Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА 15 % SiC/Al ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Смирнов А.С. 1 Коновалов А.В. 1 Муйземнек О.Ю. 1
1 Институт машиноведения УрО РАН
В работе предложена модель сопротивления деформации, которая в отличие от разработанной ранее авторами модели учитывает кроме возврата и рекристаллизации эффект блокирования свободных дислокаций в процессе деформации. На основе известных из литературы экспериментальных кривых сопротивления деформации металломатричного композита 15 % SiC/Al, полученных при температурах 450 ºС и 500 ºС для диапазона скоростей деформаций от 0,1 до 10 с-1, выполнена идентификация данной модели сопротивления деформации. Предложенная модель сопротивления деформации с достаточно хорошей инженерной точностью описывает реологическое поведение металломатричного композита 15 % SiC/Al в рассмотренных температурно-скоростных условиях деформации.
модель сопротивления деформации
металломатричный композит
15 % SiC/Al
высокие температуры
1. Mazen A.A. Effect of deformation temperature on the mechanical behavior and deformation mechanisms of Al-Al2O3 metal matrix composites // Journal of Materials Engineering and Performance. ‒ 1999. ‒ T. 8, № 4. ‒ C. 487–495.
2. Rajamuthamilselvan M., Ramanathan S. Development of processing map for 7075 Al/20 % SiC p composite // Journal of Materials Engineering and Performance. ‒ 2012. ‒ T. 21, № 2. ‒ C. 191–196.
3. Yang Y., Li F., Yuan Z., Qiao H. A modified constitutive equation for aluminum alloy reinforced by silicon carbide particles at elevated temperature // Journal of Materials Engineering and Performance. ‒ 2013. ‒ T. 22, № 9. ‒ C. 2641–2655.
4. Gangolu S., Rao A. G., Prabhu N., Deshmukh V. P., Kashyap B. P. Hot Workability and Flow Characteristics of Aluminum-5 wt. % B4C Composite // Journal of Materials Engineering and Performance. ‒ 2014. ‒ C. 1–8.
5. Mondal C., Singh A. K., Mukhopadhyay A.K., Chattopadhyay K. Effects of different modes of hot cross-rolling in 7010 aluminum alloy: Part II. mechanical properties anisotropy // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. ‒ 2013. ‒ T. 44, № 6. ‒ C. 2764–2777.
6. Puchi-Cabrera E. S. A constitutive description for aluminum-0.1 pct magnesium alloy under hot working conditions // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. ‒ 2003. ‒ T. 34, № 12. ‒ C. 2837–2846.
7. Gouttebroze S., Mo A., Grong Ø., Pedersen K. O., Fjær H.G. A new constitutive model for the finite element simulation of local hot forming of aluminum 6xxx alloys // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. ‒ 2008. ‒ T. 39 A, № 3. ‒ C. 522–534.
8. Zhang P., Li F., Wan Q. Constitutive equation and processing map for hot deformation of SiC particles reinforced metal matrix composites // Journal of Materials Engineering and Performance. ‒ 2010. ‒ T. 19, № 9. ‒ C. 1290–1297.
9. Asgharzadeh H., Simchi A., Kim H. S. Hot deformation of ultrafine-grained Al6063/Al 2O 3 nanocomposites // Journal of Materials Science. ‒ 2011. ‒ T. 46, № 14. ‒ C. 4994–5001.
10. Коновалов А.В. Вязкопластическая модель сопротивления металла высокотемпературной деформации // Металлы. ‒ 2005. № 5. ‒ C. 94–98.
11. Коновалов А.В., Смирнов А.С. Вязкопластическая модель сопротивления деформации стали 08Х18Н10Т при температуре горячей деформации // Металлы. ‒ 2008. № 2. ‒ C. 55–59.
12. Смирнов А.С., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю. Идентификация модели сопротивления деформации металлических материалов с учетом объемной доли динамически рекристаллизованных зерен // Деформация и разрушение материалов. ‒ 2013. № 9. ‒ C. 7–13.
13. Zhu S. M., Nie J. F. Serrated flow and tensile properties of a Mg-Y-Nd alloy // Scripta Materialia. ‒ 2004. ‒ T. 50, № 1. ‒ C. 51–55.
14. Wang C., Xu Y., Han E. Serrated flow and abnormal strain rate sensitivity of a magnesium–lithium alloy // Materials Letters. ‒ 2006. ‒ T. 60, № 24. ‒ C. 2941–2944.
15. Zhongjun W., Weiping J., Jianzhong C. Study on the Deformation Behavior of Mg-3.6 % Er Magnesium Alloy // Journal of Rare Earths. ‒ 2007. ‒ T. 25, № 6. ‒ C. 744–748.
16. Anjabin N., Karimi Taheri A., Kim H. S. Simulation and experimental analyses of dynamic strain aging of a supersaturated age hardenable aluminum alloy // Materials Science and Engineering A. ‒ 2013. ‒ T. 585. ‒ C. 165–173.

