Моделирование сопротивления деформации металломатричного алюминиевого композита в условиях высоких температур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование сопротивления деформации металломатричного алюминиевого композита 15% SiCp/Al в условиях высоких температур

Смирнов А.С., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю.

Екатеринбург, Россия

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% SiCp/Al при температурах 450 С и 500 С в диапазоне скоростей деформаций = 5-10 с^-1 сопротивление деформации имеет максимальный пик напряжения деформирования, после которого сопротивление деформации падает с увеличением степени деформации [3]. При этих же температурах, но при = 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% SiCp/Al с помощью модели сопротивления деформации, учитывающей динамический возрат и рекристаллизацию, а также барьерный эффект блокирования свободных дислокаций при температурах 450 С и 500 С в диапазоне скоростей деформаций = 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 введены внутренние параметры, отвечающие за блокирование движения свободных дислокаций примесными атомами и включениями. Модель сопротивления деформации имеет следующий вид:

,

Здесь - напряжение сжатия (растяжения) при одноосном напряженном состоянии (сопротивление деформации); , - момент времени начала пластической деформации; - функция, описывающая вязкие свойства материала; - величина, пропорциональная приращению плотности дислокаций за счет пластической деформации; - степень деформации, накопленная до начала динамической рекристаллизации; , - нерекристаллизованная и рекристаллизованная доли объема металла, соответственно; - приращение объема, характеризующего скопления дислокаций, заблокированные включениями и примесными атомами; - радиус рекристаллизованного зерна, , - момент времени начала динамической рекристаллизации, определяемый условием ; (=0,…,13) - параметры модели, подлежащие идентификации по опытным данным. Объем , и должны удовлетворять следующему равенству: . В начальный момент времени до деформации , , .

Модель сопротивлении деформации идентифицировали с использованием кривых сопротивления деформации металломатричного композита 15% SiCp/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 со средним размером частиц 12 мкм. Исходная микроструктура образцов приведена на рис. 1. металломатричный композит неармированный

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

Результаты идентификации. На рис. 2 маркерами приведены экспериментальные значения сопротивления деформации композита 15 % SiCp/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 от экспериментальных

,

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

Рис. 2. Зависимость сопротивления деформации от степени деформации 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

Таблица Коэффициенты модели сопротивления деформации

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 с^-1, а при скоростях деформаций 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 экспериментальных кривых от рассчитанных составило 2% для температуры испытания 450 С и 3% для температуры испытания 500 С. Величину вычисляли по формуле

,

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

Выводы

Из результатов идентификации модели сопротивления деформации можно заключить, что предложенная модель сопротивления деформации с достаточно хорошей инженерной точностью описывает реологическое поведение металломатричного композита 15% SiCp/Al.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 14-19-01358.

Литература

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 Ш., Pedersen K. O., Fjжr 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.

Размещено на Allbest.ru