Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Быля, Ольга Ивановна

• Быля, Ольга Ивановна
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Быля, Ольга Ивановна

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. СТРУКТУРНАЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ

1.1. Феноменология сверхпластичности

1.2. Анализ определений явления сверхпластичности

1.3. Об условии сверхпластичности

2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

2.1. Об исследовании структурно-механических свойств

сплавов в режиме сверхпластичности

2.2. Методика экспериментального исследования процессов деформирования, близких к сверхпластичности

2.3. Влияние вида нагружения на изменение микроструктуры

2.4. Эксперименты на растяжение со скачкообразным изменением скорости деформации

2.5. О форме переходных участков на диаграммах деформирования после скачкообразного изменения скорости деформации

3. ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПРИ

ДЕФОРМИРОВАНИИ ИХ В СОСТОЯНИЯХ,

БЛИЗКИХ К СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

3.1. Некоторые сведения о титановых сплавах, использованных

в работе

3.2. Методика микроструктурных исследований

3.3. Зависимость эволюции микроструктуры от

истории термомеханического воздействия на материал

4. ВАРИАНТ ОДНОМЕРНОЙ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛА

4.1. Об определяющих соотношениях теории сверхпластичности

4.2. Формулировка модели

4.3. Численное моделирование с использованием

разработанной модели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее эффективных подходов к изготовлению ответственных деталей новой техники, в том числе ракетно-космической, является применение технологий, основанных на использовании явления сверхпластичности. Явление сверхпластичности представляет собой один из ярких примеров, демонстрирующих существенную зависимость физико-механических свойств материала от состояния его структуры. Известны два основных вида сверхпластичности - фазовая (наблюдаемая у полиморфных металлов и сплавов при деформировании их в условиях фазового превращения) и структурная (появление которой у поликристаллических материалов зависит от исходного размера зерна). Всюду в данной работе речь идёт только о структурной сверхпластичности. Известно (см., например, [31, 15, 19, 10, 36, 27, 59, 70, 66, 21, 43]), что практически любой поликристаллический материал можно привести в состояние структурной сверхпластичности, если предварительно подготовить его структуру (измельчить зёрна до величины не более 10-15 мкм) и проводить деформирование при определенных темпе-ратурно-скоростных условиях. Таким образом, структурная сверхпластичность (СП) является общим, достаточно универсальным свойством обширной группы материалов.

Характерными свойствами поликристаллических материалов в состоянии СП являются: высокая скоростная чувствительность (повышенная склонность к скоростному упрочнению); способность испытывать аномально большие деформации - до сотен и тысяч процентов - без нарушения сплошности (высокая устойчивость течения); пониженное сопротивление деформированию. Эти свойства проявляются тем сильнее, чем меньше исходный размер зерна. Специфическим для СП является также незначительное изменение структурного состояния материала в процессе сверхпластического деформирования. Перечисленные особенности СП представляют большой интерес для практики. Действительно, они позволяют в современных техноло-

гиях реализовать большие деформации в труднодеформируемых конструкционных материалах (титановых, никелевых, алюминиевых сплавов), получать прецизионные заготовки или изделия при большом коэффициенте использования материала, уменьшить потребные мощности для производства изделий, получать изделия с однородной структурой; наконец, дают возможность получать изделия с регламентированной структурой и, следовательно, с регламентированными функциональными свойствами.

Использование явления СП в технологических процессах изотермической обработки материалов давлением началось в 1964 г., а исследования феноменологии СП, структурных условий и физических механизмов сверхпластического деформирования (СПД) ведутся с начала прошлого века. Исторически сложилось так, что именно названным вопросам уделялось и уделяется основное внимание на регулярно проводимых с 1982г. международных конференциях по сверхпластичности (International Conference on Superplasticity in Advanced Materials - 1С SAM) и специализированных материаловедческих конференциях (например, по титану и его сплавам); в работе известных научных центров многих стран, в том числе в уникальном российском научном центре, проводящем комплексные исследования явления СП, - Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (г. Уфа).

Изучению физических, материаловедческих и технологических аспектов сверхпластического деформирования сплавов посвящена огромная литература (см., например, упомянутые выше монографии и обзоры, а также [40, 20, 16, 17, 81], труды международных конференций по СП ICSAM-82, IC-SAM-85 и т.д.). В последние десятилетия детально обследованы физические механизмы и особенности реализации сверхпластического деформирования на микроструктурном уровне; накоплен большой объём экспериментальных данных по феноменологии сверхпластичности, в первую очередь по скоростной и температурной чувствительности различных материалов в состоянии сверхпластичности и по максимальным значениям достигаемых при этом деформаций; разработаны уникальные технологии обработки материалов дав-

лением в состоянии сверхпластичности. Значительный вклад в развитие различных разделов названных научных направлений внесли A.A. Бочвар, Р.З. Валиев, O.A. Кайбышев, И.И. Новиков, В.Н. Перевезенцев, A.A. Пресняков,

A.И. Пшеничнюк, В.В. Рыбин, Г.А. Салищев, Ф.З. Утяшев, В.В. Астанин, Н.Г.Зарипов, Р.Я. Лутфуллин, P.M. Имаев, P.P. Мулюков, М.М. Мышляев,

B.М. Грешнов, А.Г. Ермаченко, A.C. Тихонов, М.Х. Шоршоров; W.A. Backofen, N. Chandra, С.Н. Hamilton, A.K. Ghosh, R.H. Johnson, H.J. McQueen, T.G. Langdon, A.K. Mukherjee, T.G. Nieh, K.A. Padmanabhan, N.E. Paton, N. Ridley, O.D. Sherby и др.

