Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности

Быля, Ольга Ивановна

Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Быля, Ольга Ивановна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

НИИ МЕХАНИКИ

На правах рукописи УДК 539.3

Быля Ольга Ивановна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В СОСТОЯНИЯХ, БЛИЗКИХ К СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 7 МАЙ 2012

Москва - 2012

005043384

Работа выполнена в лаборатории упругости и пластичности НИИ механики Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук профессор

Васин Рудольф Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор

Мовчан Андрей Александрович, доктор технических наук профессор

Темис Юрий Моисеевич Ведущая организация: Тульский государственный университет

Защита состоится 8 июня 2012г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.91 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, механико-математический факультет, аудитория 16-10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ (Главное здание, 14 этаж)

Автореферат разослан «3» мая 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.91

профессор С.В.Шешенин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 A.A. Бочвар, Р.З. Валиев, O.A. Кайбышев, ИИ. Новиков, В.Н. Перевезенцев, A.A. Пресняков, А.И. Пшеничнюк, Н.Г. Зарипов, В.В. Рыбин, Г.А. Салищев, Ф.З. Утяшев, В.В. Астанин, Р.Я. Лутфуллин, P.M. Имаев, P.P. Мулюков, М.М. Мышляев'

B.М. Грешное, А.Г. Ермаченко, A.C. Тихонов, М.Х. Шоршоров; W.A. Backofen, N. Chandra,

C.Н. 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, O.A. Кайбышева, О.В. Соснина, П.В. Трусова, E.H. Чумаченко, К.И. Романова, Я.И. Рудаева, В.К. Портного, М.А. Цепина, Б.В. Горева, А.А.Маркина, И.А. Кийко, P.A. Васина, Ф.У. Еникеева, W.A. Backofen, L. Anand, N. Chandra, А.Н. Chokshi, F.А. 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 ультрамелкозерннстая), 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 н 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:

1) разработка и обоснование методики комплексного исследования (в основном в экспериментах на растяжение) механического поведения и трансформации микроструктуры материала при высокотемпературном деформировании;

2) планирование и проведение экспериментов на титановых сплавах с различной исходной микроструктурой при постоянных и кусочно-постоянных скоростях деформаций в условиях, близких к сверхпластичности;

3) выявление особенностей механического поведения материала, связанных с трансформацией микроструктуры;

4) 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 новнзиа 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.

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, 2007r.; 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.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность, излагаются цели и научная новизна выполненных исследований, представленных в диссертации; приводится краткое содержание диссертации.

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 достоинства, преимущества и проблемы, связанные с технологическим использованием СПД.

Все исследования, приведённые в диссертационной работе, относятся только к структурной СП, для реализации которой как правило требуется, чтобы материал имел однородную мелкозернистую микроструктуру (с размером зерна не более -10-15 мкм) и процесс деформирования проходил при температуре не ниже 0,4-0,5ТПЛ (Тпл - температура плавления ПО абсолютной шкале) при скоростях деформирования в диапазоне Е~(10 +10 ) с . Данное явление широко применяется в процессах изотермической формовки, так как даёт уникальную возможность получать большие деформации труднообрабатывемых сплавов (например, титановых и никелевых), а также добиваться существенного снижения нагружающих усилий. Кроме того, СПД позволяет с высокой точностью получать требуемую форму изделий (даже при достаточно сложной их геометрии) и обеспечивает однородную мелкозернистую структуру по всему объёму детали. Последнее обстоятельство особенно важно для получения изделий с регламентированной микроструктурой и, следовательно, регламентированными эксплуатационными свойствами.

