Реферат по теме выпускной работы
Содержание
Введение
Исследования последних 20 лет показали, что металлические материалы с субмикрокристаллической (СМК) структурой, сформированной методами интенсивной пластической деформации (ИПД), существенно отличаются по своим свойствам от крупнокристаллических аналогов [1]. По сути, можно говорить о появлении новых материалов, с которыми связывают большие надежды в плане практического применения. Однако пока что эти ожидания оправдываются далеко не в полной мере. С нашей точки зрения, это во многом связано с неадекватной оценкой свойств СМК металлов.
Так, в работе [2] показано, что использование относительного удлинения до разрыва δ в качестве меры пластичности СМК металлов существенно занижает реальное значение этой важнейшей характеристики. Величина δ таких материалов определяется, в основном, показателем δ – относительным удлинением до образования шейки, а не способностью материала тормозить процесс разрушения. Для СМК металлов δ u действительно мало, если не предприняты специальные дополнительные меры [3]. Но этот показатель важен лишь в случае, когда материал предназначен для работы в условиях одноосного растяжения. Если же предполагается его эксплуатация в условиях сжатия или кручения, например, то малые значения δ u и δ f не являются препятствием к его применению. В этих случаях сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью (правильно оцененной [2]) дает СМК материалам значительные преимущества.
Адекватная оценка свойств СМК металлов важна еще и потому, что операции ИПД, как правило, сочетаются с формообразующими операциями ОМД и термообработкой. Поэтому для проектирования всей технологической цепочки обработки давлением таких материалов необходимо иметь представление об их свойствах в разных напряженно-деформированных состояниях (НДС).
Удобным средством отображения свойств и структуры материалов являются карты, введенные Michael F.Ashby в практику материаловедения [4, 5]. Суть таких карт в том, что на плоскости с заданными координатами выделяются характерные области с некоторыми общими свойствами. Например, в системе координат «касательное напряжение – гомологическая температура» определенного материала выделяются области с различными ведущими механизмами деформации или в координатах «предел прочности – плотность» выделяются области, соответствующие разным материалам и т.д. (см., например, [5]).
Указанные карты являются замечательным подспорьем при проектировании конструкций и материалов. Они, с одной стороны, позволяют выбрать наиболее подходящий материал для тех или иных условий эксплуатации, а с другой – выявляют «белые пятна», т.е. области для которых необходима разработка новых материалов.
В научной литературе известны примеры использования подхода материаловедческих карт для характеристики структуры и свойств СМК материалов. Так, авторы работы [6] нанесли на плоскость с координатами «предел прочности – относительное удлинение до разрыва» свойства некоторых металлов в различных структурных состояниях. Такое построение наглядно показало, что СМК металлы перспективно использовать в случаях, когда требуется сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью.
В данной статье мы предлагаем расширить представление о материаловедческих картах в применении к СМК металлам с целью отражения зависимости их свойств от показателей напряженно-деформированного состояния. Исследования в области ОМД выявили (см., напр., [7-9]), что предельная пластичность металлов существенно зависит от показателей жесткости и вида напряженного состояния. Ниже мы показываем, что не только пластичность, но и кривые «напряжение – деформация» СМК меди при растяжении и кручении отличаются кардинально. Это означает, что СМК металлы чрезвычайно чувствительны к характеристикам НДС, и адекватная оценка их свойств невозможна без учета этого фактора.
1.Материалы и методика исследования
В качестве материала для исследований была выбрана медь следующего химического состава (табл. 1).
Таблица 1-Химический состав меди М3
Исходный горячекатаный пруток диаметром 50 мм, в целях экономии материала, подвергался ковке до сечения 19 на 29мм. Полученная заготовка разрезалась на мерные длины, после чего производилась фрезеровка до сечения 18?28 мм. Далее материал подвергся термической обработке в печи при t=550?С в течение 1 часа для снятия остаточных напряжений.
Деформационная обработка меди осуществлялась методом винтовой экструзии. Температура деформации – комнатная. По 3 заготовки обрабатывали 1 и 7 проходами винтовой экструзии. Параметры канала винтовой матрицы приведены на рис. 1.
Рисунок 1 — Эскиз канала винтовой матрицы.
Скорость движения заготовки вдоль оси экструзии – 3мм/c, величина противодавления – 200 MPa.
Заготовки после ВЭ разрезались на электроэрозионном станке по схеме, показанной на рис. 2. Далее из них изготавливались образцы для испытаний на кручение и разрыв (рис 3), согласно ГОСТ 3565-80 «Металлы. Метод испытания на кручение» и ГОСТ1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Из каждого образца, подвергнутого ВЭ, получались два образца для испытаний: один на кручение и один на растяжение.
Рисунок 2– Схема раскроя заготовки после ВЭ.
Нанесены изолинии деформации Мизеса, полученной заготовкой за один проход ВЭ. Распределение деформации найдено экспериментально-расчётным методом [10].
Рис. 2 показывает, что деформация Мизеса в пределах рабочей части образцов в среднем составляла 0.75 за один проход.
Рисунок 3 —Эскизы образцов для испытания кручением (а) и растяжение (б).
Испытание на растяжение проводилось на структурно-деформационном комплексе АЛА-ТОО-Р50. Испытание на кручение производились на стенде, разработанном в ДонФТИ НАН Украины и предназначенном для исследования свойств наноструктурных материалов при упруго-пластических деформациях, а также для моделирования процессов получения таких материалов методом ИПД (рис.4). Стенд обеспечивает измерение и компьютерную регистрацию во времени величины вращающего момента и осевого линейного удлинения образца (Free-End Torsion test [2-4]).