Механике СП (особенностям механических свойств материалов в состоянии СП, в том числе при сложном нагружении; определяющим соотношениям; постановкам краевых задач) до последнего времени уделялось гораздо меньше внимания (см., например, [12, 31, 15, 10, 36, 70, 11, 67, 43, 13, 14, 20, 26, 30, 32, 34, 37-39, 54, 55, 58, 68, 78, 86, 87] и труды упоминавшихся выше конференций 1С SAM, начиная с 90-х годов прошлого века). Этому направлению исследований посвящены работы О.М.Смирнова, O.A. Кайбыше-ва, О.В. Соснина, П.В. Трусова, E.H. Чумаченко, К.И. Романова, Я.И. Рудае-ва, В.К. Портного, М.А. Цепина, Б.В. Горева, И.А. Кийко, P.A. Васина, Ф.У. Еникеева, A.K.Ghosh, W.A. Backofen, L. Anand, N. Chandra, E.W.Hart, A.H. Chokshi, F.A. Mohamed, G.S. Murty, S. Zhou, K.A. Padmanabhan, Y.V.R.K.Prasad, и др.

Фундаментальной проблемой механики СП является построение адекватных определяющих соотношений СП и формулировка соответствующей начально-краевой задачи СП. Решение этой проблемы непосредственно связано с экспериментальным исследованием границ области СПД в соответствующем пространстве параметров процесса и формулировкой условия СП, которое (как и условие пластичности), вообще говоря, может зависеть от истории деформирования материала. Как известно, абсолютное большинство экспериментов по СП представляет собой одноосные испытания при постоянной температуре и постоянной скорости деформации (или скорости под-

вижной траверсы). Нередко они посвящены только определению «оптимальных» условий СП (то есть условий, при которых заведомо эффективно реализуется СПД), которое сводится к нахождению соответствующих диапазонов температуры и скоростей деформаций, а также ограничений на исходную микроструктуру материала. Условие СП должно входить в постановку краевой задачи и задавать область, в которой надо использовать определяющие соотношения СП; вне этой области должны использоваться другие определяющие соотношения. Такое применение условия СП, естественно, предполагает анализ ситуаций, когда возможно его невыполнение, т.е. пересечение границы области СПД (вхождение в неё извне или выход из неё) при изменении любого параметра термомеханического процесса деформирования материала. Однако вопросы о пересечении границы области СПД и об её эволюции в процессе деформирования материала слабо обследованы в экспериментах даже для одноосного случая; точнее говоря, эти вопросы не ставились и не обсуждались как принципиально важные, необходимые для развития механики СП.

Таким образом, актуальной для механики СП является задача экспериментального обследования границ области СПД в широком смысле, включая изучение поведения материала в состояниях, не удовлетворяющих «оптимальным» условиям СП. Такие состояния материала, когда при его деформировании нарушается какое-либо условие СП (например, исходная микроструктура не ультрамелкозернистая), всюду в работе условно называются состояниями, близкими к сверхпластичности. Аналогичную терминологию применяли О.В. Соснин и его коллеги (см., например, [13, 14, 38, 39]) при изучении высокотемпературной ползучести сплавов.

Обследование границ области СПД в названном широком смысле актуально и для разработки технологий обработки материалов в состоянии СП [85], поскольку расчёты таких технологических процессов обычно проводятся в предположении, что весь объём рассматриваемой заготовки находится в состоянии СП, а в реальных процессах наблюдаются отклонения от условий

«оптимальной» СП. Эти отклонения, как правило, вынужденные (микроструктура заготовки плохо подготовлена - не является ультрамелкозернистой и достаточно однородной; не удается во всём объёме обрабатываемой заготовки реализовать изотермические условия и (или) обеспечить требуемые ограничения на скорости деформаций); но иногда они создаются сознательно, -например, при высокоскоростном или низкотемпературном деформировании).

С учётом важности и актуальности рассмотренной проблемы («около-сверхпластическое» поведение материалов) в данной диссертационной работе автором на примере титановых сплавов исследованы некоторые особенности структурно-механического поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности. С этой целью была разработана методика комплексного исследования (в основном в экспериментах на растяжение) механического поведения и трансформации микроструктуры материала при высокотемпературном деформировании; проведены эксперименты на титановых сплавах с различной исходной микроструктурой при постоянных и кусочно-постоянных скоростях деформаций в условиях, близких к сверхпластичности; выявлены особенности механического поведения материалов, связанные с трансформацией микроструктуры; разработан вариант феноменологической модели сверхпластичности, позволяющий качественно правильно описывать наблюдавшиеся в экспериментах характерные особенности деформирования сплавов в режимах, близких к сверхпластичности.

Экспериментальные исследования проводились на автоматизированных аттестованных испытательных комплексах Shenk, Instron и Zwick с использованием современных средств управления экспериментом, регистрации и обработки экспериментальных данных. Методики проведения экспериментов учитывали специфические требования к реализации режимов сверхпластичности и возможности анализа микроструктуры на любых этапах нагру-жения. Теоретические расчёты температурных полей в нагревательной печи

выполнены в пакете конечно-элементного моделирования SolidWorks Cosmos.

Исследования микроструктуры проводились на микроскопах компаний Leika и Zeiss. Количественная и статистическая обработка изображений микрошлифов производилась в основном с использованием стандартных пакетов, прилагаемых к оборудованию; для анализа сложных изображений использовались собственные программы фильтрации и распознавания.

В формулировку феноменологической модели СП была включена внутренняя переменная, отражающая действие различных механизмов эволюции размеров зёрен.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) Разработана единая методика и проведены систематические экспериментальные исследования структурно-механического поведения сплавов в режимах деформирования, близких к сверхпластическим.

2) Обнаружен и исследован ранее не изучавшийся эффект дополнительного упрочнения и разупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформации большой амплитуды при деформировании, близком к сверхпластическому.

3) Показано, что для неподготовленных (крупнозернистых) микроструктур существуют такие термомеханические режимы нагружения, при которых материал может испытывать достаточно большие деформации без локализации течения при относительно низких величинах напряжений. При этом исходная микроструктура измельчается и приближается к требуемой для СПД. Выявлено, что степень и характер трансформации микроструктуры существенно зависят от вида и истории нагружения. Эти результаты могут быть использованы для оптимизации процессов высокотемпературной формовки и получения изделий с регламентированными свойствами.

