Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных подходов к изготовлению ответственных деталей новой техники, в том числе ракетно-космической, является применение технологий, основанных на использовании явления сверхпластичности. Такие технологии являются ресурсосберегающими и позволяют получать изделия с регламентированными функциональными свойствами даже из труднодеформируемых сплавов.
Характерными свойствами сплавов в состоянии сверхпластичности (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. Всюду в настоящей работе речь идет только о структурной сверхпластичности, специфические особенности которой у поликристаллических материалов состоят в зависимости перечисленных свойств от исходного размера зерна (с уменьшением размера зерна эти свойств проявляются сильнее) и в незначительном изменении структурного состояния материала в процессе сверхпластического деформирования.
Известно, что практически любой поликристаллический материал можно привести в состояние структурной СП при определенных температурно-скоростных условиях деформирования и ультрамелкозернистой структуре материала.
Изучению физических, материаловедческих и технологических аспектов сверхпластического деформирования сплавов посвящена огромная литература. 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 давлением в состоянии сверхпластичности. Значительный вклад в развитие различных разделов названных научных направлений внесли А.А. Бочвар, Р.З. Валиев, О.А. Кайбышев, И.И. Новиков, В.Н. Перевезенцев, А.А. Пресняков, А.И. Пшеничнюк, Н.Г. Зарипов, В.В. Рыбин, Г.А. Салищев, Ф.З. Утяшев, В.В. Астанин, Р.Я. Лутфуллин, Р.М. Имаев, Р.Р. Мулюков, М.М. Мышляев,
-
М. Грешнов, А.Г. Ермаченко, А.С. Тихонов, М.Х. Шоршоров; W.A. Backofen, N. Chandra,
-
H. Hamilton, A.K. Ghosh, R.H. Johnson, H.J. McQueen, A.K. Mukherjee, K.A. Padmanabhan, T.G. Nieh, N.E. Paton, N. Ridley, O.D. Sherby, T.G. Langdon и др.
Механике СП (особенностям механических свойств, в том числе при сложном нагружении; определяющим соотношениям; постановкам краевых задач) до последнего времени уделялось гораздо меньше внимания. Этому направлению исследований посвящены работы О.М.Смирнова, О.А. Кайбышева, О.В. Соснина, П.В. Трусова, Е.Н. Чумаченко, К.И. Романова, Я.И. Рудаева, В.К. Портного, М.А. Цепина, Б.В. Горева, А.А.Маркина, И.А. Кийко, Р.А. Васина, Ф.У. Еникеева, W.A. Backofen, L. Anand, N. Chandra, A.H. Chokshi, F.A. Mohamed, G.S. Murty, S. Zhou, K.A. Padmanabhan и др.
Фундаментальной проблемой механики СП является построение адекватных определяющих соотношений 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 подвижной траверсы). Нередко они посвящены только определению «оптимальных» условий СП (то- есть условий, при которых заведомо 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. Например, температура (или скорость деформации) была сначала за пределами области СПД (не удовлетворяла условию СП), а потом попала в границы области СПД; или была в границах области СПД, затем вышла за эти границы, а потом через некоторое время опять вернулась. Однако вопросы о пересечении границы области СПД и об её эволюции в процессе деформирования материала слабо обследованы в экспериментах даже для одноосного случая.
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 использовал О.В.Соснин при изучении высокотемпературной ползучести сплавов в технологиях, использующих явление сверхпластичности, он предлагал начальный участок деформирования проходить с существенно большей скоростью деформации, чем допускает условие «оптимальной» СП. Обследование границ области СПД в названном виде актуально и для разработки технологий обработки материалов в состоянии СП, 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 (отклонений, как правило, вынужденных, но иногда и сознательно создаваемых, - например, при высокоскоростном деформировании).
В данной работе автором на примере титановых сплавов исследованы некоторые особенности поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности.
Цели и задачи исследования
Целью работы является экспериментальное исследование и анализ структурно- механического поведения сплавов в условиях деформирования, близких к условиям сверхпластичности.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
-
-
разработка и обоснование методики комплексного исследования (в основном в экспериментах на растяжение) механического поведения и трансформации микроструктуры материала при высокотемпературном деформировании;
-
планирование и проведение экспериментов на титановых сплавах с различной исходной микроструктурой при постоянных и кусочно-постоянных скоростях деформаций в условиях, близких к сверхпластичности;
-
выявление особенностей механического поведения материала, связанных с трансформацией микроструктуры;
-
разработка варианта феноменологической модели сверхпластичности, позволяющего качественно правильно описывать деформирование сплавов в режимах, близких к сверхпластическим.
