ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОЦЕССОВ ИНТЕНСИВНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ПРИ ДКУП
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 5
1. Методы интенсивной пластической деформации
для получения материалов с ультрамелкозернистой структурой 7
1.1 Кручение под высоким давлением 8
1.2 Равноканальное угловое прессование 10
1.3 Динамическое канально-угловое прессование 12
2. Система уравнений, описывающая движение упруго-пластичной среды
с учетом микроповреждений и тепловых процессов 23
3. Тест Тейлора 28
3.1 Тест Тейлора для образца из титана 30
3.2 Тест Тейлора для образца из алюминия 33
3.3 Тест Тейлора для образца из меди 36
4. Физическая постановка задачи
динамического канально-углового прессования 39
4.1 Сеточная сходимость для моделирования процесса ДКУП 41
5. Результаты расчетов для различных металлических образцов при ДКУП 44
5.1 ДКУП для образца из титана ВТ1 -00 44
5.2 ДКУП для образца из алюминия А95 51
5.3 ДКУП для образца из меди М0 57
Заключение 63
Литература 65
Введение 5
1. Методы интенсивной пластической деформации
для получения материалов с ультрамелкозернистой структурой 7
1.1 Кручение под высоким давлением 8
1.2 Равноканальное угловое прессование 10
1.3 Динамическое канально-угловое прессование 12
2. Система уравнений, описывающая движение упруго-пластичной среды
с учетом микроповреждений и тепловых процессов 23
3. Тест Тейлора 28
3.1 Тест Тейлора для образца из титана 30
3.2 Тест Тейлора для образца из алюминия 33
3.3 Тест Тейлора для образца из меди 36
4. Физическая постановка задачи
динамического канально-углового прессования 39
4.1 Сеточная сходимость для моделирования процесса ДКУП 41
5. Результаты расчетов для различных металлических образцов при ДКУП 44
5.1 ДКУП для образца из титана ВТ1 -00 44
5.2 ДКУП для образца из алюминия А95 51
5.3 ДКУП для образца из меди М0 57
Заключение 63
Литература 65
Создание новых перспективных материалов имеет тесную связь с развитием материаловедения. Данная область науки широко востребована в аэрокосмической, машиностроительной, производственной отрасли, а также в медицине и биотехнологиях. Разработка уникальных и многофункциональных материалов, не имеющих аналогов, является главной задачей, стоящей перед ведущими научно-исследовательскими коллективами в области материаловедения.
Одним из активно развиваемых и актуальных направлений является получение объемных наноструктурных и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов - перспективных конструкционных и функциональных материалов нового поколения. Данные материалы отличаются тем, что имеют средний размер зерен или других структурных единиц порядка 100 нм, а также однородное распределение структуры и свойств во всех направлениях при достаточно больших размерах исследуемого образца [1, 2]. Исследование УМЗ металлов показало, что они характеризуются рядом уникальных свойств - повышенной в несколько раз, по сравнению с крупнозернистыми аналогами, прочностью, сочетающейся с хорошей пластичностью, низко- и высокотемпературной сверхпластичностью, циклической и радиационной стойкостью.
На данный момент разработано несколько методик получения наноструктурных объемных материалов. К первой методике относится компактирование порошков, которые получают различными способами. Например, с помощью газовой конденсации, плазмохимическим методом, а также аэрозольным и химическим способом. Некоторые из этих методов успешно применяются для создания наноструктурных материалов в совокупности с последующим компактирование. Одной из современных методик является взрывное компактирование порошков [3], где под повышенным давлением происходит соединение дисперсных частиц металла. Однако существует ряд недостатков при компактирование, связанных с загрязнением порошков перед процессом компактирования, остаточная пористость и небольшие размеры готовых образцов.