4) Предложена феноменологическая модель сверхпластичности с внутренней переменной, отражающей эволюцию размеров зёрен в процессе деформирования. Данная модель позволяет качественно верно описывать

основные закономерности механического поведения материалов, наблюдаемые в проведённых экспериментах.

Тема диссертации связана с планами работ по приоритетным научным направлениям НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, в том числе на 20112015гг. «Деформирование и разрушение упругопластических материалов и конструкций», № Госрегистрации 01201152141.

Автор диссертации принимала участие в работах по грантам РФФИ (проекты № 93-01-16766, № 99-01-01032, № 02-01-00673, № 09-08-92651-ИНД, № 11-08-00961), тематика которых была связана с темой диссертации.

Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых учёных НИИ механики МГУ; Ломоносовских чтениях МГУ; международных конференциях и симпозиумах: IX Конференция по прочности и пластичности, Москва, 1996 г.; Современные проблемы механики, Москва, 1999г.; XXVIII Международное н.-т. совещание по проблемам прочности двигателей, Москва, 2002 г.; Современные проблемы математики, механики, информатики, Тула, 2005 г., 2006 г.; Advances in Manufacturing Technology of Metals and Alloys, India, Bhubaneswar, 2007 .; International workshop on Mesos-copic, Nanoscopic and Macroscopic Materials, India, Bhubaneswar, 2008 г.; Ha-учно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения, С.-Петербург, 2008 г.; IV и V Белорусских Конгрессах по теоретической и прикладной механике, 2009 и 2011 гг.;

IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, 2006 г. и

X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2011 г.

В полном объёме работа докладывалась на научно-исследовательских семинарах кафедры теории упругости (под рук. профессора И.А.Кийко), кафедры механики композитов (под рук. профессора Б.Е.Победри), кафедры теории пластичности (под рук. чл.-корр. РАН профессора Е.В.Ломакина) МГУ им. М.В.Ломоносова, а также на заседании секции «Статическая прочность и пластичность» Совета НИИ механики МГУ им. М.В.Ломоносова.

По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 14 статей, из которых 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, и 9 тезисов докладов на конференциях.

Диссертация объёмом 156 с. состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и приложений, содержащих сведения об испытанных образцах и программах экспериментов, а также некоторые таблицы экспериментальных данных.

В первой главе дается описание явления сверхпластичности (СП), приводится краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований в области процессов сверхпластического деформирования (СПД) конструкционных сплавов и обсуждаются формулировки определений СП и условий реализации СПД.

Все исследования, приведённые в диссертационной работе, относятся только к структурной СП. Специфической особенностью сверхпластичности является высокая скоростная чувствительность, наблюдаемая в процессе деформирования. Обычно она характеризуется параметром скоростной чувствительности ш, который определяется для одноосного случая как логарифмическая производная напряжения течения по скорости деформации. Считается, что при сверхпластическом течении т>0,3 ; его максимальное значение соответствует оптимальному СП течению. При оптимальных условиях СПД напряжение течения почти постоянно, а микроструктура материала практически не изменяется; такое состояние в первом приближении описывают определяющими соотношениями нелинейно вязкой жидкости. В реальных технологических процессах деформирование часто выходит за рамки оптимальной СП - происходит деформирование, близкое к сверхпластичности. Отличительной особенностью таких процессов является активное изменение микроструктуры, происходящее непосредственно в процессе деформирования. При этом определяющие соотношения приобретают довольно сложный функциональный характер.

Во второй главе описываются испытательная и измерительная техника, методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных; приводятся результаты экспериментального исследования поведения материалов в режиме СП и в состояниях, близких к СП. Все эксперименты проводились на титановых сплавах. Титановые сплавы представляют особый интерес для технологических приложений ввиду уникального сочетания относительно низкой плотности с высокой прочностью и жаропрочностью. Однако изготовление деталей из этих сплавов обычными методами не всегда возможно и использование СПД является для титановых сплавов почти единственным путём получения изделий сложной формы. Сверхпластичность различных титановых сплавов широко экспериментально исследовалась, однако большинство этих исследований посвящено либо нахождению оптимального режима СПД, либо изучению поведения материала в этом режиме, либо подготовке микроструктуры, пригодной для СПД. Работ по исследованию «околосверхпластического» деформирования, корреляции изменения микроструктуры с историей деформирования и переходным процессам при немонотонном нагружении очень мало. Данная диссертационная работа посвящена систематическому экспериментальному исследованию структурно-механического поведения материалов в режимах деформирования, близких к сверхпластичности.

Специфика деформирования в режимах сверхпластичности и близких к нему предъявляет ряд особых требований к механическим экспериментам: обеспечение остановки эксперимента в любой момент с возможностью быстрого извлечения образца из испытательной машины и его закалки для дальнейшего исследования текущего состояния микроструктуры; обеспечение равномерного поля температур в рабочей части образца; обеспечение достоверной регистрации относительного удлинения рабочей образца; обеспечение постоянной скорости деформирования; обеспечение повторяемости результатов и подтверждение независимости наблюдаемых эффектов от конкретной испытательной машины или конкретного материала.

Для оценки однородности распределения температур в рабочей части образца было проведено численное моделирование температурной задачи для разных удлинений образца и для различных захватов. Для повышения точности эксперимента и достоверности измерений экспериментально была снята кривая жёсткости установки, которая учитывалась при обработке результатов экспериментов. При исследовании начального участка деформирования использовались высокотемпературные экстензометры двух типов. Обеспечение постоянной скорости деформирования при больших деформациях осуществлялось с помощью программы, обеспечивающей аппроксимацию экспоненциальной функции кусочно-постоянной.

