Аномальное поведение сопротивления деформации сплава АД0 при околосолидусных температурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

аномальное поведение сопротивления деформации сплава ад0 при околосолидусных температурах

А.В. Коновалов, А.С. Смирнов, В.В. Черномас, Ю.В. Субачев, Г.М. Севастьянов

Екатеринбург, Россия

Комсомольск-на-Амуре, Россия

Обработка металлических материалов в твердожидком состоянии является относительно новым методом производства изделий сложной формы. Данный метод был предложен в 70-е годы прошлого столетия, на основе обнаруженного эффекта тиксотропии металлических материалов, находящихся в твердожидком состоянии и обладающих глобулярной микроструктурой [1]. Основным преимуществом тиксотропного производства изделий является возможность сплава в данном состоянии заполнять сложные формы при относительном небольшой силе деформирования [2-6]. На текущий момент производство изделий, связанное с тиксотропным проявлением свойств сплавов, набирает все большую популярность. Так по технологии тиксоштамповки компании из Италии и США производят детали для автомобильной промышленности, Японские компании занимаются производством из магниевых сплавов деталей для ноутбуков, камер, мобильных телефонов [3, 7]. Для проявления свойств тиксотропности микроструктура заготовки должна быть глобулярной, в результате чего такие заготовки получают методом магнитогидродинамического перемешивания расплава в кристаллизаторе или исходные слитки подвергают высокотемпературной деформации [2-4]. В [8, 9] описана установка горизонтального литья и деформации металла (УГЛДМ), позволяющая проводить рассматриваемый процесс производства изделий в непрерывном режиме в одном устройстве непосредственно из жидкого металла в одну стадию (заливка расплава - получение металлоизделия) без дополнительных операций, связанных со специальной подготовкой микроструктуры заготовки.

Разработку новых технологических процессов изделий проводят на основе физического или компьютерного моделирования процесса. Преимуществами компьютерного моделирования над физическим являются значительно меньшие сроки и стоимость разработки технологического процесса. Для осуществления компьютерного моделирования тиксотропного производства изделий необходимо знать реологическое поведение сплава в интервале подсолидусных температур. Реологическое поведение сплава при заданной температуре испытания характеризуется зависимостью сопротивления деформации от изменения скорости и степени деформации.

Цель данной работы - установить на базе пластометрических испытаний основные закономерности изменения сопротивления деформации алюминиевого сплава АД в зависимости от скорости и степени деформации в интервале подсолидусных температур.

Материал и методика экспериментального исследования

Из полосы толщиной 5 мм и шириной 55 мм алюминиевого сплава АД (мас. %: Al - 99,0; Fe - 0,4; Si - 0,5), изготовленной совмещенным методом литья и прокатки на установке УГЛДМ Института машиноведения и металлургии ДВО РАН [8, 9], выточили образцы диаметром 4±0,1 мм и высотой 6±0,1 мм. Заготовки под образцы вырезали поперек направления прокатки. Химический состав образцов определяли на анализаторе химического состава SPECTROMAXx.

Температуру точки солидуса и ликвидуса сплава АД определяли на дилатометре по изменению приращения длины образца. Для этого выточили цилиндрические образцы из исследуемого сплава диаметром 4 мм и высотой 30 мм. В результате экспериментов температура солидуса составила 654 С, а температура ликвидуса 657 С. Данные исследования проводили на дилатометре Linseis L75VD1400C, находящийся в центре коллективного пользования «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН.

Сопротивление деформации сплава АД при температурах 540, 560, 570 и 640 С изучали с помощью экспериментов на сжатие образцов на автоматизированной пластометрической установке, созданной в Институте машиноведения УрО РАН [10]. Установка обеспечивает максимальную силу деформирования 30 кН и изменение скорости деформации в диапазоне 0,005 - 10 с-1. При сжатии образцов чувствительность датчика силы составляла 3Н, погрешность измерения силы сжатия не превышала ±50 Н, а погрешность перемещения захватов установки составляла ±20 мкм при их перемещении на 10 мм.