Методы исследования
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 нагружения.
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.
Проектирование захватов и теоретические расчёты температурных полей в нагревательной печи выполнены в пакете конечно-элементного моделирования SolidWorks Cosmos. Численное моделирование по модели выполнено в пакете MATLAB.
Формулировка феноменологической модели СП содержит внутреннюю переменную, отражающую различные механизмы эволюции размеров зёрен.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
-
-
Разработана единая методика и проведены систематические экспериментальные исследования структурно-механического поведения сплавов в режимах деформирования, близких к сверхпластическим.
-
Обнаружен и исследован ранее не изучавшийся эффект дополнительного упрочнения и разупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформации большой амплитуды при деформировании, близком к сверхпластическому.
-
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.
-
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.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается применением апробированных методик испытания сплавов в режимах сверхпластичности; использованием современных аттестованных испытательных комплексов; сопоставлением отдельных результатов с экспериментальными данными других авторов. Достоверность структурных исследований обеспечивается использованием сертифицированного оборудования и применением для обработки изображений шлифов аттестованных программ.
Достоверность предложенной модели сверхпластичности обеспечивается сравнением результатов расчёта по модели с экспериментальными данными, полученными в собственных экспериментах и опубликованными в работах других авторов.
Практическую значимость представляют экспериментальные данные о свойствах конструкционных титановых сплавов в условиях деформирования, отличающихся от оптимальных для сверхпластичности. Эти данные, а также систематические результаты о механических свойствах титановых сплавов при скачкообразном изменении (большой амплитуды) скорости деформации могут быть использованы при аттестации определяющих соотношений термовязкопластичности и сверхпластичности. Исследованная возможность проработки крупнозернистой микроструктуры в процессе «околосверхпластического» деформирования позволяет расширить возможности технологического применения процессов СПД и дает большую гибкость при решении задач оптимизации существующих технологий. Для этих целей могут быть использованы прогнозы эффектов поведения материала при таких процессах, полученные с помощью предложенной модели.
Автор диссертации принимала участие в работах по грантам РФФИ (проекты № 9301-16766, № 99-01-01032, № 02-01-00673, № 09-08-92651-ИНД, № 11-08-00961), тематика которых была связана с темой диссертации.
Апробация работы.
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, 1996г.; Современные проблемы механики, Москва, 1999г.; XXVIII Международное н.-т. совещание по проблемам прочности двигателей, Москва, 2002г.; Современные проблемы математики, механики, информатики, Тула, 2005г., 2006г.; Advances in Manufacturing Technology of Metals and Alloys, India, Bhubaneswar, 2007г.; International workshop on Mesoscopic, Nanoscopic and Macroscopic Materials, India, Bhubaneswar, 2008г.; Научно- технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения, С.-Петербург, 2008г.; IV и V Белорусских Конгрессах по теоретической и прикладной механике, 2009 и 2011гг.; IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, 2006г. и X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2011г.
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.
Публикации
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.
Личный вклад автора заключается в участии в подготовке программ экспериментов, в проведении экспериментов и обработке результатов экспериментов (в том числе в проведении металлографических исследований и разработке собственных программ для анализа сложных изображений). Автором предложена феноменологическая модель сверхпластичности с внутренней переменной.
Структура и объём диссертации.
Диссертация объёмом 156 с. состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и приложений с таблицами экспериментальных данных.
Автор выражает благодарность коллективу лаборатории упругости и пластичности НИИ механики МГУ им. М.В.Ломоносова за помощь в проведении и обсуждение результатов экспериментов, а также профессорам К.А.Падманабхану (Хайдерабадский Центральный Университет), С.С.Баттачарии (Мадрасский Технологический Институт),
С.С.Венугопалу (Атомный центр им. Индиры Ганди, Калпаккам) и Б.К.Мишре (директору Института минераловедения и материаловедения, Бхубанешвар) за содействие в проведении экспериментальных работ в Индии.
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности
-
-
-