Эксперименты проводились на четырёх видах испытательных машинах: модифицированная АК 1958, Zwick 100 (НИИ Механики МГУ), Shenk (ИТ Madras, India), Instron (IMMT Bhubaneswar, India). Всего в работе было исследовано около 100 цилиндрических образцов из четырёх различных титановых сплавов (ВТ-6, ВТ-9, T1-6A1-4V и Ti-8.57Al-l.83V-0.14Mo) с различными микроструктурами.

Основная масса экспериментов проводилась на одноосное растяжение, однако одна серия, включающая несколько экспериментов на осадку, кручение и сложное нагружение, была проведена главным образом для оценки влияния вида нагружения на трансформацию микроструктуры. Основным результатом данного исследования стал тот факт, что трансформация микроструктуры существенно зависит от вида нагружения и наиболее эффективным для измельчения микроструктуры из исследованных является растяжение с реверсивным кручением.

В экспериментах на одноосное растяжение прежде всего исследовалось поведение материалов, деформируемых при требуемой для СП температуре и скорости деформации, но с неподготовленной (крупнозернистой) микроструктурой. Эти эксперименты показали, что даже при достаточно «плохой» исходной микроструктуре (крупных зёрнах, наличии субструктур) возможно подобрать такой режим деформирования, при котором микроструктура из-

мельчается и материал начинает проявлять особенности деформирования, характерные для СП (относительно большие деформации до разрушения, однородность течения, «бегающая» шейка). Были исследованы характерные формы поверхности разрушения у образцов с неподготовленной микроструктурой при различных режимах деформирования сплава Т1-6А1-4У.

Другой важной задачей проведённых экспериментов являлось исследование поведения материалов с различной исходной микроструктурой при скачкообразных изменениях скорости деформации со значительной амплитудой скачка (в 2,5 и в 5 раз). Главной причиной интереса к такого рода процессам является тот факт, что переходные процессы, сопровождающие скачки по скорости, наиболее ярко отражают зависимость механического поведения от истории нагружения и степени изменения микроструктуры материала. Для анализа этой зависимости сначала были проведены так называемые «базовые эксперименты» - одноосное растяжение при постоянной температуре и постоянной скорости деформирования (до разрушения либо до промежуточной точки с целью анализа микроструктуры). Испытания проводились при постоянных температурах 850°С, 900°С, 930°С и 950°С и при постоянных скоростях деформирования 10"4с_1, 2,5х10"4с~1, 5х10"4с"1. В экспериментах со скачкообразным изменением скорости деформирования эксперимент сначала вёлся с одной из «базовых» скоростей, а затем эта скорость практически мгновенно понижалась или повышалась до другой «базовой» скорости. Эти эксперименты показали, что наличие эффекта упрочнения и разупрочнения при скачках скорости деформирования не зависит ни от материала, ни от температуры испытания. Однако, чем ближе поведение материала к оптимальной СП, тем менее ярко выраженным он становится.

Особое внимание в данных экспериментах уделялось анализу формы переходных участков на кривых деформирования со скачками по скорости деформирования. В частности, показано, что при четырёх последовательно выполненных скачках со скорости кИс"1 на скорость 5х10"4с"1 на удлинениях образца 7, 13, 19 и 25мм соответственно (рабочая часть образца 30мм) на ка-

ждом последующем скачке переходный участок становится всё более крутым (материал Ть6А1-4У, температура 850°С).

Отдельно изучался вопрос о виде начального участка и характере диаграмм при циклическом нагружении до относительно малых амплитуд на-гружений с целью верификации определяющих соотношений. Измерение деформаций проводилось на базе образца с помощью высокотемпературного экстензометра. Начиная со второго цикла, имеется хорошая повторяемость диаграмм. Проведённые на сплаве Ть6А1-4У эксперименты показали, что наклоны начальных участков диаграмм при нагружении слабо зависят от ё.

На основании проведенных экспериментов на растяжение можно заключить, что, независимо от типа испытательных установок и марки испытанных титановых сплавов, установлено:

1. Имеется качественное различие переходных участков на диаграммах деформирования при скачках скорости деформации малой амплитуды (10-15 % от базовой скорости) и большой амплитуды (в несколько раз отличающейся от базовой скорости). В первом случае (широко используемом для вычисления параметра скоростной чувствительности ш) всегда происходит переход на диаграмму деформирования, отвечающую новому значению ё; во втором наблюдается «проскок» диаграммы, отвечающей новому значению ё.

2. Явление «проскока» внешне выглядит аналогично наблюдаемому в экспериментальной пластичности «нырку» на диаграмме «интенсивность напряжений - длина дуги траектории деформации» для двузвенной траектории деформации. Для упругопластического материала глубина «нырка» и характер сближения с базовой диаграммой деформирования (для простого нагру-жения) зависят главным образом от угла излома траектории деформации и слабо - от величины интенсивности деформации в точке излома. В исследованном явлении «проскока» его величина и расположение участка диаграммы деформирования после скачка относительно соответствующей базовой диаграммы зависят не только от амплитуды скачка, но и от «удаленности» состояния материала от оптимальных условий СП (по виду микроструктуры,

по температуре, по скорости деформации) и от предшествующей истории на-гружения.

3. Установлены некоторые условия, при которых не наблюдается выход диаграммы деформирования после скачка ё на базовую диаграмму.

4. Установлены конкретные факты влияния истории деформирования на величину относительного удлинения до разрыва, которые полезно учитывать при оптимизации технологических процессов СПД.

В третьей главе излагаются методики, использованные при подготовке и обработке микрошлифов и анализируются основные закономерности, обнаруженные при исследовании микроструктуры испытанных образцов. Все четыре титановых сплава имеют два устойчивых аллотропных состояния - а и /?, отличающихся строением кристаллической решетки Наиболее оптимальными эксплуатационными свойствами обладают сплавы с а + р структурой; при этом возможно несколько типов таких микроструктур, обладающих различными механическими свойствами.

Исследование микроструктуры осуществлялось по единой методике; основное внимание уделялось исследованию состояния микроструктуры на различных стадиях деформирования, а также корреляции между эволюцией микроструктуры и параметрами термомеханического процесса.

