CC BY
51
сипации механической энергии // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. № 9. С. 52-56.
4. Орыщенко А. С., Малышевский В.А., Барахтин Б.К., Варгасов Н.Р., Немец А.М. Методология проведения пластометрических испытаний конструкционных металлов и сплавов. Справ.-метод. рук-во по применению уник. оборудов. ЦКП ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» «Состав, структура и свойства функц. и конструкц. материалов». СПб.: Изд-во ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», 2010. 86 с.
5. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2010. 511 с.
6. Носкова Н.И., Мулюков Р. Р. Субмикрокристаллические и нанок-ристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 279 с.
7. Malyschevskii V.A., Khlusova E.I., Barakhtin B.K. Structural and Mechanical State of Promising Face-Centered Cubic Alloys under Hot Plastic Deformation // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. V. 2. № 6. С. 557-567.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» «Состав, структура и свойства конст-
рукционных и функциональных материалов» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Barakhtin B.K., Barakhtina N.N., Lebedeva N.V. STRUCTURAL CHANGE TRENDS DURING HOT PRESSING OF Al-Mg ALLOYS REPRESENTED ON DISSIPATION MAPS
The paper shows mechanical energy dissipation efficiency maps in Al-Mg alloys differing in chemical composition for temperatures ranging from 200 to 450 °C and strain rates from 10-3 to 10 s-1. They reflect structural and mechanical behavior as well as chemical composition of an alloy under deformation. The construction of maps allows structure formation in hot pressing to be determined.
Key words: hot plastic deformation of aluminum alloys; maps of processes.
УДК 621.7.01
ВЫБОР РЕЖИМОВ ТМО СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПО ДАННЫМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
© Б.К. Барахтин, Н.В. Лебедева, А.М. Немец
Ключевые слова: термомеханическая обработка; имитационное моделирование; горячая пластическая деформация; фрагментация; мультифрактальный анализ.
Построение карт горячей пластической обработки сталей и сплавов по данным механических испытаний и результатам структурных исследований с применением мультифрактальной параметризации изображений.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие теории создания судостроительных и трубных сталей позволили сформулировать научные принципы [1] производства сталей и сплавов на основе явления фрагментации [2]. Практическая реализация разработанных положений предполагает управление процессами упрочнения, рекристаллизации и фрагментации с целью подавления или исключения структурной неоднородности с максимальным измельчением структуры [3]. В качестве технического решения технология термомеханической обработки (ТМО) рассматривается как основная. В совершенствовании ТМО имитационное моделирование видится естественным, эффективным и необходимым звеном.
Целью представленной работы является нахождение оптимальных режимов горячей обработки металлических материалов на основе имитационного моделирования операций пластического деформирования при высоких (Т > 0,6Гплавл) температурах.
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При моделировании операций с горячей пластической деформацией целесообразной и естественной видится концепция неравновесной термодинамики [4],
поскольку процессы формоизменения и структурооб-разования происходят в термодинамически неравновесных условиях.
Применительно к процессам при температурах Т > 0,5Гплавл. использован критерий Прасада [5] п, предложенный Н.Р. Варгасовым и В.В. Рыбиным для оптимизации ТМО с помощью реологической модели:
а = К е", (1)
где а и е - истинные напряжения и скорости деформации; К и " - параметры.
Для любого момента времени мощность поступающей механической энергии представляется диссипативной функцией (В) в виде суммы двух слагаемых О и 7, связанных со скоростью производства энтропии. Первое (О) учитывает перенос энтропии через границы образца, т. е. его формоизменение и упрочнение, а второе (7) связано с производством энтропии внутри образца, т. е. с аккомодационными перестройками в ме-зоструктуре зерен поликристалла непосредственно в процессе деформации:
В = О + 7 = а е = Т (^ / &) > 0, (2)
где а - напряжение; е - скорость деформации; Т - температура; (1'.5 / - скорость производства энтропии.
1928
а) б)
Рис. 1. После имитации ТМО стали 08Х18Н10Т при температурах 900-1200 °С и скоростях деформации 10-10-3 с-1 карта т^^е-Т), совмещенная с картами 5(^е-Т) и В0(^е-Т) - а), и результаты структурных исследований методами металлографии, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии - б). Корреляции показаны стрелками
Разделение мощности между О и 7 контролируется чувствительностью напряжения к скорости деформации (т), которая связана с величиной т соотношением:
Т = 2т / (т + 1). (3)
Величина т определяется в интервале (0, 11) и характеризует способность структуры материала рассеивать (диссипировать) подводимую механическую энергию в процессе горячей деформации. Максимальное значение соответствует упруго-вязко-пластичной среде с полной релаксацией напряжений без упрочнения (т = 1).
С позиций системного анализа структурные изменения обусловлены коллективным взаимодействием дефектов кристаллического строения в полимасштаб-ной и многоуровневой системе зерен и их границ.
