Статья: Прогнозирование распределения механических свойств по объему изделий, получаемых методами горячей деформации, с использованием САЕ-систем

Параметры технологического процесса горячей обработки металлов давлением (ОМД) являются важными факторами, ответственными за формирование прочностных характеристик, таких как предел текучести и временное сопротивление, которые являются критериями конструкционной прочности изделия при статических нагрузках. Из-за неравномерного напряженно-деформированного состояния (НДС) и анизотропии механических свойств детали, получаемые штамповкой, чувствительны к направлению приложенной нагрузки и оказывают неравномерное сопротивление деформации. Помимо НДС, другим определяющим параметром свойств материала является процесс разупрочнения, который происходит как непосредственно во время деформации так и после, в ходе охлаждения. Скорость охлаждения изделия после горячей ОМД зависит от режима охлаждения (воздух, вода, масло) и от геометрических параметров изделия. Охлаждение внутренних и внешних слоев массивной заготовки будет идти с различной скоростью и значительный градиент температур по сечению приведет к различию механических свойств и структуры поверхностных и центральных слоев штамповки. Как правило, штампованные детали ответственного назначения подвергаются термической обработке, в результате которой снимается горячий наклеп и происходит выравнивание механических свойств по объему изделия. Эта необходимость вызвана отсутствием методов оценки влияния параметров технологического процесса на распределение механических свойств по объему изделия, в результате чего при проведении расчета на прочность эффект деформационного упрочнения не учитывается.

В работах [1-3] рассмотрены различные подходы к решению задачи управления свойствами и структурой деформированных изделий, основанные на применении современных САЕ-систем. Для установления зависимости между параметрами деформационного процесса и распределением свойств по объему изделия, разработана методика прогнозирования распределения механических свойств изделий из алюминиевых сплавов, получаемых методами ОМД. Данная методика учитывает влияние степени деформации, температуры нагрева и скорости охлаждения после горячей обработки.

Для оценки функциональных зависимостей влияния технологических параметров процесса обработки металлов давлением на механические характеристики изделия из сплавов Д1 и АМг6 изготавливались образцы. Снижение потребного количества экспериментов достигнуто применением образцов клиновидной формы длиной 100 мм, минимальной высотой 6 мм и углом конусности 10?, которые подвергались деформированию продольной прокаткой (рис. 1). Это позволило исследовать степень деформации от 0 до 75% в одном опыте. На боковой поверхности клиновых образцов через равные промежутки наносили вертикальные насечки с целью определения распределения степеней деформации по длине образца после прокатки. Температура нагрева перед деформацией составляла: 380, 450 и 520С.

Рис. 1 - Клиновой образец

Следует отметить, что в реальных процессах ОМД на формирование механических свойств помимо степени деформации и температуры большое влияние оказывает полнота протекания рекристаллизационных процессов, поэтому необходимо учитывать временной фактор охлаждения. Для моделирования различных режимов охлаждения применялись тепловые изоляторы - стальные плиты, что позволило исследовать три режима - на воздухе - без использования тепловых аккумуляторов, между 2-мя слоями стальных плит - изолятор средней мощности и между 4-х слоев стальных плит - изолятор высокой мощности. В процессе охлаждения со всех образцов снимались данные о скорости охлаждения.

Затем из полученных заготовок вырезались 15 поперечных образцов для испытаний на разрыв и замера твердости по Бринеллю. На основании полученных данных построены диаграммы зависимости механических свойств от параметров деформирования (рис. 2).

Рис. 2 - Механические свойства образцов из сплава АМг6 в зависимости от степени деформации и условий охлаждения. Температура деформирования 380°С. а) предел текучести; б) предел прочности; в) твердость

На диаграммах видно несколько перегибов, что свидетельствует о наличии нескольких процессов, сопровождающих горячую пластическую деформацию:

1. В области малых деформаций свойства монотонно возрастают при увеличении степени деформации за счет деформационного упрочнения.

2. При достижении степени деформации 45-50% наклон кривой увеличивается вследствие возрастания скорости упрочнения.

3. При степени деформации екр=60-65% механические свойства достигают максимума и кривая начинает убывать вследствие динамического разупрочнения (возврата, полигонизации, рекристаллизации).

Анализ полученных данных показал, что наилучшие значения прочностные характеристик для сплава АМг6 в рассматриваемом диапазоне температур достигаются в результате деформировании при температуре 380°С и быстром охлаждении (на воздухе). Такой режим обработки инициирует горячий наклеп. Повышение температуры нагрева до 520°С и медленное охлаждение способствуют протеканию процесса разупрочнения, в результате чего получены образцы в частично отожженном состоянии. Предел текучести частично нагартованных образцов повышается на 48,7 МПа (22,9%), предел прочности - на 30,2 МПа (8,1%), а твердость - на 17,1 МПа (20%) по сравнению с соответствующими характеристиками частично отожженных образцов.

Для сплава Д1 наилучшие значения механических свойств достигнуты при обработке при температуре 520°С и последующем охлаждении на воздухе. Это связано с тем, что сплав Д1 относится к термически упрочняемым алюминиевым сплавам и подвергается закалке в воде с температуры 495-510°С с последующим естественным старением в течение 4 суток. Предел текучести естественно состаренных образцов
(Т=520°С, охлаждение на воздухе) повысился на 92,2 МПа (40,9%), предел прочности - на 127,6 МПа (37,2%), а твердость - на 12,4 МПа (19%) по сравнению с соответствующими характеристиками частично отожженных образцов (Т=380°С, охлаждение между 4-мя слоями плит).