Все образцы разрезались в трёх взаимно перпендикулярных сечениях рабочей части и как минимум один шлиф делался с головки образца, где материал не подвергался деформированию. В ряде экспериментов использовался также образец-«свидетель», который выдерживался в печи при рабочей температуре без нагрузки в течение характерного времени эксперимента.

Состояние микроструктуры оценивалось по ряду геометрических характеристик микрошлифа (в том объёмной доле а-фазы; параметру неравно-осности зерен а-фазы и другим), вычисление которых для каждого типа микроструктур осуществлялось на основе представительной выборки (обычно 100-200 зёрен).

Было показано, что эффективность и качество проработки микроструктуры зависит от вида и типа нагружения.

В четвертой главе приводится описание одномерной феноменологической модели, учитывающей преобразование микроструктуры материала в процессе деформирования. Целью создания данной модели была попытка качественно описать основные закономерности поведения материалов при деформировании в режимах, близких к СПД, а также эффекты упрочнения и разупрочнения при скачкообразном изменении скорости, выявленные в проведённых экспериментах.

Чтобы учесть активное изменение микроструктуры в процессе деформирования, представительному объёму присвоена дополнительная характеристика - текущее состояние микроструктуры г|. Предполагается, что представительный объём содержит зёрна различных размеров, каждое зерно идентифицируется только одной величиной - характерным размером и известна функцияр(ф, указывающая относительный суммарный объём (У,), занимаемый зёрнами, размеры которых принадлежат диапазону ф <й<й1). Значения с1 считаются заданными в безразмерном виде. В представленной версии модели параметр г| имеет физический смысл среднего размера зерна; начальное значение г| определяется как выборочное среднее по микрошлифам, сделанным на недеформированном материале.

Так как в одном и том же объеме могут одновременно действовать несколько физических механизмов трансформации элементов микроструктуры, в каждый момент времени рассматривается текущая функция р(ф, и каждый физический закон применяется только к таким типам зерен, для которых он получен. Таким образом, для каждого диапазона размеров зерен задаётся свой дифференциальный закон изменения этих размеров. В предлагаемой математической модели трансформации микроструктуры используются три механизма изменения размеров зерен для трёх типов размеров зерен - «малых», «средних» и «крупных».

Очень медленный температурный рост глобулярных зерен малых размеров ^ < Х)5. описывается уравнением, в котором скорость роста зерна й1 есть функция только температуры. Размер Д, вплоть до которого зёрна считаются малыми, может быть определён как из физических наблюдений, так и чисто феноменологически. Для описания деформационного роста зёрен средних размеров (< с/, < Эсг) используется уравнение, в котором равна произведению функции, зависящей только от температуры, на функцию, зависящую от напряжения и величины di. Параметр модели Всг - критический размер, при достижении которого зёрна начинают измельчаться, - вообще говоря, не является константой. В работе принято, что он является функцией энергии деформации.

Модель измельчения зерен основывается на предположении, что все зёрна, размеры которых оказываются равными или превышающими критический размер, подвергаются измельчению, в результате чего появляются зерна малого и среднего размеров. Процедура расчета поправки функции р(ф в результате измельчения зёрен на каждом шаге по времени выглядит следующим образом: для текущего значения £>6Г вычисляется суммарный относительный объём зерен, размеры которых превышают критический; полагается, что некоторая доля этих зерен становится малыми, а остальные - средними по размерам зернами. В используемом варианте модели для простоты принимается, что все вновь образовавшиеся в результате измельчения на шаге М малые зерна принимают размер а средние зерна - размер, равный значению параметра микроструктуры на предыдущем шаге.

Феноменологическая модель механического поведения материала при таком деформировании принимается в одномерном случае в виде структурной модели, состоящей из двух последовательно соединенных элементов -вязкоупругого и «сверхпластического».

Вязкоупругий элемент Максвелла модифицирован для учета температуры. В качестве СП элемента взята модель, в которой скорость СП деформации

равна произведению функции, зависящей от напряжения и величины г|, на функцию, зависящую от температуры.

Численное моделирование по предложенным определяющим соотношениям показало, что основные эффекты, наблюдаемые в экспериментах, описываются качественно верно. В зависимости от температуры, скорости деформации и начальной микроструктуры могут быть получены диаграммы с упрочнением, «полочкой» (почти постоянным напряжением) и разупрочнением. При скачкообразном изменении скорости деформирования в зависимости от исходной микроструктуры и условий нагружения также могут быть получены виды диаграмм, которые наблюдались в экспериментах.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Быля, Ольга Ивановна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика и впервые проведены систематические экспериментальные исследования особенностей структурно-механического поведения сплавов в режимах, близких к сверхпластичности.

2. Показано, что для сплавов с исходной крупнозернистой структурой возможен выход в режим деформирования, близкий к сверхпластическому. При этом проработка микроструктуры зависит от вида нагружения; сложное, а также немонотонное нагружение могут быть существенно более эффективными для этой цели.

3. Установлен и исследован эффект дополнительного упрочнения -разупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформации в режимах, близких к СПД.

4. Предложена скалярная феноменологическая модель с внутренней переменной, отражающей трансформацию микроструктуры, качественно правильно описывающая процессы деформирования, близкие к СПД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Быля, Ольга Ивановна, 2012 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахметгалеев А.Ф., Быля О.И., Чистяков П.В. Эффекты вязкоупругого поведения материалов в режиме сверхпластичности. - Механика деформируемого твердого тела. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского, 2011. Т4 (4), с. 1855-1856.

2. Бхаттачария С.С., Быля О.И., Васин P.A., Падманабхан К.А. Механическое поведение титанового сплава Ti-6A1-4V с неподготовленной микроструктурой при скачкообразном изменении скорости деформирования в режиме сверхпластичности. - Изв. РАН. МТТ. 2009г., № 6, с. 168-177.

