Simulation of mechanical tests aimed to investigate the flow stress during the abrupt change of the strain rate

Full Text

Введение При формоизменении материала в очаге деформации часто возникают скачки скорости деформации. Так, например, при штамповке детали типа стакан по схеме обратного выдавливания в зоне перехода от кольцевой полости к вертикальной скорость деформации изменяется в среднем в 10 раз [1]. При моделировании подобных операций необходимо быть уверенным в точности расчёта напряжения текучести в области резкого изменения скорости деформации. При условии, что кривые текучести для фиксированных скоростей деформации определены верно, можно считать, что при расчёте деформирования с постоянной либо плавной изменяющейся скоростью деформации напряжение текучести будет определяться с точностью, обеспечивающей корректные результаты моделирования [6-11]. Поэтому определение напряжения текучести в момент изменения скорости деформации и его значения является важной задачей, которая связана с решением двух важных вопросов. 1. Изменения напряжения текучести при резком изменении скорости деформации носят достаточно сложный характер и описываются линейной интерполяцией (рисунок 1) между двумя заданными кривыми текучести. 2. При скачке скорости деформации необходимо учитывать историю нагружения, влияющую на микроструктуру материала, а расчёт напряжения текучести по кривым текучести, определённым для фиксированных значений скорости деформации, не позволяет этого сделать, в результате чего напряжение текучести после скачка деформации может быть завышено или занижено относительно реального. Рисунок 1. Линейная интерполяция при определении промежуточных значений напряжения текучести в интервале скоростей деформаций 1÷5 [с-1] при температуре 400°C Для проверки влияния резкого изменения скорости деформации на точность моделирования была проведена серия экспериментов по осадке цилиндрических образцов из алюминиевых сплавов со скачкообразным характером изменения скорости деформации. Экспериментально полученные диаграммы силы сравнивались с расчётными значениями, полученными по результатам моделирования, полностью совпадающим с условиями проведения испытаний. Результаты сравнения дают возможность оценить точность моделирования резкого изменения скорости деформации при задании материала рядом кривых текучести, определённых для фиксированного значения температуры и скорости деформации. Проведение экспериментов Испытания проводились методом осадки цилиндрических образцов. Для этого были изготовлены образцы из алюминиевых сплавов АД35, AW[1]-6082 (аналог российского сплава АД35) и АД31 высотой Н0 = 10 мм и диаметром - D0 = 10 мм. Испытания проводились при температурах 350°С и 430°С на универсальной испытательной машине INSTRON VHS (VHS 8800 family)[2] с номинальной силой 400 кН в изотермических условиях без нанесения смазки на контактную поверхность образцов. Осадка образцов производилась за один ход траверсы машины с двумя различными скоростями деформации в соответствии с данными, приведенными в таблице 1. Закон перемещения траверсы испытательной машины обеспечивал постоянство скорости деформации на каждом из двух этапов осадки между которыми осуществлялся резкий переход с одной скорости деформации на другую. Таблица 1 Условия проведения испытаний Скорость деформации, с-1 Материал АД35 AW-6082 АД31 Температура 350 °С 1→10 10→1 1→10 10→1 1→10 10→1 430 °С 1→10 10→1 1→10 10→1 1→10 10→1 Моделирование вышеописанных механических испытаний проводилось в программе QForm. Исследуемые сплавы определялись кривыми текучести, полученными для фиксированных значений температур (300 °С, 350 °С, 430 °С и 510 °С) и фиксированных значений скоростей деформации (0,1 с-1; 1 с-1; 10 с-1; 50 с-1) [2]. Момент перехода с одной скорости деформации на другую задавался в соответствии с экспериментальными данными [3, 4]. Результаты моделирования сравнивались со значениями, полученными экспериментально на основании формулы (1). Если расчётные данные укладывались в указанную границу доверительного интервала, то моделирование считалось корректным, а используемые кривые текучести, определённые для фиксированных значений скоростей деформации, – пригодными для моделирования процессов деформирования с резким изменением скорости деформации. (1) где d – относительная погрешность измерений; PQFORM – сила деформирования, полученная по результатам расчета в программе QForm; Pэксп – сила деформирования, полученная по результатам проведенных испытаний. На рисунке 2 показано сравнение экспериментальных графиков силы, полученных при осадке образцов с переменной скоростью деформации, и расчётных графиков силы, полученных при воспроизведении экспериментов путём их моделирования в системе QForm. Экспериментальная диаграмма силы представлена в виде границы доверительного интервала, который составляет ±2,5% от значения силы, полученного при проведении испытаний. Результаты совпадения моделирования с экспериментальными значениями для температуры 350°C приведены в статье [5]. При переходе с большей скорости деформации на меньшую в начале третьего участка расчётные кривые занижены относительно экспериментальных (рисунок 2). Такой эффект можно объяснить тем, что при деформации с большей скоростью материал успевает меньше разупрочниться, чем при деформации с меньшей скоростью. В результате при одной и той же накопленной деформации плотность дислокаций различная, что не учитывается при расчёте напряжения по кривым текучести, построенным для фиксированных значений скорости деформации. Выводы Похожая картина наблюдается при деформировании по программе перехода с меньшей скорости деформации на большую. В этом случае расчётная кривая силы на третьем участке совпадает либо оказывается ближе к верхней границе доверительного интервала (рисунок 2), что также можно объяснить отсутствием учёта истории нагружения при расчёте. а) АД31 б) АД35 в) AW-6082 Рисунок 2. Достигнутое совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными при температуре испытания 430°C (1, 2 – границы доверительного интервала; 3 – кривые силы, полученные расчетным способом) Заключение По результатам сопоставления расчётных и экспериментальных данных можно сделать вывод, что моделирование процессов ОМД, в которых наблюдается резкое изменение скорости деформации с использованием кривых, построенных для фиксированных значений скорости деформации, должно давать удовлетворительный результат, т.к. в большинстве случаев расчётные графики силы на третьем участке укладывались в доверительный интервал (рисунок 2). Однако при расчёте технологических процессов, в которых происходит заполнение металлом длинных и тонких полостей (штамповка крыльчаток, заборников и т.п.) для определения напряжения текучести лучше использовать модели сопротивления деформации, учитывающие историю нагружения материала, т.к. неточности в определении напряжения текучести сильно влияют на результирующее значение силы деформирования. Применение при расчётах различных моделей сопротивления деформации, например, моделей, учитывающих историю нагружения материала, возможно только при условии, что программный код, который задаёт напряжение текучести в используемой программе, является открытым. Т.е. у пользователя должна быть возможность самостоятельно задавать функции зависимости напряжения текучести от времени, накопленной деформации или других величин, которые позволяют описать влияние исследуемого физического процесса на сопротивление деформации.

About the authors

K. E Potapenko

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: v-i-w@bk.ru
Ph.D.; 8(495)223-05-23, ext. 1306

V. I. Voronkov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: v-i-w@bk.ru
8(495)223-05-23, ext. 1306

P. A Petrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: v-i-w@bk.ru
8(495)223-05-23, ext. 1306

References

Supplementary files