Для предотвращения тепловых потерь в процессе испытания образец обертывали каолиновой ватой и вместе с бойками помещали в металлический контейнер. Контейнер с образцом нагревали в электропечи до температуры испытания и затем переносили из печи в рабочее пространство установки, где проводили деформацию образца. Контроль температуры образца в процессе нагрева и её изменения внутри контейнера в ходе испытания осуществляли с помощью алюмель-хромелевой термопары. Поскольку не удается избежать падения температуры образца в процессе выноса контейнера из печи до начала сжатия образца, то образцы перегревали на 8 градусов относительно предполагаемой температуры испытания. В результате гарантированная температура начала деформации образца была 540±2 С, 560±2 С, 570±2 С и 640 ±2 С. В процессе сжатия образцов во всем температурно-скоростном интервале испытаний, температура образцов не изменялась либо росла относительно температуры начала деформации с увеличением степени деформации.

В процессе деформации измеряли силу сжатия образца и перемещение деформирующей плиты установки. Полученные первичные экспериментальные данные изменения силы сжатия от высоты образца обрабатывали с учетом податливости установки. Для этого из экспериментальной кривой P-h вычитали кривую податливости установки в координатах P-h. Эта кривая была получена при сжатии на установке бойков без образца путем замера изменения расстояния между захватами и силы сжатия. Для уменьшения силы трения между образцом и бойками использовали смазку на основе графита.

Рис. 1. Зависимость скорости деформации образцов от времени t

Рис. 2. Зависимость сопротивления деформации от степени деформации при температурах начала деформации, С: 540 (а), 560 (б), 570 (в) и 640 (г). Сплошная кривая соответствует зависимости I, пунктирная - зависимости II, а кривая с точками - зависимости III на рис. 1.

Экспериментальные данные сопротивления деформации сплава АД

Методика получения и обработки экспериментальных данных для сопротивления деформации сплавов подробно описана в работе [11].

На рис. 1 представлены зависимости скорости деформации образцов от времени t. Для каждой такой зависимости и температуры нагрева образца осуществили деформацию трех образцов и усреднили полученные кривые сопротивления деформации в зависимости от степени деформации . Эти кривые приведены на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что для диапазона температур 540 - 640 С сопротивление деформации растет с увеличением степени деформации. Такое реологическое поведение материала в данном диапазоне температур является характерным для технически чистого алюминия [12], и может быть объяснено отсутствием прохождения динамической рекристаллизации в результате активного протекания динамического возврата [13-15].

При температурах 560, 570 и 640 С при степенях деформации, больших некоторой величины , сопротивление деформации уменьшается с ростом скорости деформации, т.е. имеет место обратная скоростная зависимость сопротивления деформации. В данном температурном диапазоне 560 - 640 С кривые сопротивления деформации, соответствующие кривым I и II на рис. 1, пересекаются (см. рис. 2). На рис. 3 представлены значения (маркеры) степени деформации в зависимости от температуры деформирования. Из данного рисунка видно, что с увеличением температуры точка пересечения кривых сопротивления деформации смещается в область меньших значений степеней деформаций. При температуре 540 С пересечения кривых сопротивления деформации отсутствуют в исследованном диапазоне скоростей деформаций (см. рис. 2, г). При увеличении степени деформации относительно величины расхождение кривых сопротивления деформации растет (см. рис. 2).

Рис. 3. Зависимость степени деформации от температуры Т, при которой происходит пересечение кривых сопротивления деформации

твердожидкий металлический сплав обработка

Похожую особенность реологического поведения при околосолидусных температурах высоколегированного алюминиевого сплава (аналог российского сплава АМг6) наблюдали авторы работ [13, 16]. Однако авторы данной работы не акцентируют внимание на таком аномальном реологическом поведении сплава и не объясняют причин его проявления.

Наличие обратной скоростной зависимости у исследуемого сплава АД в диапазоне температур 560 - 640 С можно объяснить блокированием движения свободных дислокаций примесными атомами в определенных температурно-скоростных условиях деформации [17-19]. Возможно данный процесс активней всего происходит в диапазоне скоростей деформаций 0,06 - 0,1 с-1 (закон нагружения I на рис. 1), которому соответствует пунктирная кривая сопротивления деформации на рис. 2.

Работа выполнена в рамках Программы межрегиональных и межведомственных фундаментальных исследований УрО РАН, интеграционный проект институтов ИМАШ УрО РАН (проект 12-С-1-1016) и ИМиМ ДВО РАН (проект 12-II-УО-03-005).

