CC BY
158
НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.7
Семашко М.Ю., Шеркунов В.Г., Чигинцев П.А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ DEFORM МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Аннотация. Воздействие на структуру, а следовательно, и на свойства материалов при помощи способов интенсивной пластической деформации (ИПД) является актуальной задачей машиностроения. Для анализа воздействия исследуемого способа ИПД на микроструктуру материалов Waspalloy и сталь 42CrMo4 в пакете Deform было произведено компьютерное моделирование. Оценивался средний размер зерен по модели «Johnson - Mehl - Avrami - Kolmogorov» (JMAK) в исследуемых точках на каждом этапе способа ИПД. Результаты моделирования показали, что уже после одного полного цикла деформирования средний размер зерна существенно уменьшается.
Ключевые слова: обработка металлов давлением, выдавливание, микроструктура металлов, интенсивная пластическая деформация, заготовки, рекристаллизация, размер зерна.
Semashko M.Yu., Sherkunov V.G., Chigintsev P.A.
MODELING MICROSTRUCTURE OF METALS, SUBJECTED TO SEVERE PLASTIC DEFORMATION IN THE SYSTEM DEFORM
Abstract. Impact on the structure and properties of the materials by methods of severe plastic deformation (SPD) is an actual problem of mechanical engineering. Computer Simulation in the package Deform been made to analyze the impact of this method SPD on the microstructure of materials Waspalloy and steel42CrMo4. Average grain size was estimated by the model «Johnson -Mehl - Avrami - Kolmogorov» (JMAK) in the test points at each step of the process SPD. The modeling found that after one full cycle of deformation of the average grain size is significantly reduced.
Keywords: metal forming by pressure, extrusion, metal microstructure, severe plastic deformation, billets, recrystallization, grain size.
Проведение модельного эксперимента является одним из важнейших этапов исследования, так как позволяет значительно сократить временные и материальные затраты. В процессе моделирования решается ряд важнейших задач, таких как определение оптимальной геометрии оснастки, энергосиловые и технологические параметры и пр. Эти задачи позволяют решать программные пакеты, такие как Deform, Q-form, Ansys, LS Dyna и многие другие. Для данного исследования был использован продукт компании SFTC Deform, позволяющий анализировать напряженно-деформированное состояние заготовки, изменение температуры в ее объеме, направление и скорость течения материала, а также изменение его микроструктуры.
В основе главного решателя Deform лежит метод конечных элементов. При этом используются итерационные исчисления. Приложение «Johnson - Mehl -Avrami - Kolmogorov» (JMAK) или клеточного автомата (Cellular Automata).
Модель JMAK позволяет отслеживать два вида эволюции структуры материала: рост зерен и рекристаллизация. Рост зерен отвечает за увеличение их размера с увеличением времени выдержки и температуры, а рекристаллизация характеризует объем зерен с измененным размером (чаще всего меньшим начального). При этом принято различать статическую, метадина-мическую и динамическую рекристаллизацию. В про-
цессе деформации зародыши рекристаллизации могут образовываться и расти в рекристаллизуемые зерна -динамическая рекристаллизация. Некоторые зародыши рекристаллизации, образованные в процессе деформации, не могут расти во время деформации. Они начинают расти сразу после ее завершения - метадинамиче-ская рекристаллизация. После деформации, при высокой температуре могут образовываться новые зародыши, способные к росту в рекристаллизованные зерна, -статическаярекристаллизация [1].
Выражения ЛМАК позволяют вычислить долю ре-кристаллизованного объема X в зависимости от деформации и температуры (для динамической рекристаллизации) (рис. 1) и времени и температуры (для метадинамической и статической рекристаллизаций) X (рис. 2). Время между завершением деформации и началом образования зародышей рекристаллизации и их ростом называется инкубационным периодом. Ме-тадинамическая рекристаллизация в модели ЛМАК рассматривается как статическая рекристаллизация, но с нулевым временем инкубационного периода.
В расчете рассматриваемой задачи учитывалась только динамическая рекристаллизация, учитывающая образование зародышей и рост зерен в процессе деформации, что было обусловлено характером процесса (большими степенями деформаций и его непрерывностью).
Рис.1. Динамическая рекристаллизация
Рис. 2. Методинамическая / статическая рекристаллизация
Моделированию подвергались: сплав Waspalloy (45% Ni, 17% Cr) и сталь 42CrMo4 (аналогична стали 40ХНМ). В обоих случаях начальная температура заготовки составляет 1000°С, а скорость деформирования 0,4 м/с. Заготовка представляет собой цилиндр диаметром 20 мм и высотой 120 мм. Изображение заготовки и используемой при моделировании оснастки приведено на рис. 3.