Специфической особенностью сверхпластичности является высокая скоростная чувствительность, наблюдаемая в процессе деформирования. Обычно она характеризуется параметром скоростной чувствительности т, который определяется для одноосного случая как (здесь и далее во всех формулах используются только безразмерные величины):

<Э1ое<т

т =-=—

Э1овг г

Считается, что при сверхпластическом течении т > 0,3. Параметр т равен тангенсу угла наклона касательной к так называемой «сигмоидальной кривой» (логарифмической зависимости напряжения от скорости деформации); 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 непреднамеренно (из-за неоднородности полей температуры и скоростей деформаций или непроработанной структуры) или намеренно для экономической выгоды (ускорения процесса формовки, снижения температуры нагрева, осуществления измельчения микроструктуры материала непосредственно на начальном этапе изготовления изделия).

Во всех этих случаях 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.

Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию некоторых аспектов поведения материалов в режимах деформирования, близких к СП.

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 и не всегда возможно и использование СПД является для титановых сплавов почти единственной возможностью 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 различных удлинений образца, а также стандартных и нестандартных захватов (см. Рис. 1). В результате моделирования для каждой из использованных печей и захватов были найдены предельные удлинения, при которых температура образца по длине его рабочей части меняется не более, чем на 5 градусов, что обеспечивает приемлемую точность экспериментальных данных. Кроме того, было промоделировано, экспериментально проверено и зафиксировано для всех проведённых экспериментов время предварительного прогрева образца, требуемое для стабилизации температуры.

Так как при высоких температурах (~900°С для титановых сплавов) и больших удлинениях (несколько сотен процентов) управление испытанием и измерение перемещений невозможно на базе и производится по подвижной траверсе, для точности эксперимента и достоверности измерений необходимо исключить деформацию машины. Для этой цели экспериментально была снята кривая жёсткости установки, которая учитывалась при обработке экспериментов. Для обеспечения соосности разогрев образца производился под постоянной нагрузкой порядка 50 кГ. Кроме того, до начала основного эксперимента проводилось несколько циклов нагрузки-разгрузки с амплитудой ~0,5ст5 для устранения всех возможных люфтов. Для исследования начального участка нагружения использовались высокотемпературные экстензометры двух типов.

Для обеспечения постоянной скорости деформирования при больших деформациях необходимо, чтобы траверса перемещалась по экспоненциальному закону, однако большинство стандартных испытательных машин поддерживает только постоянную скорость траверсы. Для обеспечения требуемого закона движения была составлена программа, обеспечивающая аппроксимацию экспоненциальной функции кусочно-постоянной.

Эксперименты проводились на четырёх основных испытательных машинах: модифицированная АК 1958, Zwick 100 (НИИ Механики МГУ), Shenk (ИТ Madras, india), Instron (IMMT Bhubaneswar, India). Первые три машины кинематического типа, последняя -гидравлическая. Всего в работе было исследовано порядка 100 цилиндрических образцов из четырёх различных титановых сплавов (ВТ-6, ВТ-9, TÍ-6A1-4V и Ti-8.57Al-l.83V-0.14Mo) с различными микроструктурами. Данные для алюминиевых сплавов, демонстрирующих сходные эффекты, были найдены в нескольких опубликованных работах других авторов.

Í? г íh I - i ¡I

* 1 Ii 'II 111 Щ: I f !¡! ¥ I»" ¡Ii "I

: ff íflíft 1 ¡f| 1

if If i í 1, t Щ Ijl У i || 1:

Рис. 1. Расчётные схемы и результаты численного моделирования распределения температур в испытательной печи для двух типов захватов при различных удлинениях образца.

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. Программы этих сравнительных экспериментов показаны на Рис.2. 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.

У i У

2. 3. 4.

Рис. 2. Программы экспериментов по выяснению влияния вида нагружения на изменение микроструктуры: I) осадка со сдвигом; 2) растяжение; 3) кручение; 4) растяжение с реверсивным кручением.