Заключение

1. Экспериментальные исследования алюминиевого сплава АД в диапазоне температур 540 - 640 С и скоростей деформаций 0,06 - 1,2 с-1 показали, что сопротивление деформации увеличивается с ростом степени деформации, что может объясняться активным прохождением динамического возврата, который препятствует началу динамической рекристаллизации.

2. Экспериментально установлено, что для исследуемого сплава АД в диапазоне температур испытаний 560 - 640 С кривые сопротивления деформации, полученные при малых скоростях деформаций (закон нагружения I), имеют точку пересечения с кривой сопротивления деформаций, полученную при больших скоростях деформаций (закон нагружения II). Объяснением такого феномена может служить наличие эффекта блокирования свободных дислокаций примесными атомами в определенных температурно-скоростных условиях деформирования, который наиболее явно проявляется в диапазоне скоростей деформаций 0,06 - 0,1 с-1. Такое аномальное поведение кривой сопротивления деформации не наблюдается при температуре 540 С во всем исследуемом интервале скоростей деформаций 0,06 - 1,2 с-1.

Литература

1. Spencer D. B., Mehrabian R., Flemings M. C. Rheological behavior of Sn-15 pct Pb in the crystallization range // Metallurgical Transactions. ? 1972. ? T. 3, № 7. ? C. 1925-1932.

2. Fan Z. Semisolid metal processing // International Materials Reviews. ? 2002. ? T. 47, № 2. ? C. 49-85.

3. Atkinson H. Modelling the semisolid processing of metallic alloys // Progress in Materials Science. ? 2005. ? T. 50, № 3. ? C. 341-412.

4. Jiang J.-f., Luo S.-j. Preparation of semi-solid billet of magnesium alloy and its thixoforming // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. ? 2007. ? T. 17, № 1. ? C. 46-50.

5. Кирдеев Ю. П., Белоусов И. Я., Ракогон А. И. Изготовление деталей с высокими тонкими стенками штамповкой кристаллизующегося алюминия // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. ? 2002. № 3. ? C. 9-11.

6. Семенов Б. И., Бочаров Ю. А., Куштаров К. М., Гладков Ю. А. Современные технологии формообразования в твердожидком состоянии // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. ? 2006. № 10. ? C. 33-43.

7. Chiarmetta G., Giordano P. STAMPAL: A family of cutting-edge technologies. Comparison of applications in automotive engineering // STAMPAL: Une famille de technologies a l'avantgarde. Comparison des applications dans la domaine de l'automobile. ? 2002. № 217. ? C. 21.

8. Черномас В. В., Ловизин Н. С., Соснин А. А. Критерии устойчивости технологического процесса получения металлоизделий на установке горизонтального литья и деформации металла // Проблемы машиностроения и надежности машин. ? 2012. ? T. 2. ? C. 71-77.

9. Черномас В. В., Саликов С. Р., Коновалов А. В. Оптимизация технологических параметров процесса получения полосы совмещенным методом литья и деформации металла // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. ? 2012. ? T. 2. ? C. 7-13.

10. Коновалов А. В., Смирнов А. С. Экспериментальная база и методика идентификации определяющих соотношений упруговязкопластической среды // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. ? 2010. № 1. ? C. 198-201.

11. Коновалов А. В., Смирнов А. С. Вязкопластическая модель сопротивления деформации стали 08Х18Н10Т при температуре горячей деформации // Металлы. ? 2008. № 2. ? C. 55-59.

12. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. 2-е изд. Справочник. / Полухин П. И., Гун Г. Я., Галкин А. М. ? М.: Металлургия, 1983. ? 352 с.

13. Mostafaei M. A., Kazeminezhad M. Hot deformation behavior of hot extruded Al-6Mg alloy // Materials Science and Engineering: A. ? 2012. ? T. 535. ? C. 216-221.

14. Рекристаллизация металлов и сплавов. 3-е изд. / Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. ? М.: МИССИС, 2005. ? 432 с.

15. Rokni M. R., Zarei-Hanzaki A., Roostaei A. A., Abedi H. R. An investigation into the hot deformation characteristics of 7075 aluminum alloy // Materials & Design. ? 2011. ? T. 32, № 4. ? C. 2339-2344.

16. Mostafaei M. A., Kazeminezhad M. Analyses on the flow stress of an Al-Mg alloy during dynamic recovery // Journal of Materials Engineering and Performance. ? 2013. ? T. 22, № 3. ? C. 700-705.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

Размещено на Allbest.ru