Ко второй методике относятся методы интенсивной пластической деформации (ИПД), у которых отсутствуют вышеперечисленные недостатки [4-21]. Основной задачей ИПД является формирование УМЗ структуры в металлических образцах с помощью измельчения их микроструктуры до наноразмеров. Особенность данных методов заключается в том, что применяя различную схему нагрузки, идет обработка образца под высоким давлением. Разделяют несколько схем интенсивной пластической деформации: кручение под давлением [1], равноканальное-угловое прессование (РКУП) [10], динамическое канально-угловое прессование (ДКУП) [4-9, 11-21]. Каждая из методик применятся в зависимости от геометрии образца. Например, кручение под давлением производится с образцами в виде дисков, тогда как РКУП и ДКУП применим к вытянутым в одном направлении образцам с квадратным или круглым сечением. Главным отличием улучшенных методов ИПД от традиционных способов обработки металла давлением является наличие широкоугловой разориентировки зерен. Обьемные наноструктурные образцы и заготовки могут быть получены методами ИПД из различных металлов и сплавов, включая многие промышленные сплавы и интерметаллиды.
Динамическое канально-угловое прессование на данный момент является наиболее современной методикой получения УМЗ металлов и сплавов. Схема ДКУП была разработана в ВНИИ технической физики Российского федерального ядерного центра (г. Снежинск), в основе которой лежит метод РКУП. Особенность ДКУП заключается в том, что прессование образца происходит при повышенных скоростях за счет действия давления пороховых газов на тыльную часть образца. С фундаментальной точки зрения экспериментальное [4-21] и теоретическое [22-35] исследование метода ДКУП позволяет подробно изучить формирование УМЗ структуры во всем обьеме образца при интенсивных пластических деформациях, а также механизм деформации при высоких скоростях прессования.
Целью данной работы является определение рациональных значений начальной скорости для образцов из титана, алюминия и меди в процессе ДКУП при постоянном действующем давлении, а также анализ основных параметров процесса прессования.
Обьектом исследования является процесс ДКУП для металлических образцов из титана, алюминия и меди. Предмет исследования - основные параметры процесса ДКУП, такие как начальная скорость образца, удельная энергия сдвиговых деформаций, температура, удельный обЪем микроповреждений.
Одним из активно развиваемых и актуальных направлений является получение объемных наноструктурных и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов - перспективных конструкционных и функциональных материалов нового поколения. Данные материалы отличаются тем, что имеют средний размер зерен или других структурных единиц порядка 100 нм, а также однородное распределение структуры и свойств во всех направлениях при достаточно больших размерах исследуемого образца [1, 2]. Исследование УМЗ металлов показало, что они характеризуются рядом уникальных свойств - повышенной в несколько раз, по сравнению с крупнозернистыми аналогами, прочностью, сочетающейся с хорошей пластичностью, низко- и высокотемпературной сверхпластичностью, циклической и радиационной стойкостью.
На данный момент разработано несколько методик получения наноструктурных объемных материалов. К первой методике относится компактирование порошков, которые получают различными способами. Например, с помощью газовой конденсации, плазмохимическим методом, а также аэрозольным и химическим способом. Некоторые из этих методов успешно применяются для создания наноструктурных материалов в совокупности с последующим компактирование. Одной из современных методик является взрывное компактирование порошков [3], где под повышенным давлением происходит соединение дисперсных частиц металла. Однако существует ряд недостатков при компактирование, связанных с загрязнением порошков перед процессом компактирования, остаточная пористость и небольшие размеры готовых образцов.
Ко второй методике относятся методы интенсивной пластической деформации (ИПД), у которых отсутствуют вышеперечисленные недостатки [4-21]. Основной задачей ИПД является формирование УМЗ структуры в металлических образцах с помощью измельчения их микроструктуры до наноразмеров. Особенность данных методов заключается в том, что применяя различную схему нагрузки, идет обработка образца под высоким давлением. Разделяют несколько схем интенсивной пластической деформации: кручение под давлением [1], равноканальное-угловое прессование (РКУП) [10], динамическое канально-угловое прессование (ДКУП) [4-9, 11-21]. Каждая из методик применятся в зависимости от геометрии образца. Например, кручение под давлением производится с образцами в виде дисков, тогда как РКУП и ДКУП применим к вытянутым в одном направлении образцам с квадратным или круглым сечением. Главным отличием улучшенных методов ИПД от традиционных способов обработки металла давлением является наличие широкоугловой разориентировки зерен. Обьемные наноструктурные образцы и заготовки могут быть получены методами ИПД из различных металлов и сплавов, включая многие промышленные сплавы и интерметаллиды.