В экспериментах на одноосное растяжение прежде всего исследовалось поведение материалов, деформируемых в режиме СП (т.е. при требуемой температуре и скорости деформации), но с неподготовленной (крупнозернистой) микроструктурой. Эти эксперименты показали, что даже при достаточно «плохой» исходной микроструктуре (крупных исходных зёрнах, наличии субструктур) возможно подобрать такой режим деформирования, при котором микроструктура измельчается и материал начинает проявлять особенности деформирования, характерные для СП (относительно большие деформации до разрушения, однородность течения, «бегающая» шейка). На Рис. 3 приведены примеры характерных форм поверхности разрушения образцов с неподготовленной микроструктурой при различных режимах деформирования сплава ТМ)А1-4У.

Рис. 3. Характерные формы поверхности образцов с неподготовленной микроструктурой при различных режимах деформирования: а) явные полосы сдвига прие = 10'с 'и температуре 950°С (температура, близкая к точке полиморфного превращения для данного сплава); Ь) относительно раннее возникновение и развитие шейки при любых скоростях из диапазона е е (ю^;5-КГ4)с"' при температуре 900°С; с) относительно однородное течение при температуре 850°С и при скоростях е = и 2,5 • Ю^с-1, либо при скачках скорости деформации 5 10~4->1 Ш'с1; с1) две или несколько шеек при температуре 850°С и при ¿ = 5 • 10 4с-1, либо при скачках 2,5- 10~4 —♦/ 10' с'1.

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 гак 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 юЛ;"2,5x10 с" , 5x10 с" . 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.

На Рис. 4. показаны диаграммы напряжение-деформация для экспериментов со скачкообразным понижением скорости деформирования на полпорядка при двух различных значениях температуры. Интересно отметить, что в двух представленных случаях материал ведёт себя по-разному. При одной температуре после скачка с более высокой «базовой» скорости на более низкую диаграмма сначала «проскакивает» вниз и только с запаздыванием порядка 0,2 логарифмической деформации выходит снизу на кривую, соответствующую текущей «базовой» скорости. При другой температуре наблюдается разупрочнение материала примерно на четверть, и после скачка диаграмма не выходит на базовую кривую вплоть до момента разрушения образца. Оказалось, что во втором случае величина относительного удлинения до разрыва больше в эксперименте со скачком по сравнению с базовым испытанием при меньшей скорости. Вместе с тем, базовое испытание с более

высокой скоростью даёт меньшее удлинение до разрыва.

а) б)

Рис.4. Диаграммы истинное напряжение- логарифмическая деформация для экспериментов на сплаве П-6А1-4У со скачкообразным понижением скорости деформирования с величины 5 Ю'^с'1 до 10'4с' при постоянной температуре а) 900°С; б) 850°С.

На Рис. 5 приведены некоторые результаты экспериментов со скачкообразным изменением скорости деформирования, проведённых на двух других титановых сплавах при температурах 850°С и 930°С. Эксперименты показали, что наличие эффекта упрочнения и разупрочнения не зависит ни от материала, ни от температуры испытания. Однако, чем ближе поведение материала к оптимальной СП, тем менее ярко выраженным он становится. Возможная причина такого поведения обсуждается в главе 4.

в) г)

Рис. Диаграммы деформирования экспериментов со скачкообразным изменением скорости деформирования: а) сплав ВТ-9. Т=930°С, четыре скачка со скорости 10' с на 5 10'4 с' и обратно, б. е. г) сплав Т1-6А1-4У. Т- 930°С различные виды скачков с понижением и повышением скорости деформирования между двумя «базовыми» значениями 10' с и 510~*с'.

Особое внимание в данных экспериментах уделялось анализу формы переходных участков на кривых деформирования со скачками по скорости деформирования. Четыре кривые, приведённые на рисунке 6, соответствуют четырём последовательно выполненным скачкам со скорости Ю^с"1 на скорость 5х10"4с"' на удлинениях образца 7, 13, 19 и 25мм соответственно (рабочая часть образца 30мм). Видно, что на каждом последующем скачке переходный участок становится всё более крутым.

8>0С, Сравнение формы кривой при скачке по спорости с 111' ..л ч.т-м и

Рис. 6. Вид участков диаграмм деформирования после скачка по скорости деформировании; материал П-6А1-4К температура 850°С..

