ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В АДДИТИВНОМ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВОМ СПЛАВЕ НАУРОВНЕ ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Структура и свойства аддитивных алюминиево-кремниевых сплавов, полученных аддитивными методами (обзор) 8
1.1 Аддитивные методы получения металлических изделий 8
1.2 Структура и свойства силуминов 12
1.3 Структурно-механические особенности алюминиево-кремниевых
сплавов изготовленных селективным лазерным плавлением 17
2.Экспериментальное исследование микроструктуры СЛП сплава AlSiwMg ... 20
2.1 Изготовление образцов СЛП сплава AlSiioMg 20
2.2 Исследование микроструктуры и фазового состава 21
3 Моделирование деформационного поведения аддитивного алюминиево-
кремниевого сплава на уровне дендритной структуры 25
3.1 Решение квазистатических задач методом конечных элементов 25
3.2 Математическая постановка упругой задачи 27
3.3 Построение геометрических (КЭ) моделей дендритных структур на
основе обработки экспериментальных изображений 30
3.4 Определяющие соотношения структурных элементов, константы
модели и условия нагружения 33
4 Результаты моделирования 36
4.1Влияние степени детализации на эффективные и локальные характеристики НДС на микроуровне 36
4.2 Анализ характеристик НДС на микроуровне 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 46
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Структура и свойства аддитивных алюминиево-кремниевых сплавов, полученных аддитивными методами (обзор) 8
1.1 Аддитивные методы получения металлических изделий 8
1.2 Структура и свойства силуминов 12
1.3 Структурно-механические особенности алюминиево-кремниевых
сплавов изготовленных селективным лазерным плавлением 17
2.Экспериментальное исследование микроструктуры СЛП сплава AlSiwMg ... 20
2.1 Изготовление образцов СЛП сплава AlSiioMg 20
2.2 Исследование микроструктуры и фазового состава 21
3 Моделирование деформационного поведения аддитивного алюминиево-
кремниевого сплава на уровне дендритной структуры 25
3.1 Решение квазистатических задач методом конечных элементов 25
3.2 Математическая постановка упругой задачи 27
3.3 Построение геометрических (КЭ) моделей дендритных структур на
основе обработки экспериментальных изображений 30
3.4 Определяющие соотношения структурных элементов, константы
модели и условия нагружения 33
4 Результаты моделирования 36
4.1Влияние степени детализации на эффективные и локальные характеристики НДС на микроуровне 36
4.2 Анализ характеристик НДС на микроуровне 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 46
Актуальность темы
В отличие от традиционных методов изготовления деталей и конструкций, где деталь получается путем постепенного удаления материала для достижения требуемых форм и размеров, аддитивный способ предполагает построение объемных объектов последовательным добавлением необходимого количества материала слой за слоем [1]. К преимуществам аддитивных технологий перед традиционными технологиями обработки металлов относятся возможность создавать изделия сложной геометрической формы при практически безотходном производстве, возможность быстрого прототипирования, отсутствие структурных дефектов, связанных с наличием сварных швов и других способов неразъемных соединений.
Вместе с тем существует целый ряд проблем, ограничивающих широкое применение аддитивных технологий для производства изделий из металлов и сплавов. Так, ключевой проблемой изготовления аддитивных металлических изделий является сложная зависимость их микроструктуры от технологических параметров производства и физико-механических свойств исходных материалов. К числу негативных факторов относятся существенная анизотропия механических свойств, микропористость, выделение хрупких фаз по границам зерен и др. [2]. Как правило, микроструктура аддитивных материалов существенно отличается от структуры материалов с таким же химическим составом, полученных традиционными методами. Наличие сложной иерархической структуры, характерной для большинства аддитивных металлов и сплавов, делает их поведение сложно предсказуемым в рамках существующих теорий. Отсутствие научно-обоснованных общих принципов получения аддитивных металлических материалов с контролируемой микроструктурой определяет постоянный высокий спрос на научные исследования в данной области.
