Selection of parameters for loading of titanium samples under dynamic channel-angular pressing.pdf Объемные наноструктурные материалы в настоящее время рассматриваютсякак перспективные конструкционные и функциональные материалы нового поко-ления. Выделяются два основных метода их получения - компактирование исход-ных нанопорошков и формирование наноструктур при интенсивной пластическойдеформации (ИПД). Исследование ультрамелкозернистых (УМЗ) металлов, полу-ченных ИПД, показало, что они характеризуются рядом уникальных свойств -повышенной в несколько раз, по сравнению с крупнозернистыми аналогами,прочностью, сочетающейся с хорошей пластичностью, низко- и высокотемпера-турной сверхпластичностью, циклической и радиационной стойкостью.Для получения УМЗ-структуры методом ИПД используют процесс равнока-нального углового прессования (РКУП), разработанный творческим коллективомВ.М. Сегала [1] и развитый Р.З. Валиевым с сотрудниками [2]. В РФЯЦ-ВНИИТФпредложен динамический вариант этого метода, в котором продавливание мате-риала через каналы осуществляется путем импульсной нагрузки за счет энергиипродуктов горения пороха, сжатых газов и др. [3]. Основное преимущество этогометода по сравнению с РКУП состоит в том, что увеличивается скорость пласти-ческого деформирования, а также добавляется ударно-волновая деформация, ко-торая увеличивает общий результат воздействия [4].Несмотря на активное развитие нескольких новых методов интенсивной де-формации (всесторонней ковки, прокатки с наложением и соединением листов,специального циклического деформирования и ряда других), ДКУП остается наи-более широко исследуемым методом ИПД. При использовании ДКУП существуетвозможность принципиального изменения свойств металлов и сплавов при фор-мировании в них ультрамелкозернистых структур, что позволяет реализовать со-четание высоких прочности и пластичности [5]. Исследования такого необычногосочетания прочности и пластичности наноструктурных материалов имеют весьмаважное как фундаментальное, так и практическое значение. С фундаментальнойточки зрения эти исследования интересны для выяснения новых механизмов де-формирования. С практической стороны, создание наноматериалов с высокойпрочностью и пластичностью может резко повысить их усталостную прочность,ударную вязкость, снизить температуру хрупко-вязкого перехода.Постановка задачиВ данной работе процессы деформирования образцов при их движении по пе-ресекающимся каналам исследуются численно в плоскодеформационной поста-новке в рамках упругопластической модели среды. В численных расчетах исполь-зуется модель повреждаемой среды, характеризующаяся возможностью зарожде-ния и развития в ней микроповреждений. Элементарный объем среды W состав-ляют ее неповрежденная (сплошная) часть, занимающая объем Wc и характери-зующаяся плотностью ƒc, а также занимающие объем Wf микроповреждения,плотность которых полагается равной нулю. Средняя плотность среды связана свведенными параметрами соотношением ƒ = ƒc(Wc /W). Степень поврежденностисреды характеризуется удельным объемом микроповреждений Vf = Wf /(Wƒ).Система уравнений, описывающая нестационарное адиабатическое движениесжимаемой среды, состоит из уравнений неразрывности, движения, энергии [6, 7].Моделирование «отрывных» разрушений проводится с помощью кинетическоймодели разрушения активного типа [8]. Давление в неповрежденном веществесчитается функцией удельного объема и удельной внутренней энергии и во всемдиапазоне условий нагружения определяется с помощью уравнения состояния ти-па Ми-Грюнайзена, в котором коэффициенты подбираются на основе константударной адиабаты Гюгонио. Определяющие соотношения связывают компонентыдевиатора напряжений и тензора скоростей деформаций и используют производ-ную Яуманна. Для описания пластического течения используется условие Мизеса.