Динамическое канально-угловое прессование на данный момент является наиболее современной методикой получения УМЗ металлов и сплавов. Схема ДКУП была разработана в ВНИИ технической физики Российского федерального ядерного центра (г. Снежинск), в основе которой лежит метод РКУП. Особенность ДКУП заключается в том, что прессование образца происходит при повышенных скоростях за счет действия давления пороховых газов на тыльную часть образца. С фундаментальной точки зрения экспериментальное [4-21] и теоретическое [22-35] исследование метода ДКУП позволяет подробно изучить формирование УМЗ структуры во всем обьеме образца при интенсивных пластических деформациях, а также механизм деформации при высоких скоростях прессования.
Целью данной работы является определение рациональных значений начальной скорости для образцов из титана, алюминия и меди в процессе ДКУП при постоянном действующем давлении, а также анализ основных параметров процесса прессования.
Обьектом исследования является процесс ДКУП для металлических образцов из титана, алюминия и меди. Предмет исследования - основные параметры процесса ДКУП, такие как начальная скорость образца, удельная энергия сдвиговых деформаций, температура, удельный обЪем микроповреждений.
В результате проделанной работы выполнено несколько основных задач:
1) Из анализа научной литературы определено постоянное давление, действующее в процессе ДКУП на тыльную часть металлического образца и равное 320 МПа.
2) Проведены тестовые задачи, необходимые для валидации (тест Тейлора) и верификации (сеточная сходимость) физико-математической модели.
В результате максимальная относительная погрешность теста Тейлора для образца из титана составила 4.2 %, для образца из алюминия 4.9 %, для образца из меди 5.1 %. В результате проведенной сеточной сходимости из трех предложенных сеток, выбрана сетка с 12900 элементами. В качестве критериев выбора рациональной сетки выбрана полная и кинетическая энергия образца, а так же количество итераций, выполняемых вычислительной программой.
3) Определены рациональные начальные скорости движения металлических образцов из титана ВТ1-00, алюминия А95, меди М0, при которых возможно успешное прохождение образца через оснастку, а так же проведен анализ основных параметров процесса ДКУП.
Так для образца из титана ВТ1-00 рациональная скорость составляет 250 м/с, но предварительно необходим нагрев образца до температуры 800 К. Поля удельной энергии сдвиговой деформации наиболее равномерно распределены в основании образца, тогда как передняя и тыльная часть практически не подверглись ИПД. Средняя температура образца в конце процесса прессования составляет 1140 К и переходит порог рекристаллизации, что согласуется с экспериментами [4]. Наибольшие значение удельного объема микроповреждений наблюдается в верхней части образца и составляет 0.33 см3/кг.
ДКУП для образца из алюминия А95 возможно при нулевой начальной скорости. Кинематический анализ так же показывает, что образец набирает скорость до 100 м/с в начале процесса прессования с постоянным ускорением, равным 1.3 х 106 м/с2. Следовательно, динамическое прессование для алюминия А95 возможно и при более низких давлениях, действующих на образец. Удельная энергия сдвиговых деформаций распределена равномерно по основанию образца, кроме передней и тыльной части. Средняя температура образца в конце процесса прессования составляет 380-400 К и не переходит порог рекристаллизации. Удельный объем микроповреждений так же не высок, и максимальное значение составляет 0.16 см3/кг.