Прогноз деформационного поведения аддитивных металлов и сплавов требует знаний механизмов деформации, развивающихся на различных масштабных уровнях, и их вкладов в макроскопический отклик. Зачастую отделить влияние различных факторов в рамках экспериментальных исследований не представляется возможным. В этой связи, привлекательной является идея проведения численного анализа деформационных процессов на определенных масштабных уровнях с явным учетом значимых структурных элементов. Этим определяется актуальность настоящей работы, направленной на разработку модели деформационного поведения алюминиево-кремниевого сплава, полученного селективным лазерным плавлением (СЛП), на микроуровне с явным учетом дендритной структуры.
Разработанность темы
Сплав AlSiwMg является одним из наиболее часто используемых материалов для изготовления легких алюминиевых конструкций методом селективного лазерного плавления (СЛП), благодаря его оптимальным для 3D печати термическим характеристикам, хорошим механическим свойствам, а также низкой себестоимости. Экспериментальный опыт [2,3] свидетельствует о ключевом значении трех факторов, оказывающих существенное влияние на свойства СЛП AlSiwMg сплава: зеренная структура и текстура, субзеренная дендритная структура и пористость. В работах, посвященных численному моделированию СЛП алюминиево-кремниевых сплавов, до сих пор основное внимание уделялось анализу влияния зеренной структуры и текстуры на деформационное поведение. Например, в [4-9] моделирование с явным учетом зеренной структуры выполнялось в рамках физической теории пластичности кристаллов (англ. crystal plasticity), которые явно учитывали кристаллическую структуру и геометрические особенности скольжения дислокаций на активных системах скольжения. В подавляющем большинстве работ деформационный отклик зерен аддитивных алюминиево-кремниевых сплавов описывался на основе феноменологических моделей, не учитывающих структурные особенности и механизмы деформации микроуровня.
Вместе с тем, дендритная структура зерен играет определяющую роль в формировании механических свойств этих сплавов. Относительно высокое содержание кремния существенно влияет на микроструктуру и механические свойства зерен. Быстрая кристаллизация и высокие скорости охлаждения в процессе СЛП приводят к образованию микроструктуры, представляющей собой субмикронные ячейки первичного алюминия, окруженные непрерывным эвтектическим каркасом, что кардинальным образом влияет на прочность и пластичность СЛП сплава. Благодаря высокому содержанию частиц кремния, эвтектический слой служит барьером для движения дислокаций. Длина свободного пробега дислокаций в дендритных ячейках определяется их размером в 200-500 нм, что в 50 раз меньше, чем в дендритах силумина, изготовленного традиционным литьем. Соответственно, СЛП сплавы характеризуются существенным повышением характеристик прочности и снижением пластичности. На характеристики дендритной структуры существенно влияет последующая термообработка, приводящая к разрушению эвтектического каркаса и более однородному распределению частиц кремния в алюминиевой матрице.
Таким образом, для более точного описания деформационного поведения зерен учет особенностей микроструктуры имеет важное значение. В настоящее время опубликованы лишь единичные работы в данном направлении (например, [1]). В связи с этим, целью дипломной работы является разработка микромеханических моделей алюминиево-кремниевого сплава с явным учетом дендритной структуры и численный анализ напряженно-деформированного состояния в условиях нагружения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Выполнить аналитический обзор литературы по теме исследования.
2. Проанализировать экспериментальные данные просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) о характеристиках дендритной структуры СЛП сплава AlSiwMg.
3. Разработать компьютерную программу построения конечно
элементных (КЭ) моделей фрагментов дендритных структур путем графической обработки экспериментальных данных ПЭМ и их импорт в КЭ пакет ABAQUS.
4. Провести численный анализ напряженно-деформированного состояния фрагментов дендритных структур в условиях квазистатического растяжения.
Методы исследования
Расчеты упругого поведения дендритных структур СЛП AlSiwMg проводятся в рамках подходов микромеханики с явным учетом геометрических особенностей структурных элементов микроуровня. Геометрические модели структур строятся путем графической обработки экспериментальных изображений, полученных методом ПЭМ. Эффективные упругие характеристики получаются путем осреднения характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) по всем элементам расчетной области. Наряду с оценкой эффективных свойств, проводится анализ распределений напряжений и деформаций на микроуровне.