Проведенные эксперименты позволили установить количественные показатели механических характеристик изделий из сплавов Д1 и АМг6, получаемых горячей деформацией. Для установления значений накопленной деформации и распределения температур по сечению заготовки, проводилось математическое моделирование прокатки и охлаждения клиновых образцов в соответствии с режимами проведенных ранее экспериментов в программном комплексе DEFORM.

Установление функциональных зависимостей механических свойств от параметров деформационного процесса осуществлялось с помощью регрессионного анализа. В качестве варьируемых параметров выбраны интенсивность деформации, температура и скорость охлаждения. Регрессионный анализ проводился по центральному трехфакторному композиционному плану. В результате получены уравнения регрессии, указанные в таблице 1.

Таблица 1. Уравнения регрессии

Проведенные эксперименты позволили совместить напряженно-деформированное состояние и значения механических свойств. Полученные математические модели являлись базой для разработки программного приложения к современным САЕ-системам - системы автоматизированного прогнозирования (АСП) механических свойств изделий.

Разработанная АСП состоит из трех основных подсистем:

- основной части, отвечающей за вызов модулей и за взаимодействие с пользователем;

- модуля импорта информации из CAE-системы;

- модуля прогнозирования свойств изделий из алюминиевых сплавов, который выполняет расчетные операции для получения наиболее вероятного распределения значений предела прочности, предела текучести и твердости в узловых точках модели.

Перед началом работы с системой необходимо заполнить базу данных, содержащую значения механических свойств в зависимости от НДС, температуры и скорости охлаждения для исследуемой марки материала, полученные согласно данной методике. После заполнения и сохранения базового варианта, его можно использовать для прогнозирования механических свойств изделий из данного материала. Для работы с системой необходимо провести математическое моделирование исследуемого процесса деформирования и импортировать данные конечно-элементного анализа в АСП. После задания входных параметров (начальной температуры, скорости охлаждения, геометрии изделия и интенсивностей деформаций) система производит расчет и отображает на экране спрогнозированное распределение механических свойств по сечению детали.

Для оценки возможностей разработанной АСП проводилось математическое моделирование процесса штамповки детали «Мембрана» из сплава Д1 (рис. 3а) и детали «Кронштейн» из сплава АМг6 (рис. 3б) с использованием программного комплекса DEFORM.

Рис. 3 - Чертеж штамповки: а) деталь «Мембрана»; б) поперечное сечение детали «Кронштейн»

Температура нагрева перед деформацией детали «мембрана» составляла: 380, 450 и 520°С; детали «кронштейн»: 350 и 420°С. Деформация обеих штамповок осуществлялась за один переход. Моделирование включало два этапа: непосредственно процесс деформирования и остывание на воздухе для расчета скорости охлаждения.

Моделирование деформирования мембраны показало, что максимальные значения интенсивностей напряжений и деформаций достигаются в области ободка и облойного мостика. Центральная часть штамповки практически не деформируется и структура остается непроработанной. За счет интенсивного деформационного разогрева градиент температур по сечению составляет более 100°С. Очевидно, что неравномерность деформационной проработки и температурных полей оказывает влияние на характер распределения механических свойств.

Данные конечно-элементного моделирования импортировались в АСП для прогнозирования механических свойств, где в автоматическом режиме были получены картины распределения предела текучести, предела прочности и твердости по сечению штамповки (рис. 4).

Рис. 4 - Результаты прогнозирования распределения предела текучести по сечению штамповки мембраны. Температура деформирования - 380°С

Расчет показал, что максимальные механические свойства достигнуты в зонах с максимальной накопленной деформацией и наилучшей проработкой структуры - зона ободка и облойного мостика. В этих областях скорость охлаждения после деформации достаточно высока, поэтому рекристаллизационные процессы не успевают пройти полностью, в результате чего материал штамповки остается в частично нагартованном состоянии.

Аналогичным образом проведены исследования свойств мембраны для температур деформации 450 и 520°С.

Для исследования свойств сплава АМг6 во время деформации проводилось моделирование процесса штамповки типового сечения детали «Кронштейн» (рис. 3б). НДС при штамповке кронштейна также являлось неоднородным. Максимальные деформации наблюдались в области тонкой перемычки ввиду выдавливания избыточного металла в облой. Слои металла, примыкающие к нижнему штампу, быстро остывали, что способствовало увеличению сопротивления деформации данных слоев и привело к еще большей неравномерности и локализации деформации в контактирующих с пуансоном верхних слоях поковки. Градиент температур по сечению поковки составил 60°С.

Результаты моделирования импортировались в АСП, где производился расчет распределения механических свойств по сечению штамповки (рис. 5).

Рис. 5 - Результаты прогнозирования распределения предела текучести по сечению штамповки кронштейна. Температура деформирования - 420°С

прочностный статический сечение штамповка

Центральные слои штамповки остались практически недеформированными, а медленное охлаждение после деформации способствали формированию более низких значений прочностных свойств. Максимальные механические характеристики достигнуты в зоне тонкой перемычки и облойного мостика. Аналогичным образом проведены исследования штамповки кронштейна при температуре 350°С.

Для оценки точности полученных результатов изготовлены штамповки деталей «Мембрана» и «Кронштейн» из сплавов Д1 и АМг6 соответственно и проведен замер твердости по Бринеллю в точках, указанных на рис 4, 5. Условия деформировании соответствовали проведенному конечно-элементному моделированию.

Выбранные точки соответствуют полученным результатам моделирования и относятся к областям с различной величиной накопленной деформации.

Сравнение результатов, полученных в системе прогнозирования, с экспериментальными данными замера твердости показывают достаточно хорошее их соответствие друг другу (табл. 2, табл. 3). Отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 6,5%, что позволяет говорить о достаточно высокой точности решения.

Таблица 2. Сравнение результатов прогнозируемых и опытных свойств для поковки детали «Мембрана» из сплава Д1