Пуансон
1Мат[
Основание
нования. В меньшей степени - материал в точках 6 и 9. Также явно заметна граница раздела, проходящая через угол матрицы под углом 45° к направлению движения пуансона, что говорит о сдвиговом характере деформирования. В соответствии с этим происходит и процесс измельчения зерна, показанный на рис. 5.
Изменение среднего размера зерна материала заготовки происходит в зоне, где наблюдается ненулевая деформация. Здесь же увеличивается доля зерен, подвергнувшихся динамической рекристаллизации. При этом оба процесса идентичны и взаимосвязаны. Минимального значения средний размер зерна достигает в т. 5-8,17 мкм, т. 6-26,85 мкм, тогда как начальная величина зерна составляет порядка 30,02 мкм для Wasp alloy. Аналогичная картина для стали 42CrMo4: 16,63 мкм -т.5 и 17.36 - т.6, начальная величина зерна - 31 мкм.
Следующим рассматриваемым этапом эксперимента является переход от процесса высадки к прошивке. При этом картины деформаций на данном этапе различаются уже значительно, что показано на рис. 6. Видно, что в случае стали деформации распределены более равномерно по объему заготовки, однако в никелевом сплаве максимальные значения параметра значительно выше.
Рис. 3. Модель заготовки с оснасткой
Способ обработки металлов давлением, по схеме которого деформировались образцы (рис. 3), запатентован Южно-Уральским государственным университетом и состоит из комбинации известных операций осадки, прошивки и выдавливания [2-4]. Ключевой целью в ходе моделирования была качественная оценка изменений, происходящих в микроструктуре в процессе деформирования, а также анализ этих изме-нений для характерных моментов процесса, чтобы заключить о возможности их влияния на изменения физико-механических свойств металлов. Для более четкого описания процесса в сечении заготовки было выделено 9 точек.
Представляет интерес начальный момент заполнения и поднятия подвижной матрицы (рис. 4). Деформациям подвержена та часть заготовки, которая и заполняет полость матрицы. При этом наибольшим деформациям подвержена точка 5 и область вдоль ос-
Рис. 4. Картинадеформаций в материалах Waspalloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Рис. 5. Измельчение микроструктуры в материалах Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Рис. 6. Деформации в материалах Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Очевидно, различаются, вслед за деформациями, средние размеры зерен в заготовках (рис. 7). При этом закономерность более равномерной проработки стальной заготовки сохранилась, что позволяет сделать вывод о том, что параметры процесса больше подходят для сталей, нежели для материалов, схожих по свойствам с рассматриваемым сплавом.
Рис. 7. Средний размер зерна в материалах
Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Кроме этого, нужно заметить меньшую долю непроработанного металла и более предсказуемый эффект на стальной заготовке, что положительно скажется при натурных испытаниях. Наибольшая дробимость зерна наблюдается в точках 4, 5, 6 - от 10,13 до 11,44 мкм и в точках 8, 9 - 19,19-17,68 мкм для сплава Wasp alloy. Для 42CrMo4 размер зерна в точках 4-9 составляет от 13,62 до 16,96 мкм.
Третьим шагом при рассмотрении моделирования является окончание «прямого» процесса, при котором усилие пресса прикладывалось к пуансону. Этот момент также характеризуется наименьшей толщиной дна полученного «стакана». На рис. 8 видно, что зона под пуансоном не подверглась деформации и является областью минимальных значений степеней деформации. Максимум находится в месте внедрения угла пуансона в металл.
Также существует зона повышенных деформаций, располагающаяся под углом 45° от максимума к оси заготовки и частично вдоль пуансона, а также в области контакта материала с основанием и с цилиндрической частью матрицы. При этом все, кроме последней, выглядят для обоих материалов одинаково.
Рис. 8. Степеньдеформации в конце «прямого» процесса в материалах Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Распределение средних размеров зерен в объеме материала носит нетривиальный характер, о чем говорит рис. 9. Общих черт для рассматриваемых материалов практически не наблюдается. Исключениями являются область вокруг точки 1, где микроструктура не подвержена изменениям, и характерная зона, проходящая через точки 3, 9 и 7, ярко иллюстрирующая сдвиговый характер процесса. В сплаве Wasp alloy весь объем заготовки явно поделился на 2 части: участки, подвергнувшиеся деформации на предыдущих этапах процесса, и участки, деформируемые на этом этапе. Видно, что область заготовки в районе точек 5, 6 и 9 не вовлечена в динамическую рекристаллизацию, однако там зерно имеет средний размер около 10 мкм, что говорит о том, что процесс динамической рекристаллизации в данной области уже прошел. А в местах заготовки, где процесс идет на данном этапе (дугообразная область от точки 4 к 8 и 3), малый средний размер зерна, около 15 мкм, сочетается с высокой долей зерен, задействованных в процессе динамической рекристаллизации. Также есть зоны, средний размер зерна в которых остался прежним, как-то область непосредственно под пуансоном вокруг точки 1 и между точками 2 и 7. Для 42CrMo4 средний размер зерна в основной части объема заготовки значительно уменьшился. Так, в областях вокруг точек 3, 7 и 8 он составляет 20-17,5 мкм, вокруг точек 5, 6 и 9 - 17,5-15 мкм, а в точке 4 и некоторых локальных участках - меньше 15 мкм. Однако неизменным зерно остается в точке 1 и зоне под пуансоном, а в точке 2 дробится незначительно. При этом в динамическую рекристаллизацию вовлечены участок, совпадающий с температурным максимумом (доля вовлеченного зерна равна 1), и область вокруг точек 7 и 8 (доля колеблется от 0,5 до 1).