Теоретическая и практическая значимость
Разработанная программа построения КЭ моделей фрагментов дендритных структур путем графической обработки экспериментальных данных ПЭМ может быть использована для получения модельных структур различных материалов. Данные об особенностях НДС на микроуровне способствуют более глубокому понимаю деформационных процессов и влияния дендритной структуры СЛП алюминиево-кремниевых сплавов. Эффективные характеристики микроструктуры могут быть использованы в качестве параметров определяющих соотношений зерен для моделирования на уровне зеренной структуры (мезоуровне).
Участие в проектах
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, FWRW-2021-/0002/.
Объем и структура работы
Выпускная квалификационная работа бакалавра состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 49 страниц, включая 20 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 34 библиографических ссылок.
Во введении описана актуальность исследуемой проблемы и методы исследования. Сформулированы цели и задачи работы, описана теоретическая и практическая значимость.
В первом разделе работы выполнен обзор аддитивных методов получения металлических изделий. Описана структура и свойства силуминов, а также структурно-механические особенности алюминиево-кремниевых сплавов, изготовленных СЛП.
Второй раздел работы посвящен изготовлению экспериментальных образцов СЛП сплава AlSiwMg и экспериментальному исследованию дендритной структуры и фазового состава.
В третьем разделе работы рассматривается решение квазистатических задач методом конечных элементов (МКЭ), дается математическая постановка, приводится метод построения геометрических КЭ моделей дендритной структуры на основе обработки экспериментальных изображений. Также записаны определяющие соотношения структурных элементов, константы модели и условия нагружения.
В четвертом разделе работы приведены результаты моделирования, определены эффективные упругие характеристики дендритных структур на основе смесевой модели и полученные в КЭ расчетах, проведен анализ характеристик НДС на микроуровне.
В заключении к работе приводятся основные результаты и выводы.
Автор считает необходимым выразить огромную благодарность своему научному руководителю д-р физ.-мат. наук Романовой В. А. за полезные дискуссии, ценные замечания и помощь в реализации научного исследования.
В отличие от традиционных методов изготовления деталей и конструкций, где деталь получается путем постепенного удаления материала для достижения требуемых форм и размеров, аддитивный способ предполагает построение объемных объектов последовательным добавлением необходимого количества материала слой за слоем [1]. К преимуществам аддитивных технологий перед традиционными технологиями обработки металлов относятся возможность создавать изделия сложной геометрической формы при практически безотходном производстве, возможность быстрого прототипирования, отсутствие структурных дефектов, связанных с наличием сварных швов и других способов неразъемных соединений.
Вместе с тем существует целый ряд проблем, ограничивающих широкое применение аддитивных технологий для производства изделий из металлов и сплавов. Так, ключевой проблемой изготовления аддитивных металлических изделий является сложная зависимость их микроструктуры от технологических параметров производства и физико-механических свойств исходных материалов. К числу негативных факторов относятся существенная анизотропия механических свойств, микропористость, выделение хрупких фаз по границам зерен и др. [2]. Как правило, микроструктура аддитивных материалов существенно отличается от структуры материалов с таким же химическим составом, полученных традиционными методами. Наличие сложной иерархической структуры, характерной для большинства аддитивных металлов и сплавов, делает их поведение сложно предсказуемым в рамках существующих теорий. Отсутствие научно-обоснованных общих принципов получения аддитивных металлических материалов с контролируемой микроструктурой определяет постоянный высокий спрос на научные исследования в данной области.
Прогноз деформационного поведения аддитивных металлов и сплавов требует знаний механизмов деформации, развивающихся на различных масштабных уровнях, и их вкладов в макроскопический отклик. Зачастую отделить влияние различных факторов в рамках экспериментальных исследований не представляется возможным. В этой связи, привлекательной является идея проведения численного анализа деформационных процессов на определенных масштабных уровнях с явным учетом значимых структурных элементов. Этим определяется актуальность настоящей работы, направленной на разработку модели деформационного поведения алюминиево-кремниевого сплава, полученного селективным лазерным плавлением (СЛП), на микроуровне с явным учетом дендритной структуры.