Отдельно изучался вопрос о виде начального участка и характере диаграмм при циклическом нагружении до относительно малых амплитуд нагружений 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 ТьбАМУ эксперименты показали, что наклоны начальных участков диаграмм при нагружении слабо зависят от е, а при разгрузке практически не зависят.

На основании проведения 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 т) всегда происходит переход на диаграмму деформирования, отвечающую новому значению £; во втором наблюдается «проскок» диаграммы, отвечающей новому значению е .

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 нагружения) 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 нагружения.

3. Установлены некоторые условия, при которых не наблюдается выход диаграммы деформирования после скачка £ 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 (как и все семейство, к которым они принадлежат) имеют два устойчивых аллотропных состояния -акр, отличающихся строением кристаллической решетки (а - гексагональная плотноупакованная, р - кубическая объёмно центрированная). Наиболее оптимальными эксплуатационными свойствами обладают сплавы с а + р структурой. Возможно несколько типов таких микроструктур, см. Рис. 7, обладающих различными механическими свойствами.

ЩшЬвм чти

11 ЩI mit

1ш Шш

ШШйШ ь

lern

: -50 цт

Рис. 7. Различные характерные типы микроструктур двухфазных титановых сплавов: а) пластинчатая (и^ШтапзЫаскеп); Ь) глобулярная; с) бимодальная.

Исследование микроструктуры в диссертационной работе осуществлялось по единой методике: закалка образцов, подготовка микрошлифов, обработка и анализ характеристик микроструктуры. Основное внимание уделялось исследованию состояния микроструктуры не только после разрушения, но и на различных промежуточных стадиях нагружения, а также корреляции между эволюцией микроструктуры и параметров термо-механического нагружения.

Для учёта возможной анизотропии все образцы разрезались в трёх взаимно перпендикулярных сечениях рабочей части, как показано на Рис.12 и как минимум один шлиф делался с головки образца, где материал не подвергался деформированию. Для более точного разделения эффектов влияния на микроструктуру температуры и деформации в ряде экспериментов подготавливался также образец «свидетель». Данный образец имел все геометрические размеры, соответствующие рабочему образцу, он устанавливался в захваты, выдерживался в печи при рабочей температуре в течение характерного времени эксперимента и, затем, закалялся в воду. Количественные характеристики микроструктуры деформированных образцов сравнивались со «свидетелем», чтобы исключить влияние температуры. При наличии локализации деформаций (шейки), микроструктура изучалась в нескольких точках но длине образца (например, делался «длинный» шлиф, как показано на Рис. 8).

Рис. 8. Схема разрезки испытанного образца для получения микрошлифов и анализа микроструктуры.

Состояние микроструктуры оценивалось по следующим геометрическим характеристикам микрошлифа: наличие/отсутствие анизотропии; наличие/отсутствие текстуры; объёмная доля а-фазы; средний размер зерен первичной Р-фазы (при наличии субструктур); функция распределения зерен а-фазы по длине, на основании которой вычислялась средняя длина зерен а-фазы и дисперсия; функция распределения зерен а-фазы по параметру неравноосности (отношение длины зерна к его толщине), на основании которой вычислялось среднее значение параметра неравноосности зерен а-фазы и дисперсия; доля глобулярных зерен а-фазы.

Для вычисления всех вышеперечисленных параметров для каждого типа микроструктур сначала экспериментально определялся объём представительной выборки (обычно 100-200 зёрен) и вся статистическая обработка осуществлялась на основе таких выборок.

Экспериментальное исследование трансформации микроструктуры при деформировании в режимах, близких СПД, показало, что для всех исследованных крупнозернистых микроструктур удалось найти такие условия «околосверхпластического» деформирования, при которых происходит проработка, приближающая микроструктуру к требуемой мелкозернистой. При этом структура становится более однородной. На рисунке 9 показан пример трансформации крупнозернистой микроструктуры по радиусу образца, испытанного на кручение.