Металломатричные композиты (ММК) обладают улучшенными свойствами по сравнению с неармированными монолитными металлическими аналогами. Они имеют высокую прочность, жесткость, износостойкость, теплопроводность, повышенное сопротивление при высокотемпературных нагрузках и сопротивление на усталость, низкую плотность и коэффициент теплового расширения.

В этих материалах металл выступает в качестве матрицы, которая усиливается путем добавления неметаллических веществ, обычно керамики. При создании ММК возможно целенаправленное изменение их механических и эксплуатационных свойств путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и методов изготовлениям композита. В результате эти композиционные материалы имеют разные приложения в ряде отраслей, включая автомобилестроение, электротехническую и аэрокосмическую промышленность. Из них изготавливаются детали двигателей внутреннего сгорания, тормозных систем, элементы транспортных, авиационных и ракетных конструкций, тепловые части управления силовой электроники, спортивные товары.

Исследования проводятся по изучению сопротивления деформации [1–4], влиянию режимов обработки на формирование микроструктуры [2, 5], построению моделей сопротивления деформации при горячей пластической деформации [3, 4, 6–9]. В работах [2–4, 8] показано, что для некоторых металломатричных композитов на основе алюминия форма кривых сопротивления деформации композита сильно зависит от скорости деформации. Так в металломатричном композите 15 % SiC/Al при температурах 450 °С и 500 °С в диапазоне скоростей деформаций smir01.wmf = 5–10 с-1 сопротивление деформации σS имеет максимальный пик напряжения деформирования, после которого сопротивление деформации падает с увеличением степени деформации [3]. При этих же температурах, но при smir03.wmf = 0,1 – 1 с-1 сопротивление деформации не имеет максимального пика и значение сопротивления деформации постоянно растет с увеличением степени деформации. Предложенная модель сопротивления деформации в работе [3], по мнению авторов работы, недостаточно точно описывает реологическое поведение композита, что может быть связано отсутствием в модели учёта барьерного эффекта блокирования свободных дисклокаций примесными атомами и частицами SiC. В ранних работах авторов была разработана и апробирована модель сопротивления деформации на ряде сталей и алюминиевых сплавов, которая учитывает динамическую рекристаллизацию и возврат [10–12]. Структура модели позволяет добавить внутренние переменные, отвечающие за процессы, связанные упрочнением за счет барьерного эффекта.

Целью данной работы является описание реологического поведения металломатричного композита 15 % SiC/Al с помощью модели сопротивления деформации, учитывающей динамический возрат и разекристаллизацию, а также барьерный эффект блокирования свободных дислокаций при температурах 450 °С и 500 °С в диапазоне скоростей деформаций smir04.wmf = 0,1 – 10 с-1.

Модель сопротивления деформации

В качестве математической модели сопротивлении деформации была взята математическая модель из работы [10], учитывающая упрочнение за счет приращения плотности дислокаций, а разупрочнение за счет прохождения динамической рекристаллизации и возврата. Поскольку в высоколегированных алюминиевых сплавах с большим количеством включений может наблюдаться барьерный эффект блокирования границ зерен, субзерен и сводных дисклокаций [13–16], то в модель сопротивления деформации были дополнительно введены внутренние параметры, отвечающие за блокирование движения свободных дислокаций примесными атомами и включениями. Модель сопротивления деформации имеет следующий вид:

smir05.wmfsmir06.wmf

smir07.wmf

smir08.wmf

smir09.wmf, smir10.wmf

smir11.wmf

Здесь σs – напряжение сжатия (растяжения) при одноосном напряженном состоянии (сопротивление деформации); a0 = k(t0), t0 – момент времени начала пластической деформации; q – функция, описывающая вязкие свойства материала; ρ - величина, пропорциональная приращению плотности дислокаций за счет пластической деформации; εr – степень деформации, накопленная до начала динамической рекристаллизации; Vn, Vr – нерекристаллизованная и рекристаллизованная доли объема металла, соответственно; Vp – приращение объема, характеризующего скопления дислокаций, заблокированных включениями и примесными атомами; R – радиус рекристаллизованного зерна, R(tr) = 0, tr – момент времени начала динамической рекристаллизации, определяемый условием ρ = a4; ai (i = 0,…,13) – параметры модели, подлежащие идентификации по опытным данным. Объем Vn, Vr и Vp должны удовлетворять следующему равенству: smir12.wmf. В начальный момент времени до деформации Vn = 1, Vr = 0, Vp = 0.

Модель сопротивлении деформации идентифицировали с использованием кривых сопротивления деформации металломатричного композита 15 % SiC/Al, взятых из работы [3]. В этой работе в качестве матричного материала использовался алюминиевый сплав (Cu – 4,1; Mg – 0,64; Mn – 0,54; Fe – 0,37; Si – 0,34; Zn – 0,1; Ti – 0,019; Al – ост., % по массе). К данному сплаву в объеме 15 % был добавлен порошок из SiC с размером частиц 12 мкм. Исходная микроструктура образцов приведена на рис. 1.

smir01.tif

Рис. 1. Исходная микроструктура композита SiC/Al [3]

Результаты идентификации

На рис. 2 маркерами приведены экспериментальные значения сопротивления деформации композита 15 % SiC/Al при температурах испытаний 450 °С и 500 °С, взятые из работы [3].

Параметры модели нашли, минимизируя одновременно по четырем экспериментальным кривым сопротивления деформации для каждой температуры в отдельности среднеквадратичное отклонение расчетных значений сопротивления деформации σs(t)от экспериментальных z(t)

smir13.wmf,

где T – время деформации образца. Результаты идентификации модели сопротивления деформации приведены на рис. 2 сплошными линиями. Коэффициенты модели приведены в таблице.

smir01a.tif smir01b.tif

Рис. 2. Зависимость сопротивления деформации σS от степени деформации ε металломатричного композита при температуре 450 °С и 500 °С. Маркерами показаны экспериментальные зависимости из работы [3], сплошные кривые построены по результатам идентификации модели сопротивления деформации

Коэффициенты модели сопротивления деформации

T, °C

a0

a1

a2

a3

a4

a5

a6

a7

a8

a9

a10

a11

a12

a13

450

8

4373

0,12

62

5,7

117

0,144

1,63

29

0,36

0,68

149

2,05

0,019

500

6

4589

0,15

57

4,3

137

0,044

1,14

14

1,02

0,91

140

3,49

0,005

Обсуждение результатов идентификации модели

Как видно из рис. 2 поведение композита можно разделить на два типа в зависимости от скорости деформации. Материал упрочняется при скоростях деформаций smir30.wmf с-1, а при скоростях деформаций smir31.wmf с-1 композит имеет максимальный пик напряжения деформирования, после которого происходит разупрочнение материала. Такое реологическое поведение модель сопротивления деформации учитывает, и из расчетных кривых сопротивления деформации видно, что модель достаточно хорошо описывает разупрочнение и упрочнение материала.

Среднее относительное отклонение d экспериментальных кривых от рассчитанных составило 2 % для температуры испытания 450 °С и 3 % для температуры испытания 500 °С. Величину δ вычисляли по формуле

smir32.wmf,

где j – номер эксперимента; N– общее количество опытов во всех экспериментах, используемых при идентификации; Tj– время деформации образца для j-го эксперимента; z и σs – экспериментальное и полученное по результатам идентификации модели сопротивления j-го эксперимента значение сопротивления деформации.

Выводы

Из результатов идентификации модели сопротивления деформации по известным из литературы опытным данным можно заключить, что предложенная модель сопротивления деформации с достаточно хорошей инженерной точностью описывает реологическое поведение металломатричного композита 15 % SiC/Al при высокотемпературной пластической деформации при температурах 450 ºС и 500 ºС для диапазона скоростей деформаций от 0,1 до 10 с-1.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект №14-19-01358).


Библиографическая ссылка

Смирнов А.С., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю. МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА 15 % SiC/Al ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 11-1. – С. 22-25;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6066 (дата обращения: 26.04.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252