Рисунок 4- Общий вид стенда.
Измерительный контроллер выполняет функции сигнального процессора реального времени, и обеспечивает измерение сигнала момента с тензомоста, фильтрацию сигнала, буферизацию и передачу данных на серверный компьютер. Частота дискретизации сигнала от 0,5 до 20000 Гц. Подключение – USB порт.
Для измерения удлинения используется индикатор 1МИГЦ. Подключение – USB порт.
Серверный компьютер выполняет регистрацию и отображение графиков измеряемых функций.
Разработано специализированное программное обеспечение для компьютерной регистрации сигналов измерительных датчиков, момента и удлинения образца с визуализаций графиков на экране компьютера в режиме реального времени (платформа Windows).
Основные функции программного обеспечения:
- поддержка работы USB порта для работы с измерительным контроллером;
- прием и буферизация входных данных;
- визуализация текущих измерений, регистрация и визуализация контролируемых значений в реальном масштабе времени;
- редактирование измеренных значений;
- фильтрация входного сигнала различными методами для увеличения информативности.
- калибровка входов и экспресс обработка результатов измерений.
Параметры стенда:
-Прямое и реверсное нагружение кручением;
-Максимальная длина образца, мм - 80;
-Максимальный крутящий момент, Нм - 50;
-Погрешность измерения момента, % - 0,2;
-Максимальное удлинение образца, мм - 10;
-Погрешность измерения удлинения образца, мм – 10-3;
-Минимальная угловая скорость вращения, рад/сек – 0,0001;
-Максимальная угловая скорость вращения, рад/сек – 0,0005;
2.Результаты исследования
На рис.5 представлены результаты испытаний образцов на разрыв. В условных координатах (рис.5а) диаграммы растяжения меди после обработки ВЭ имеют характерный вид [1], на первый взгляд, свидетельствующий о малой пластичности СМК материалов. На самом же деле, как показано в работе [2], ранняя локализация деформации в этих материалах при одноосном растяжении связана лишь с особенностями их упрочнения, а не с пластичностью. Об этом свидетельствует рис.5б, где те же данные представлены в истинных координатах (расчет истинных значений деформации и напряжения в шейке выполнен по методике работы [2]). .
На рис. 6 приведено сопоставление результатов испытаний на разрыв и на кручение в истинных координатах. Хорошо видно, что для крупнокристаллической меди, до деформации порядка 1, зависимости напряжение-деформация при растяжении и кручении довольно близки, что соответствует гипотезе «единой кривой течения». Для меди обработанной винтовой экструзией ход указанных кривых отличается кардинально, что свидетельствует о чувствительности материала к виду нагружения. .
Рисунок 5 – Результаты испытаний на разрыв в условных (а) и истинных координатах (б).
Именно по этой причине мы предлагаем учитывать параметры НДС при характеристике механических свойств СМК материалов и отображать это на материаловедческих картах. С нашей точки зрения, в качестве основы таких карт может быть положена диаграмма видов напряженного состояния С.И. Губкина [11].
Рисунок 6 – Сопоставление результатов испытаний на разрыв и кручение в истинных координатах.
Выводы
Анализ результатов , говорит о том что параметры НДС необходимо учитывать при характеристике механических свойств СМК материалов и отображать это на материаловедческих картах.В дальнейшем планируются испытания на осадку , для получения полной диагрммы НДС меди М3 в субмикрокристалическом состоянии.
Список источников
- Валиев Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы / Р.З. Валиев, И.В. Александров.- Г.: ИКЦ Академкнига, 2007.- 398с.
- Y. Beygelzimer, O. Prokof’eva, R. Kulagin, V. Varyukhin, S. Synkov. Measures of Ductility for UFG Materials Obtained by SPD // Materials Science Forum.- V. 633-634. – P. 223-230 (2010)
- A. Mashreghi, L. Ghalandari, M. Reihanian, M.M. Moshksar Processing, Strength and Ductility of Bulk Nanostructured Metals Produced by Sever Plastic Deformation: An Overview. Materials Science Forum, 633-634 (2010) 131-135
- Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации / Пер. с англ. Л.М. Бернштейна. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989. 328 с.
- Michael F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design (3rd Edition).-Elsevier, Amsterdam, 2008, 603 p.
- R.Z. Valiev, I.V. Alexandrov, Y.T. Zhu and T.C. Lowe Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation J. Mater. Res., Vol. 17, No. 1, (2002) 5-8.
- Kolmogorov V.L. On the history of the determination of ductile fracture (ductility) of metal, J. Mater. Process. Technol. 70 (1997) 190–193.
- Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. К.: Вища школа, 1983. - 176 с.
- Огородников В.А. Энергия. Деформации. Разрушение (задачи автотехнических экспертизы): Монография /В.А.Огородников, В.Б.Киселёв, И.О.Сивак; Винницкий национальниый технический университет. – Винница: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. – 204 с.
- Y. Beygelzimer, A. Reshetov, S. Synkov, O. Prokof’eva, R. Kulagin Kinematics of metal flow during twist extrusion investigated with a new experimental method// Journal of Materials Processing Technology 209 (2009) 3650–3656
- С.И. Губкин. Пластическая деформация металлов / М. Металлургия 1 том, 376с.