Рис. 9. Трансформация исходной микроструктуры типа Мс/таяМаЖеп по радиусу образца (Ь=30мм, 0 8мм) из титанового сплава ВТ-6, испытанного на кручение при температуре 950°С, / = 1 О^сГ1 (на поверхности образца) с углом закрутки 4к: а) центр образца Я=0; Ь) [1=1,5 мм; с) внешняя кромка образца Я=3,8 мм.

Эффективность и качество проработки микроструктуры зависит от вида и типа нагружения. На Рис.10 показана микроструктура образцов с одинаковой исходной крупнозернистой микроструктурой после экспериментов на простое и сложное нагружение. Соответствие параметров нагружения и полученных характеристик микроструктуры приведено в таблице 1. Наиболее близкую к глобулярной микроструктуру удалось получить при сложном нагружении- растяжении с реверсивным кручением. Из одноосных экспериментов наилучшее измельчение зерен наблюдалось в некоторых экспериментах со скачкообразным изменением скорости деформирования.

/? м

15 (ДЮ ^

|25 цтё

Рис.10. Микроструктура образцов из титанового сплава ВТб после различных испытаний при температуре 950°С: 0) «свидетель» - без нагружения; 1) осадка со сдвигом;

2) растяжение;

3) кручение; 4) растяжение с реверсивным кручением.

Таблица 1

Вид нагружения Параметр Одквиста Интенсивность деформации Средний размер зерен а-фазы, мкм Параметр неравноосности зерен а-фазы Процент глобулярных зёрен а-фазы

Без нагрузки 0 0 21 6,3 16

Осадка со сдвигом 0,8 0,8 12 5,1 31

Растяжение 1,6 1,6 10 4,1 41

Кручение 0,6 0,6 14 5,3 30

Растяжение с реверсивным кручением 1,1 0,4 7 3,1 48

Проведённое микроструктурное исследование также показало, что вероятной причиной эффекта упрочнения и разупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформирования может быть зависимость интенсивности и механизмов трансформации микроструктуры от скорости деформирования, напряжения и энергии деформации. Эти наблюдения были использованы при построении качественной модели процесса.

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 т|. В представленной версии модели в качестве параметра микроструктуры взят наиболее очевидный и легко экспериментально измеряемый - средний размер зерна. Предполагается, что представительный объём содержит зёрна различных размеров, каждое зерно идентифицируется только одной величиной - характерным размером Ы, и известна функция р(ф, указывающая относительный суммарный объём (V,), занимаемый зёрнами, размеры которых принадлежат диапазону ¿1, (4 -•§ < й <4 ). Значения с1 считаются заданными в безразмерном виде, например, отнесенными к минимальному наблюдаемому в оптический микроскоп диаметру зерна £>„. Параметр, характеризующий микроструктуру, имеет физический смысл среднего размера зерна и определяется стандартным образом:

7 = (1)

Начальное значение п определяются 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 текущее значение функции р(ф, и каждый физический закон применяется только к таким типам зерен, для которых он получен. Например, если зерна мелкие и глобулярные, основным механизмом их роста является медленный диффузионный рост под действием температуры; для более крупных зерен к «температурному» росту добавляется доминирующий «деформационный» рост, скорость которого зависит от индивидуального размера зерна; когда энергия деформации достигает некоторого порогового значения, очень крупные зёрна начинают измельчаться. Таким образом, для каждого диапазона размеров зерен задаётся свой дифференциальный закон изменения этих размеров. Совокупность таких изменений во всех диапазонов размеров зёрен на каждом временном интервале будет задавать изменение функции р(ф, а соответственно и среднего размера зерна п (см. Рис. 11).

двфориициоиный рост зерен |

0, О. О Й..

Рис.11. Гоафическое изображение функции р(ф и схема её трансформации в процессе деформирования.

В предлагаемой математической модели трансформации микроструктуры используются три механизма изменения размеров зерен для трёх типов размеров зерен - «малых», «средних» и «крупных» (см. Рис. 11).