Учтены зависимости модуля сдвига и динамического предела текучести от темпе-ратуры и уровня поврежденности материала [8 - 11]. Для решения задачи исполь-зуется метод конечных элементов.Инерционная схема нагруженияРассматривается задача взаимодействия образца с матрицей, в которой имеют-ся пересекающиеся под прямым углом каналы (рис. 1, а). В начальный моментвремени образцу задается скорость υ0 и в дальнейшем образец движется по кана-лам по инерции. При этом на контактных поверхностях между образцом и внут-ренними поверхностями каналов матрицы реализованы условия идеальногоскольжения.Процесс деформирования моделируется на примере титановых образцов ши-риной 16 и длиной 65 мм. Начальная скорость образцов варьируется в диапазоне100 - 500 м/с. Угол пересечения каналов 90°, длина внешних сторон вертикально-го и горизонтального каналов матрицы 100 мм каждая. При пересечении каналоввнутренний и внешний радиусы скругления равны 5,1 и 9,3 мм, соответственно.В начальный момент времени образец располагается в верхней части вертикаль-ного канала матрицы. Материал матрицы - высокопрочная сталь [6]. Были ис-пользованы следующие значения констант материала титанового образца:ƒ0 = 4426 кг/м3, a = 4990 м/с, b = 1,05, G0 = 41 ГПа, ƒ0 = 0,5 ГПа, V1 = 4,52⋅10−6м3/кг, V2 = 1,58⋅10−6 м3/кг, Kf = 0,005 м⋅с/кг, Pk = - 0,75 ГПа.ƒ,м/сt, мксабƒ,м/сРис. 1. Средние скорости титанового образца и его областей: (a) - начальная скорость об-разца 250 м/с, (б) - 350 м/с; кр. 1 - 3 соответствуют областям образца, кр. 4 - всему образцуДля анализа динамики прохождения образцом пересечения каналов определя-лись скорости областей 1, 2 и 3, делящих образец на три равные части, причемобласть 1 - передняя часть образца (рис. 1).Из результатов расчетов следует, что титановый образец останавливается вовнутреннем канале матрицы, если его начальная скорость меньше 300 м/с, что ил-люстрирует рис. 1, а для начальной скорости движения 250 м/с. При начальнойскорости 350 м/с (рис. 1, б) примерно к 1000-й мкс процесса скорости частей об-разца уравниваются, и образец в дальнейшем продолжает двигаться со среднейскоростью 52 м/с. Титановый образец в этом случае полностью проходит пересе-кающиеся каналы, что позволяет считать диапазон скоростей 300 - 350 м/с ниж-ним порогом скорости, при которой обеспечивается прохождение титановых об-разцов по каналам при ДКУП. Однако при увеличении начальной скорости в об-разце возникают области роста удельного объема микроповреждений, которыемогут привести к образованию макротрещин и разрушению образца. Для предот-вращения таких последствий рассмотрена динамическая схема нагружения, в ко-торой образец продавливается через каналы под постоянно действующим давле-нием, обусловленным действием пороховых газов.Динамическая схема нагруженияНа рис. 2 представлена общая схема нагружения, реализованная в эксперимен-тах [5]. Для численного моделирования такого процесса рассматривается задачавзаимодействия образца с пересекающимися каналами, которые описываютсядвумя ломаными линиями А1A2A3A4 и В1В2B3 (рис. 3). Для системы основныхуравнений в декартовой системе координат ставится задача с начальными приt = 0 и граничными условиями. Начальные условия характеризуются отсутствиемвнутренних напряжений, а причиной взаимодействия является движение образцас начальной скоростью υ0, полученной при разгоне образца пороховыми газами встволе пушки. Также на тыльной поверхности образца задается постоянная на-грузка P0, которая равномерно распределена по тыльной поверхности. Противо-положная (лицевая) поверхность образца свободна от внешних нагрузок в течениевсего процесса деформирования. На границах А1A2A3A4 и В1В2B3 ставится условиежесткой стенки. Для обеспечения равномерного движения тыльной поверхностиобразца узловые силы на этой поверхности находились из уравненияFi = -P0Smi /M,где Fi - компонента узловой силы i-го узла на тыльной поверхности образца, на-правленная вертикально вниз, S - площадь