3. Быля О.И., Васин P.A. Деформирование сплавов в режиме сверхпластичности и близких к нему режимах. - Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2011, вып. 2, с. 116-128.

4. Быля О.И. О построении феноменологических определяющих соотношений для металлов, деформирующихся в режиме сверхпластичности. -Труды всеукраинской конф. молодых ученых. Физика, Киев, 1994, с.93-100.

5. Быля О.И. Об одном варианте физических определяющих соотношений. -В сборнике «Аналитические и экспериментальные методы в механике», изд-во МГУ, Москва, 1995, стр. 120-124.

6. Быля О.И., Васин P.A., Ермаченко А.Г., Караваева М.В., Муравлев A.B., Чистяков П.В. О корреляции истории нагружения материала и эволюции его структуры в режиме сверхпластичности. - В сб.:"Прочность и пластичность. т.2 Труды IX Конференции по прочности и пластичности. Москва, Россия, 22-26 января 1996". М.,1996, с.33-36.

7. Быля О.И., Васин P.A., Ермаченко А.Г., Караваева М.В., Муравлев A.B., Чистяков П.В. Поведение титанового сплава ВТ9 при различных видах деформирования в режиме сверхпластичности. - (МИСИС), 1997, с.480-485.

8. Быля О.И. Вариант определяющих соотношений сверхпластичности. Труды конференции молодых учёных, посвящённой 250-летию МГУ, Москва, 12-14 Октября 2004, с.21-24.

9. Быля О.И., Васин P.A., Муравлев A.B., Чистяков П.В. Экспериментальное исследование поведения двухфазных сплавов при немонотонном изменении скорости деформирования при сверхпластическом деформировании. Труды 4-го Белорусского Конгресса по теоретической и прикладной механике «Механика 2009», Белорусия. Минск, 22-24 Декабря 2009, с. 310313.

10. Бэкофен В. Процессы деформации. - М.: Металлургия, 1977. - 288 с.

11. Васин P.A., Еникеев Ф.У. Введение в механику сверхпластичности. 4.1. -Уфа, «Гилем», 1998.-278 с.

12. Васин P.A., Кийко И.А. О постановке начально-краевой задачи сверхпластичности.-Вестн. Моск. ун-та, сер.1, 2004, № 1, с. 58-61.

13. Горев Б.В., Ратничкин A.A., Соснин О.В. Закономерности деформирования материалов в условиях, близких к сверхпластичности. Сообщение 1. Одноосное напряженное состояние. - Проблемы прочности, 1987, № 11, с. 36-41.

14. Горев Б.В., Ратничкин A.A., Соснин О.В. Закономерности деформирования материалов в условиях, близких к сверхпластичности. Сообщение 2. Плоское напряженное состояние. - Проблемы прочности, 1987, № 11, с.42-47.

15. Грабский М. Структурная сверхпластичность металлов. - М.: Металлургия, 1975. 272 с.

16. Ермаченко А.Г., Зарипов A.A., Семаков М.А., Васин P.A. О ресурсосберегающих технологиях получения изделий из титановых сплавов в режиме сверхпластичности. - Проблемы машиностроения и автоматизации. 2004. №1. с.86-92.

17. Ермаченко А.Г. Об оптимизации режимов получения деталей из титановых сплавов с регламентированными свойствами. - Проблемы машиностроения и автоматизации. 2006. №4. с.96-103.

18. Ильюшин A.A. Пластичность. Основы общей математической теории. -М, Изд-во АН СССР, 1963, 271с.

19. Кайбышев O.A. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.-279с.

20. Кайбышев O.A. Научные основы, достижения и перспективы сверхпластической деформации. - Уфа: Гилем. 2000. - 149 с.

21. Кайбышев O.A., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. - М.:Наука, 2002. 438 с.

22. Кайбышев O.A., Лутфуллин Р.Я., Салищев Г.А. Влияние условий сверхпластической деформации на трансформацию пластинчатой микроструктуры в титановом сплаве ВТ9. - ФММ, 1988, т.66. вып. 6. С. 1163-1168.

23. Коршунов A.A., Еникеев Ф.У., Мазурский М.И., Салищев Г.А., Муравлев A.B., Чистяков П.В., Дмитриев О.В. Влияние способа высокотемпературного нагружения на преобразование пластинчатой структуры в титановом сплаве ВТ9. - Изв. РАН, Металлы, 1994, N 3. С. 121-126.

24. Ларин С.А., Перевезенцев В.Н., Чувильдеев В.Н. Влияние роста зёрен на деформационное упрочнение сверхпластичных сплавов. - ФММ, 1990, №1, с.180-188.

25. Леонова Э.А. К формулировке определяющих соотношений для задач механики сверхпластичности. - Труды Международной научной конференции «Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов», посвященной 15-летию Института проблем сверхпластичности металлов РАН. - Уфа: Гилем, 2000, с. 266-270.

26. Маркин A.A. Термомеханика процессов упругопластического и сверхпластического деформирования металлов. - ПМТФ, 1999, т.40, № 5, с. 164172.

27. Новиков И.И., Портной B.K. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 с.

28. Останина Т.В., Трусов П.В. Иерархическая модель процесса сверхпластической деформации поликристаллов. - В сб.: Упругость и неупругость. Материалы Междунар. научного симпозиума по проблемам механики деформируемых тел, посвящ. девяностолетию со дня рождения A.A. Ильюшина. Москва, 22-23 января 2001 года. Изд-во Московского ун-та. М., 2001 г., с. 445-446.

29. Перцовский Н.З., Семенова Н.М., Брун М.Я., Мазолевская O.A. Электронно-микроскопическое исследование процессов полигонизации и рекристаллизации в а-фазе двухфазных (a+ß) титановых сплавов с пластинчатой структурой. - ФММ, 1984, т.57. вып. 4. С. 737.

30. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К., Физические основы пластической деформации. - М.Металлургия, 1986. 488с.

31. Пресняков A.A. Сверхпластичность металлов и сплавов. - Алма-Ата, Наука, 1969. 203с.

32. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел. Пер. с франц. М.: Металлургия, 1982. 272с.

33. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М., Наука, 1979. 744 с.

34. Рудаев Я.И. Введение в механику динамической сверхпластичности. -Бишкек: Изд-во КРСУ, 2003,- 134с.

35. Сиренко A.A., Еникеев Ф.У., Мурзинова М.А. К вопросу о единстве природы сверхпластической деформации. - Докл. РАН, т. 340, № 5, с. 614616.

36. Смирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 184с.

37. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. Энергетический вариант теории ползучести. - Институт гидродинамики. Новосибирск: СО АН СССР, 1986, 96с.

38. Соснин О. В., Горев Б. В., Ратничкин А. А. Механика сверхпластичности и ее связь с высокотемпературной ползучестью. - Сибирский физ.-тех. журнал. 1993. Вып. 4. С. 15-23.

39. Соснин О. В., Горев Б. В., Любашевская И. В. Высокотемпературная ползучесть и сверхпластичность материалов. - ПМТФ. 1997. Т. 38, № 2. С. 140-145.

40. Тихонов А.С. Эффект сверхпластичности металлов и сплавов. Вопросы теории и практическое применение. - М.: Наука, 1978. 142 с.

41. Трусов П.В., Ашихмин В.Н., Волегов П.С., Швейкин А.И. Двухуровневая модель для описания эволюции структуры поликристаллических материалов при неупругом деформировании. - В сб.: Упругость и неупругость. Материалы Междунар. научного симпозиума по проблемам механики деформируемых тел, посвящ. 100-летию со дня рождения А.А. Ильюшина. Москва, 20-21 января 2011 года. Изд-во Московского ун-та. М. , 2011 г., с. 240-244.

42. Чечулин Б.Б., Ушаков С.С., Разуваева И.Н., Гольдфайн И.Н. Титановые сплавы в машиностроении. - Л. «Машиностроение», 1977, 248с.

43. Чумаченко Е.Н., Смирнов О.М., Цепин М.А. Сверхпластичность: материалы, теория, технология. - М.:Ком. Книга, 2005.-320 с.

44. Anand L. and Brown S. Constitutive equations for large deformations of metals at high temperatures. - Proc. Army Res. Off. Workshop Const. Models Blacksburg, March, 24-26, 1986: SIAM. 1987. X. P. 1-26.

45. Bhaskaran K., Jha B.B., Mishra B.K., Bylya O.I., Sarangi M.K., P.V.Chystyakov, A.V. Muravlev and R.A.Vasin, Development of a Variant of Scalar Constitutive Equations Suitable for Description of the Near Superplastic Regimes of Deforming. - Applied Mechanics and Materials, 2012. Vols. 110-116 pp. 163-169.

46. Booeshaghi F. and Garmestani H. On the application of load relaxation in cha-recterizing SUPERsuperplastic Al-Li 8090. - Scripta Materialia. 1999. Vol. 40. No. 4. P. 509-516.

47. Bylja O.I., Ermachenko A.G., Yasin R.A. et all. The influence of simple and complex loading on structure changes in two-phase titanium alloy. - Scr. Mate-rialia. 1997. Vol. 36. No. 8. P.949-954.

48. Bylya O.I., Ermachenko A.G., Vasin R.A. et al. Importance of microstructure considerations in advanced manufacturing technologies. - Proceedings of national seminar "Advances in Manufacturing Technology of Metalls and Alloys", Bhubaneswar, 2007, 56-59.

49. Bylya O.I., Vasin R.A., Sarangi M.K., On the behavior of Ti alloys during deforming in near superplastic regimes. - Proceedings of the International workshop on Mesoscopic, Nanoscopic and Macroscopic Materials (IWMNMM-2008), held at Bhubaneswar from 2 - 4th January 2008, India, AIP Conference Proceedings, v. 1063, Melville, New-York 2008, pp 349-360.

50. Bylya O.I., Vasin R.A., Chistyakov P.V, Muravlev A.V Experimental Study of the Mechanical Behavior of Materials under Transient Regimes of Superplastic Deforming. - Superplasticity and Advanced materials -ICSAM 2012, Material Science and Engineering, 2012 (in press)

51. Bylya O.I., Bhaskaran K., Chystyakov P.V. and Vasin R.A. On the approach to modelling of the mechanical behavior of a fine grained material. - Proceedings of the International Workshop on Functional Materials (IWFM-2011), AIP Conference Proceedings (in press)

52. Carrino L., Giuliano G., Palmieri C., On the optimisation of superplastic forming processes by the finite-element method. - Journal of Materials Processing Technology 143-144, 2003, P. 373-377.

53. Gartside M.B. Microstructural evolution in Ti-6A1-4V during hot deformation. - Advances in the Science and Technology of Titanium Alloy Processing, Proceedings of an international symposium sponsored by the TMS Titanium and Shaping and Forming committees and held at the 124 Annual Meeting and Exhibition in Anaheim, California, February 5-8, 1996.

54. Ghosh A.K., Hamilton C.H. Mechanical behavior and hardening characteristics of a superplastic Ti-6A1-4V alloy. - Metall. Trans. A. 1979. vol. 10A P.699-706.

55. Ghosh A.K., On the measurement of strain-rate sensitivity for deformation mechanism in conventional and ultra-fine grain alloys. - Mater. Sc. Eng. A., 463 2007 P. 36^10.

56. Ghosh A. K., Raj R. Grain size distribution effects in superplasticity. // Acta Metallurgies 1981, v.29, pp. 607-616.

57. Ghosh A. K., Raj R. A model for the evolution of grain size distribution during superplastic deformation. - Acta Metallurgica, 1986, v.34, N3., pp. 447-456.

58. Hart E.W, Solomon H.D., Load relaxation studies for polycrystalline high purity aluminium. - Acta Met., 21, 1973 P. 295-307.