Очень медленный температурный рост глобулярных зерен малых размеров описывается уравнением:

сЦ , ( £> \ ,

-~ = к-ехр - — , с! й £> 5/ Ч ЯТ '

(2)

В этом уравнении /-время; условие < О, отбирает мелкие зерна, безразмерная комбинация , в которую входят темпрература Т (по абсолютной шкале), универсальная

газовая постоянная Л и энергия активации О, отражает зависимость скорости

температурного роста зерен от температуры, к - материальная константа. Данное уравнение включает три параметра материала Q, D, и к. Энергия активации Q для большинства материалов и основных диапазонов температур есть величина табличная. Размер Д, вплоть до которого зёрна считаются малыми, может быть определён как из физических наблюдений, так и чисто феноменологически. Величина параметра к определяется из экспериментов на выдержку образцов при различных температурах при сравнении микрошлифов, сделанных до начала и после окончания эксперимента.

Для описания механизма деформационного роста зёрен, характерного для зерен

средних размеров ( D, < d, < Dcr ) используется следующее соотношение:

D d D (3)

dt ^ 1 + С,<тЧ J 1 RTJ *

Здесь ст - текущее безразмерное напряжение; С|, Сг, Сз - параметры ,которые могут рассматриваться как феноменологические и быть найдены из экспериментов на растяжение образцов с различными исходными средними размерами зерен.

Результат преобразования функции p(d) в соответствии с изменениями микроструктуры, описываемыми формулами (2), (3), на каждом шаге по времени At выглядит следующим образом:

P«)U= Z PViir d,<Dcr (4)

dj+AJ^^J,)

Отдельного внимания заслуживает параметр модели D„ - критический размер, при достижении которого зёрна начинают измельчаться. Вообще говоря, величина D„, входящая в (3), не является константой. В работе принято следующие выражение для D„:

D„

- D * [l - exp(-ç • |<T£fe)|, (5)

где О* и ^>0- константы.

Простейшая математическая модель измельчения основывается на предположении, что все зерна, размеры которых оказываются равными или превышают критический размер, подвергаются измельчению, в результате чего появляются зерна малого и среднего размеров. Процедура расчета поправки функции р(ф в результате измельчения на каждом шаге по времени выглядит следующим образом. Для текущего значения Осг вычисляется суммарный относительный объём зерен, размеры которых превышают критический (Ке/)- Полагается, что доля % (0 $ X - I) 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 Д/ малые зерна принимают размер О», а средние зерна - размер, равный значению параметра микроструктуры (0„ = г|) на предыдущем шаге:

^/ = 1 Ж). (6)

р(О0):=р(О0) + х Угг/

Р(От).= р(От) + { \-zYV« Уравнения (2)-(7) дают замкнутую систему соотношений, описывающих трансформацию микроструктуры материала в процессе СПД и близкого к СП деформирования. Для получения феноменологической модели механического поведения материала при таком деформировании предлагается в одномерном случае структурная модель, состоящая из двух последовательно соединенных элементов- вязкоупругого и «сверхпластического»

Вязкоупругий элемент Максвелла модифицирован для учета температуры

В качестве СП элемента может быть взята одна из моделей СП течения, учитывающая размер зерна (выбор используемой модели СП влияет на количественное описание, но не меняет качественную картину процесса деформирования); в настоящей работе принято

¿„-(.Жт'гГ' + Лг4).« (9)

где Е, X, А и В - константы модели, не зависящие от Т. Точка во всех уравнениях означает дифференцирование по времени.

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» и разупрочнением, см. рис. 12. При скачкообразном изменении скорости деформирования в зависимости от исходной микроструктуры и условий нагружения могут быть получены виды диаграмм, представленные на Рис. 13 (а, б), которые наблюдались в экспериментах, (см.Рис. 13 (в)).