Разработанность темы
Сплав AlSiwMg является одним из наиболее часто используемых материалов для изготовления легких алюминиевых конструкций методом селективного лазерного плавления (СЛП), благодаря его оптимальным для 3D печати термическим характеристикам, хорошим механическим свойствам, а также низкой себестоимости. Экспериментальный опыт [2,3] свидетельствует о ключевом значении трех факторов, оказывающих существенное влияние на свойства СЛП AlSiwMg сплава: зеренная структура и текстура, субзеренная дендритная структура и пористость. В работах, посвященных численному моделированию СЛП алюминиево-кремниевых сплавов, до сих пор основное внимание уделялось анализу влияния зеренной структуры и текстуры на деформационное поведение. Например, в [4-9] моделирование с явным учетом зеренной структуры выполнялось в рамках физической теории пластичности кристаллов (англ. crystal plasticity), которые явно учитывали кристаллическую структуру и геометрические особенности скольжения дислокаций на активных системах скольжения. В подавляющем большинстве работ деформационный отклик зерен аддитивных алюминиево-кремниевых сплавов описывался на основе феноменологических моделей, не учитывающих структурные особенности и механизмы деформации микроуровня.
Вместе с тем, дендритная структура зерен играет определяющую роль в формировании механических свойств этих сплавов. Относительно высокое содержание кремния существенно влияет на микроструктуру и механические свойства зерен. Быстрая кристаллизация и высокие скорости охлаждения в процессе СЛП приводят к образованию микроструктуры, представляющей собой субмикронные ячейки первичного алюминия, окруженные непрерывным эвтектическим каркасом, что кардинальным образом влияет на прочность и пластичность СЛП сплава. Благодаря высокому содержанию частиц кремния, эвтектический слой служит барьером для движения дислокаций. Длина свободного пробега дислокаций в дендритных ячейках определяется их размером в 200-500 нм, что в 50 раз меньше, чем в дендритах силумина, изготовленного традиционным литьем. Соответственно, СЛП сплавы характеризуются существенным повышением характеристик прочности и снижением пластичности. На характеристики дендритной структуры существенно влияет последующая термообработка, приводящая к разрушению эвтектического каркаса и более однородному распределению частиц кремния в алюминиевой матрице.
Таким образом, для более точного описания деформационного поведения зерен учет особенностей микроструктуры имеет важное значение. В настоящее время опубликованы лишь единичные работы в данном направлении (например, [1]). В связи с этим, целью дипломной работы является разработка микромеханических моделей алюминиево-кремниевого сплава с явным учетом дендритной структуры и численный анализ напряженно-деформированного состояния в условиях нагружения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Выполнить аналитический обзор литературы по теме исследования.
2. Проанализировать экспериментальные данные просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) о характеристиках дендритной структуры СЛП сплава AlSiwMg.
3. Разработать компьютерную программу построения конечно
элементных (КЭ) моделей фрагментов дендритных структур путем графической обработки экспериментальных данных ПЭМ и их импорт в КЭ пакет ABAQUS.
4. Провести численный анализ напряженно-деформированного состояния фрагментов дендритных структур в условиях квазистатического растяжения.
Методы исследования
Расчеты упругого поведения дендритных структур СЛП AlSiwMg проводятся в рамках подходов микромеханики с явным учетом геометрических особенностей структурных элементов микроуровня. Геометрические модели структур строятся путем графической обработки экспериментальных изображений, полученных методом ПЭМ. Эффективные упругие характеристики получаются путем осреднения характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) по всем элементам расчетной области. Наряду с оценкой эффективных свойств, проводится анализ распределений напряжений и деформаций на микроуровне.
Теоретическая и практическая значимость
Разработанная программа построения КЭ моделей фрагментов дендритных структур путем графической обработки экспериментальных данных ПЭМ может быть использована для получения модельных структур различных материалов. Данные об особенностях НДС на микроуровне способствуют более глубокому понимаю деформационных процессов и влияния дендритной структуры СЛП алюминиево-кремниевых сплавов. Эффективные характеристики микроструктуры могут быть использованы в качестве параметров определяющих соотношений зерен для моделирования на уровне зеренной структуры (мезоуровне).