поверхности тыльного торца образца,mi - масса i-го узла на тыльной поверхности образца, M - суммарная масса узловтыльной поверхности образца.1234567 A10PA2A3 A4В1В2 В3Рис. 2. Общая схема установки для дина-мического канально-углового прессования:1 - ствол, 2 - поршень, 3 - образец, 4 -матрица, 5 - направляющая втулка, 6 -кольцо, 7 - пороховой заряд [5]Рис. 3. Динамическая схеманагруженияПроцесс динамического канально-углового прессования моделировали на при-мере титановых образцов шириной 16 и длиной 65 мм. Начальная скорость образ-цов варьировалась в диапазоне 0 - 500 м/с. Задаваемое давление составило 0,1 - 0,4ГПа. Угол пересечения каналов 90°. В области внешнего угла пересечения каналовзадана площадка А2А3, составляющая с направляющими каналов угол 45°.Расчеты показывают, что поле удельной энергии сдвиговых деформаций послепрохождения образцом пересечения каналов распределено по образцу неравномер-но, что в экспериментах приводит к неравномерному измельчению структуры об-разца [5]. Поле температур практически идентично полю удельной энергии сдвиго-вых деформаций, что свидетельствует о том, что температурный режим при ДКУПопределяется в основном пластическим деформированием материала образца.Формирующиеся в титановом образце области микроповреждений, в которыхможет наступить макроразрушение образца, представлены на рис. 4 и 5 при вариа-ции начальных скоростей образца и действующего на него давления. На рис. 4, атакже приведена легенда, идентичная для всех четырех рассматриваемых случаев.Наибольшие градиенты удельного объема микроповреждений возникают в об-разце при пересечении каналов, причем формирование областей микроповрежде-ний в основном обусловлено воздействием внутреннего угла матрицы. К харак-терным особенностям начальной стадии процесса можно отнести формированиеобласти повреждений в передней части образцов, охватывающей всю толщинуобразцов. Также имеют место деформации тыльной части образцов, форма кото-рых качественно близка к экспериментальным [4]. Во всем исследованном диапа-зоне в образцах формируются качественно подобные области микроповреждений,в которых уровни поврежденности количественно также близки.у, ммх, мм402000 20 40 60 800,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10у, ммх, мм402000 20 40 60 80а бРис. 4. Поля удельного объема микроповреждений (см3/кг) в образце в момент времени700 мкс: а - при начальной скорости 100 м/с, давлении 0,36 ГПа; б - при скорости 250 м/с,давлении 0,28 ГПау, ммх, мм402000 20 40 60 80у, ммх, мм402000 20 40 60 80 100а бРис. 5. Поля удельного объема микроповреждений (в см3/кг) в образце: а - в момент вре-мени 600 мкс при начальной скорости 400 м/с, давлении 0,12 ГПа; б - в момент времени400 мкс при начальной скорости 500 м/с, давлении 0,1 ГПаКонечная форма образцов существенно зависит от начальных условий нагру-жения. Определяющим параметром является начальная скорость образца. Опти-мальной формой, с точки зрения возможной повторной обработки образца, будетформа, близкая к первоначальной. Учитывая это, оптимальными параметрами придинамической схеме нагружения титанового образца будут: начальная скорость200 - 250 м/с, давление 0,28 - 0,32 ГПа.ЗаключениеПроведено численное исследование процессов деформирования титановых об-разцов при ДКУП - движении по пересекающимся под прямым углом каналамдля двух схем нагружения: инерционной и динамической. Использование дина-мической схемы нагружения, по сравнению с инерционной, уменьшает время од-ного цикла ДКУП и приводит к снижению уровня удельного объема микроповре-ждений в образце. Распределение пластических деформаций (и, как следствие,измельчение структуры) титанового образца после одного цикла ДКУП при ис-пользовании как инерционной схемы нагружения, так и динамической неравно-мерно по образцу, что свидетельствует о необходимости дополнительных циклов.

Скачать электронную версию публикации