59. Kaibyshev O.A. Superplasticity of alloys, intermetallics, and ceramics. Springer-Verlag, Berlin, 1992. 317p.

60. Liew K. M. , Tan M. J. and Tan H. Analysis of Grain Growth during Superplastic Deformation. - Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2007, v. 14 N.7, pp.541-547.

61. McQueen H.J., Initiating nucliation of dynamic recrystallization, primarily in polycristalls. - Materials Science and Engineering A 1988 v. 101 pp. 149-160.

62. McQueen H.J., Development of dynamic recrystallization theory. - Materials Science and Engineering A 2004 v.387-389 pp. 203-208.

63. McQueen H.J., Imbert C.A.C., Dynamic recrystallization: plasticity enhancing structural development. - Journal of Alloys and Compounds 2004, v. 378 pp.3 5-43.

64. Monsia M. D., A Simplified Nonlinear Generalized Maxwell Model for Predicting the Time Dependent Behavior of Viscoelastic Materials. - World Journal of Mechanics, 2011, v. 1, pp. 158-167.

65. Nho-Kwang Park, Jong-Taek Yeom, Young-Sang Na Characterization of deformation stability in hot forging of conventional Ti-6A1-4V using processing

maps. - Journal of Materials Processing Technology. 2002. 130-131. P.540-545

66. Nieeh T.G., Wadsnorth J., Sherby O.D. Superplasticity in metals and ceramics. Cambridge University Press, 1997.

67. Padmanabhan K.A., Vasin R.A., Enikeev F.U. Superplastic flow: phenomenology and mechanics. Springer, Berlin, 2001.-363p.

68. Padmanabhan K.A., Davies G.J. Superplasticity. Springer, Berlin Heidelberg, 1980.

69. Perevezentsev V.N., Rubin V.V., Chuvil'deev V.N. The theory of structural superplasticity. - Acta Metallurgies 1992, v.40, pp.887-924.

70. Pilling J., Ridley N. Superplasticity in crystalline solids. The Institute of Metals, The Camelot Press, 1989.

71. Poliakt E. I., Jonass J. J., A one-parameter approach to determining the critical conditions for the initiation of dynamic recrystallization. - Acta mater. 1996. Vol. 44, No. l,pp. 127-136.

72. Prasad Y.V.R.K., Seshacharyulu T., Medeiros S.C., Frazier W.G. Influence of oxygen content on the forging response of equiaxed (a +|3) preform of Ti-6A1-4V: commercial vs. ELI grade. - Journal of Materials Processing Technology. 2001, v.108. pp. 320-327.

73. Ridley N., Bate P.S., Zhang B. Effect of strain rate path on cavitation in superplastic aluminium alloy. - Materials Science and Engineering. A. 2007, v.463, pp. 224-230.

74. Ridley N., Bate P.S., Zhang B. Material modelling data for superplastic forming optimization. - Materials Science and Engineering A. 2005 v.410-411 pp. 100-104.

75. Sahoo R.K., Jha B.B., Sahoo T.K., Mishra B. K., Bylya O. I., Sarangi M.K. A Study on Variation of Microstructural Parameters in Titanium Alloys during near Superplastic Regime of Deformation. - Applied Mechanics and Materials, 2012, v.l 10-116, pp. 4723-4729.

76. Sherby O.D., Wadsworth J. Superplasticity - recent advances and future directions. - Progress in Materials Science, 1989. v. 33, pp. 169-221.

77. Seshacharyulu T., Medeiros S.C., Frazier W.G., Prasad Y.V.R.K. Hot working of commercial Ti-6A1-4V with an equiaxed a+P microstructure: materials modeling considerations. - Materials Science and Engineering. 2000. A284 P. 184-194

78. Seshacharyulu T., Medeiros S.C., Frazier W.G., Prasad Y.V.R.K. Microstructural mechanisms during hot working of commercial grade Ti-6AM-V with lamellar starting structure. - Materials Science and Engineering. 2002. A325. P.112-125.

79. Sun Q.J., Wang G.C., Li M.Q. Enhanced the superplasticity in Ti-6.5Al-2Zr-lMo-lV alloy by a two-step deformation method. - Materials and Design, 2012 v.35 pp. 80-86.

80. Superplasticity in advanced materials ICSAM-91. Ed. by S.Hori, M.Tokizane and N.Furushiro. JSRS, Japan, 1991.

81. Urdanpilleta M., Sevillano J. Gil. A novel method of analysis of superplastic behaviour. - Materials Letters 2004. 58. P. 3052- 3057.

82. Vasin R. A., Berdin V. K., and Kashaev R. M., On the universal curve in superplasticity mechanics. - Strength of Materials, 2001 Vol. 33, No. 6, pp.509515.

83. Venugopal S. and Sivaprasad P.V. Stability criterion to optimize the process parameters and some applications to design industrial processes // Proceedings of the International Conference on Recent Advances in Material Processing Technology (RAMPT '05) 23- 25 February 2005 Department of Mechanical Engg., National Engineering College, K.R. Nagar, Kovilpatti - 628 503. Tamil Nadu, India.

84. Weiss I., Weisch G.E., Froes F.H., Eylon D. Mechanisms of microstructure refinement in Ti-6A1-4V alloy. - Proc. Intern. Conf. Titanium. Munich, 1984. P.1503.

85. Zhao Bing, Li Zhiqiang, Hou Hongliang, Liao Jinhua, Bai Bingzhe, Three Dimensional FEM Simulation of Titanium Hollow Blade Forming Process. - Rare Metal Materials and Engineering, 39, 2010, P. 963-968.

86. Zhou M., Dunne F. P. E. Mechanisms-based constitutive equations for the superplastic behaviour of a titanium alloy. - Journal of strain analysis, 1996, v. 31 N.3, pp. 187-196.

87. Xing H.L., Wang C.W., Zhang K.F., Wang Z.R. Recent development in the mechanics of superplasticity and its applications. - Journal of Materials Processing Technology, 2004 v. 151, pp. 196-202.