Задача обнаружения связей характеристик диссипативной функции 7 (т) с результатами системного анализа решалась методами металлографии с применением световой и электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. При обработке изображений структур использовался мультифрактальный анализ, результаты которого чувствительны к структурным изменениям при нарушении пространственно-временной симметрии. При мультифрактальной аттестации вычислялись следующие параметры: В0 - пространственная (Хаусдорфова) размерность множества точек на изображении, воссоздающих исследуемый образ. Не содержит данных о статистических свойствах объекта, но характеризует извилистость границ и профиль сечения; 5 - «дельта», неотрицательная мера упорядочен-
1 Для удобства диапазон (0, 1) значений коэффициента т представляют в процентах (0, 100 %).
ности и нарушения симметрии исследуемой структуры. Устремление 5 ^ 0 является признаком приближения структурно-фазового превращения.
Моделирование операций с горячей пластической деформацией осуществлялось в лабораториях Центра Коллективного Пользования ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». Опыты проводились с образцами, изготовленными из стали 08Х18Н10Т.
Образцы высотой 10 мм и диаметром 5 мм сжимались до значений s = 0,3 в камере высокотемпературного деформационного дилатометра ДИЛ-805 А/Д в интервале температур (0,4-0,8)7плавл и скоростей деформации (10-10-3 с-1). Зависимости a(s) в истинных координатах служили информационной базой для нахождения коэффициентов диссипативной функции (п) в виде карт постоянных уровней п = const в координатах lgs-Т. При сопоставлении карт распределений коэффициентов п с распределениями параметров D0 и 5 связующим звеном являлись результаты структурных исследований.
При вариации параметров ТМО (s-Т) карты распределений характеристик диссипативной функции (п) отображали некий рельеф с экстремумами (рис. 1).
В целом вид распределений не противоречил опубликованным картам распределений коэффициентов диссипации, построенным разными авторами [6].
Обработка результатов механических испытаний и аттестации изображений структур показала, что в структурно-механическом состоянии металла динамическое равновесие отвечает фрагментации зерен при значениях коэффициента эффективности диссипации на уровне п ~ 15-20 %. Пластическая деформация, приводящая к увеличению неравноосности зерен, «подготавливает почву» для активации динамической
1929
рекристаллизации, при этом значения т ^ 0. Увеличение температуры и снижение скорости деформации способствует началу динамической полигонизации и рекристаллизации с формированием однородной структуры зерен, что соответствует росту коэффициента диссипации. Наибольшая величина т ~ 40-60 % замечена при медленной (10-3 с-1) деформации и высоких температурах, что свидетельствует о проявлении эффекта сверхпластичности при структурно-фазовых переходах с образованием зерен нового структурного и текстурного состояния.
Согласно распространенному определению [2], фрагментация трактуется как феномен разбиения однородно ориентированных зерен на сильно разориенти-рованные субзерна, взаимные разориентировки 0 которых увеличиваются по линейному закону:
0 = а (е - 80), (4)
где е - истинная (логарифмическая) макродеформация; 80 - пороговая деформация, соответствующая началу фрагментации; а - коэффициент.
В простейшем случае кинетике структурных преобразований могут соответствовать уравнения:
с10/Л = в 0 или с10/Л = у (е - е0), (5)
где в и у - постоянные.
Если задано начальное состояние 0(ГО), то существует единственное решение уравнения, предсказывающее будущие разориентировки для любых Г > Г0 и «степень завершенности» фрагментации.
Результаты экспериментов указывали, что структурные перестройки типичны при самоорганизации дефектов в термодинамически неравновесных условиях.
ВЫВОДЫ
1. Подтверждена возможность оптимизации ТМО с помощью карт распределений коэффициентов диссипативной функции.
2. Установлено, что при значениях т = 15-20 % возможно динамическое равновесие упрочнения и ра-
зупрочнения, которое на мезоструктурном уровне реализуется на фоне фрагментации.
3. Установлена положительная корреляция между коэффициентами диссипативной функции, мульти-фрактальными параметрами изображений структуры и структурно-механическим состоянием деформируемого металла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И. Технологии создания конструкционных наноструктурированных сталей // МиТОМ. 2009. № 6. С. 3-7.
2. Коджаспиров Г.Е., Рудской А.И., Рыбин В.В. Физические основы и ресурсосберегающие технологии изготовления изделий пластическим деформированием. СПб.: Наука, 2006. 350 с.
3. Орлов В.В. Принципы управляемого создания структурных элементов наноразмерного масштаба в трубных сталях при значительных пластических деформациях // Вопросы материаловедения. 2011. № 2 (66). С. 5-17.
4. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 160 с.
5. Prasad Y.V.R.K., Gegel H.L., Doraivelu S.M. // Met. Trans. 1984. V. 15A. P. 1883.
6. Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Карты структурных состояний для оптимизации режимов горячей деформации сталей // Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 91. № 1. С. 79-89.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Barakhtin B.K., Lebedeva N.V., Nemets A.M. SELECTION OF THERMOMECHANICAL CONTROLLED PROCESSING CONDITIONS FOR STEELS AND ALLOYS BASED ON SIMULATION MODELING AND SYSTEM ANALYSIS DATA The paper describes the construction of hot plastic working maps for steels and alloys based on mechanical testing data and the results of structural investigations using the multi-fractal parameterization of images.
Key words: thermomechanical controlled processing (TMCP); simulation; hot plastic deformation; fragmentation; multi-fractal analysis.
1930