Рис. 12. Результаты расчётов по модели-характерные виды диаграмм деформирования: а) при различных температурах; б) при различных скоростях деформирования: в) при различной исходной микроструктуре.

Рис. 13. Результаты расчётов по модели - диаграммы деформирования при скачках по

скорости деформации: а) крупнозернистый материал; б) мелкозернистый материал; в)

экспериментальные диаграммы для крупнозернистого материала.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе и выносимые на защиту:

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.

Основные результаты диссертации представлены в следующих работах:

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

2. 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.

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

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 сб. «Аналитические и экспериментальные методы в механике». Изд-во МГУ, М., 1995, с. 120124.

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. Bylja О. I., Ermachenko A. G., Vasin R. A., et al. The influence of simple and complex loading on structure changes in two-phase titanium alloy // Scripta Materialia. 1997. V.36. N.8. P.949-954.

8. Быля О.И., Васин P.A., Ермаченко А.Г., Караваева М.В., Муравлев А.В., Чистяков П.В., Поведение титанового сплава ВТ9 при различных видах деформирования в режиме сверхпластичности. В сб. «Теория и технология процессов пластической деформации» Тр.н.-т.конф. 8-10 окг.1996г. М.,МИСИС,1997,с.480-485.

9. .Быля О.И, Вариант определяющих соотношений сверхпластичности. Труды конференции молодых учёных, посвященной 250-летию МГУ, Москва, 12-14 октября 2004 г., с.21-24.

10. 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, P. 56-59

11. Bylya О. I. ,Vasin R.A. and 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 2 - 4th Jan. 2008, India, AIP Conference Proceedings, V.1063, Melville, New-York 2008, P. 349-360.

12. 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 дек. 2009, с. 310-313.

13. Bhaskaran К., Jha В.В., Mishra В.К., Bylya O.I., Sarangi M.K.,.Chystyakov P.V. Muravlev A.V. and Vasin R.A. , Development of a variant of scalar constitutive equations suitable for description of the near super-plastic regimes of deforming // Applied Mechanics and Materials, 2012. V. 110-116, P. 163-169,

14. Sahoo R.K., Jha B.B., Sahoo Т.К., Mishra В. K., Bylya О. 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. P. 4723-4729.

Подписано в печать 02.05.2012 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1226 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Быля, Ольга Ивановна, Москва

61 12-1/828

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Механико-математический факультет

На правах рукописи

Быля Ольга Ивановна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В СОСТОЯНИЯХ, БЛИЗКИХ К СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Р.А Васин

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СТРУКТУРНАЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ 20

1.1. Феноменология сверхпластичности 20

1.2. Анализ определений явления сверхпластичности 27

1.3. Об условии сверхпластичности 31

2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ 38

2.1. Об исследовании структурно-механических свойств

сплавов в режиме сверхпластичности 38

2.2. Методика экспериментального исследования процессов деформирования, близких к сверхпластичности 48

2.3. Влияние вида нагружения на изменение микроструктуры 62

2.4. Эксперименты на растяжение со скачкообразным изменением скорости деформации 67

2.5. О форме переходных участков на диаграммах деформирования после скачкообразного изменения скорости деформации 82

3. ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПРИ

ДЕФОРМИРОВАНИИ ИХ В СОСТОЯНИЯХ,

БЛИЗКИХ К СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ 87

3.1. Некоторые сведения о титановых сплавах, использованных

в работе 87

3.2. Методика микроструктурных исследований 89

3.3. Зависимость эволюции микроструктуры от

истории термомеханического воздействия на материал 93

4. ВАРИАНТ ОДНОМЕРНОЙ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛА 100

4.1. Об определяющих соотношениях теории сверхпластичности 100

4.2. Формулировка модели 105

4.3. Численное моделирование с использованием

разработанной модели 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

ЛИТЕРАТУРА 122

ПРИЛОЖЕНИЕ А 132

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 133

ПРИЛОЖЕНИЕ В 149

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 152

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.

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:

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.

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 ;