Участие в проектах
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, FWRW-2021-/0002/.
Объем и структура работы
Выпускная квалификационная работа бакалавра состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 49 страниц, включая 20 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 34 библиографических ссылок.
Во введении описана актуальность исследуемой проблемы и методы исследования. Сформулированы цели и задачи работы, описана теоретическая и практическая значимость.
В первом разделе работы выполнен обзор аддитивных методов получения металлических изделий. Описана структура и свойства силуминов, а также структурно-механические особенности алюминиево-кремниевых сплавов, изготовленных СЛП.
Второй раздел работы посвящен изготовлению экспериментальных образцов СЛП сплава AlSiwMg и экспериментальному исследованию дендритной структуры и фазового состава.
В третьем разделе работы рассматривается решение квазистатических задач методом конечных элементов (МКЭ), дается математическая постановка, приводится метод построения геометрических КЭ моделей дендритной структуры на основе обработки экспериментальных изображений. Также записаны определяющие соотношения структурных элементов, константы модели и условия нагружения.
В четвертом разделе работы приведены результаты моделирования, определены эффективные упругие характеристики дендритных структур на основе смесевой модели и полученные в КЭ расчетах, проведен анализ характеристик НДС на микроуровне.
В заключении к работе приводятся основные результаты и выводы.
Автор считает необходимым выразить огромную благодарность своему научному руководителю д-р физ.-мат. наук Романовой В. А. за полезные дискуссии, ценные замечания и помощь в реализации научного исследования.
В рамках настоящего исследования разработаны микромеханические модели алюминиево-кремниевого сплава AlSiioMg, полученного методом селективного лазерного плавления, с явным учетом дендритной структуры. Модели микроструктур были построены путем графической обработки экспериментальных изображений полученных методом просвечивающей электронной микроскопии. Для построенных моделей были проведены расчеты растяжения с помощью конечно-элементного пакета Abaqus.
Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что эвтектическая прослойка ведет себя как композиционный материал металлокерамического типа. Частицы кремния представляют собой упрочняющую фазу, которая препятствует деформации алюминиевой прослойки. Степень деформаций коррелирует с объемным содержанием кремния, а именно, чем больше кремния содержится в эвтектической фазе, тем большую площадь будет занимать область пониженных деформаций. При этом, алюминий в объеме дендритных ячеек испытывает деформацию существенно выше среднего уровня, тем самым компенсируя слабую деформацию участков эвтектики и обеспечивая заданную степень растяжения.
Кремний в эвтектической фазе является источником концентрации напряжений и соответственно площадь областей с высоким уровнем напряжений также коррелирует с объемным содержанием кремния. Все компоненты тензоров напряжений и деформаций на микроуровне существенно отклоняются от средних значений. При этом напряжения, действующие перпендикулярно оси нагружения, демонстрируют сжатие в вертикальных участках эвтектики и растяжение в горизонтальных.
Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что эвтектическая прослойка ведет себя как композиционный материал металлокерамического типа. Частицы кремния представляют собой упрочняющую фазу, которая препятствует деформации алюминиевой прослойки. Степень деформаций коррелирует с объемным содержанием кремния, а именно, чем больше кремния содержится в эвтектической фазе, тем большую площадь будет занимать область пониженных деформаций. При этом, алюминий в объеме дендритных ячеек испытывает деформацию существенно выше среднего уровня, тем самым компенсируя слабую деформацию участков эвтектики и обеспечивая заданную степень растяжения.
Кремний в эвтектической фазе является источником концентрации напряжений и соответственно площадь областей с высоким уровнем напряжений также коррелирует с объемным содержанием кремния. Все компоненты тензоров напряжений и деформаций на микроуровне существенно отклоняются от средних значений. При этом напряжения, действующие перпендикулярно оси нагружения, демонстрируют сжатие в вертикальных участках эвтектики и растяжение в горизонтальных.