Рис. 9. Средний размер зерна в конце «прямого» процесса в материалах Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Рассматривая обратный процесс, то есть процесс выдавливания из стакана посредством приложения усилия к матрице, выделим следующие два момента, отражающие характерные этапы деформирования.
В момент окончания выдавливания «стакана» и перехода к обратному выдавливанию из цилиндра видно, что часть металла, сопряженная с конусом матрицы, в обоих случаях не деформируется, так как не движется относительно инструмента. То же происходит вокруг точки 1 (рис. 10).
Рис. 10. Степеньдеформации в материалах Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Однако, несмотря на большие максимальные деформации, указанные застойные зоны в никелевом сплаве значительно больше, что отражается на среднем размере зерна в этих областях, как показано на рис. 11. Однако, в целом, зерно в никелевом сплаве значительно мельче и более равномерно распределено, нежели в стали.
И наконец, момент окончания процесса. Итоговая деформация в образцах достигает 10,5 и 8 в точке 5. При этом в левом образце (рис. 12) распределение более равномерное при аналогичных абсолютных величинах.
Рис. 11. Средний размер зерна в материалах
Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Рис. 12. Итоговая деформация в материалах
Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Интегральной характеристикой процесса можно считать картину, показывающую средний размер зерна в каждой области заготовки и изображенную на рис. 13. Значения среднего размера зерна для Wasp alloy и 42CrMo4 приведены в таблице.
Рис. 13. Средний размер зерна в материалах
Wasp alloy (слева) и 42CrMo4 (справа)
Значения среднего размера зерна в исследуемых точках для Wasp alloy и 42CrMo4
В качестве заключения отметим, что в результате компьютерного моделирования процесса деформирования материалов Wasp alloy и 40CrMo4 выявлены и оценены изменения, происходящие в микроструктуре заготовки. В результате совмещенной обработки заготовок существенно изменяется средний размер зерна, что должно повлечь за собой изменения физико-
механических свойств обработанных таким образом
металлов.
Список литературы
1. Презентационный материал компаний SFTS и ООО «Артех» (Официальный представитель SFTC в России).
2. Пат. 2424076 РФ, МПК B21J5/00, C21D7/10, C22F1/00. Способ пластического структурообразования и устройство для его осуществления / Семашко М.Ю., Трусковский В.И., Шеркунов В.Г. (РФ).
3. Экспериментальное исследование способа пластического структурообразования металлов / Семашко М.Ю., Шеркунов В.Г., Экк Е.В., Трусковский В.И., Мезенцев В.М. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер.: Металлургия. 2010. № 34 (210). С. 62-67.
4. Моделирование процесса интенсивной пластической деформации для измельчения структуры металлов / Семашко М.Ю., Шеркунов В.Г., Экк Е.В. // Известия Тульского государственного университета. Сер.: Технические науки. 2010. № 2-2. С. 23-28.
Reference
1. Presentation material companies SFTS and «Artech» (SFTC official representative in Russia).
2. Pat. 2424076 RF, B21J5/00, C21D7/10, C22F1/00. Method of structure and plastic device thereof / M. Semashko, V. Truskovsky, V. Sherkunov. (RF).
3. Semashko M., Sherkunov V., Eck E., Truskovsky V., Mezentsev V. Experimental study of structure formation process of the plastic metal. // Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2010. № 34 (210). Pp. 62-67.
4. Semashko M., Sherkunov V., Eck E. Simulation of the severe plastic deformation of grinding metal structure. Proceedings of Tula State University. Series: Engineering. 2010. № 2-2. Pp. 23-28.
Номер точки Средний размер зерна, мкм
Wasp alloy 42CrMo4
1 26.245596 30.333809
2 13.859410 14.625051
3 8.190919 11.935083
4 8.299410 12.947099
5 4.297962 13.265373
6 7.572508 14.243878
7 12.165915 10.966502
8 11.255841 12.836920
9 7.749315 16.671513