Успешное прессования для образца из меди М0 возможно при начальной скорости 170 м/с. При больших скоростях появляются значительные деформации в верхней части образца, а при меньших скоростях образец застревает в оснастке. Удельная энергия сдвиговых деформаций распределена равномерно во всем объеме образца, но опять же передняя и тыльная часть не подвержены процессу ИПД. Средняя температура образца в конце процесса ДКУП составляет 420-480 К и находится ниже порога рекристаллизации. Удельный объем микроповреждений обширно распространён в верхней части образца и в области пересечения каналов, максимальная величина составляет 0.13 см3/кг.
В целом, для металлических образцов, прошедших ДКУП выявлены следующие особенности:
1) Удлинение в продольном направлении
2) Равномерное распределение удельной энергии сдвиговой деформации по всему объему образца, кроме передней и тыльной части.
3) Интенсивный нагрев образца в нижней области, где контакт с оснасткой максимален. Температуры в данной области превышают среднюю температуру образца на 100-150 К.
4) Максимальные микроповреждения расположены в верхней части образца.
1) Из анализа научной литературы определено постоянное давление, действующее в процессе ДКУП на тыльную часть металлического образца и равное 320 МПа.
2) Проведены тестовые задачи, необходимые для валидации (тест Тейлора) и верификации (сеточная сходимость) физико-математической модели.
В результате максимальная относительная погрешность теста Тейлора для образца из титана составила 4.2 %, для образца из алюминия 4.9 %, для образца из меди 5.1 %. В результате проведенной сеточной сходимости из трех предложенных сеток, выбрана сетка с 12900 элементами. В качестве критериев выбора рациональной сетки выбрана полная и кинетическая энергия образца, а так же количество итераций, выполняемых вычислительной программой.
3) Определены рациональные начальные скорости движения металлических образцов из титана ВТ1-00, алюминия А95, меди М0, при которых возможно успешное прохождение образца через оснастку, а так же проведен анализ основных параметров процесса ДКУП.
Так для образца из титана ВТ1-00 рациональная скорость составляет 250 м/с, но предварительно необходим нагрев образца до температуры 800 К. Поля удельной энергии сдвиговой деформации наиболее равномерно распределены в основании образца, тогда как передняя и тыльная часть практически не подверглись ИПД. Средняя температура образца в конце процесса прессования составляет 1140 К и переходит порог рекристаллизации, что согласуется с экспериментами [4]. Наибольшие значение удельного объема микроповреждений наблюдается в верхней части образца и составляет 0.33 см3/кг.
ДКУП для образца из алюминия А95 возможно при нулевой начальной скорости. Кинематический анализ так же показывает, что образец набирает скорость до 100 м/с в начале процесса прессования с постоянным ускорением, равным 1.3 х 106 м/с2. Следовательно, динамическое прессование для алюминия А95 возможно и при более низких давлениях, действующих на образец. Удельная энергия сдвиговых деформаций распределена равномерно по основанию образца, кроме передней и тыльной части. Средняя температура образца в конце процесса прессования составляет 380-400 К и не переходит порог рекристаллизации. Удельный объем микроповреждений так же не высок, и максимальное значение составляет 0.16 см3/кг.
Успешное прессования для образца из меди М0 возможно при начальной скорости 170 м/с. При больших скоростях появляются значительные деформации в верхней части образца, а при меньших скоростях образец застревает в оснастке. Удельная энергия сдвиговых деформаций распределена равномерно во всем объеме образца, но опять же передняя и тыльная часть не подвержены процессу ИПД. Средняя температура образца в конце процесса ДКУП составляет 420-480 К и находится ниже порога рекристаллизации. Удельный объем микроповреждений обширно распространён в верхней части образца и в области пересечения каналов, максимальная величина составляет 0.13 см3/кг.
В целом, для металлических образцов, прошедших ДКУП выявлены следующие особенности:
1) Удлинение в продольном направлении
2) Равномерное распределение удельной энергии сдвиговой деформации по всему объему образца, кроме передней и тыльной части.
3) Интенсивный нагрев образца в нижней области, где контакт с оснасткой максимален. Температуры в данной области превышают среднюю температуру образца на 100-150 К.
4) Максимальные микроповреждения расположены в верхней части образца.
