющих сверхпластические свойства при одноосном растяжении, -деформированные сплавы АМг5, 1561 (АМг61), Д18Т и АК8.

Выбранный критерий устойчивости с привлечением модельных представлений позволяет контролировать процесс локализации в стержне через параметр, названный критическим параметром протяженности шейки.

4. Подтвержден экспериментально установленный результат о возникновении «бегающей» шейки в режимах сверхпластичности. Указанный феномен при растяжении не реализуется, если хотя бы одна из определяющих сверхпластическую деформацию характеристиктемпература или скорость деформации — выведены из диапазонов проявления эффекта.

5. Показано, что потеря устойчивости, выражающаяся в образовании четко выраженной шейки — процесс образования и развития устойчивой локализации — не может считаться фактором, способствующим равномерному течению с высокими степенями деформации.

6. Реализована возможность прогнозирования нарушения равномерности пластического течения в условиях однородной осевой высокотемпературной деформации, включая сверхпластичность.