СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС НА ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR SUPPRESSING DEFORMATION BANDS ON SURFACE OF ALUMINIUM-MAGNESIUM ALLOYS

Изобретение относится к способам обработки алюминиевых сплавов, включающим механическую обработку давлением с одновременным приложением импульсного электрического поля с целью подавления механических неустойчивостей сплава под давлением, вызывающих образование деформационных полос на поверхности конечного продукта.
Существует несколько видов обработки металлов и полупроводников на основе процесса давления - прокатка, штамповка, волочение и плющение, где для повышения производительности и качества обработки может быть использован электропластический эффект (ЭПЭ) (Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г.).
Настоящее изобретение относится к алюминиевым сплавам, проявляющим в условиях механической обработки давлением прерывистую деформацию, известную как эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ). Полосы локализованной деформации, связанные с прерывистой деформацией, ухудшают качество поверхности промышленных изделий и вызывают преждевременную коррозию и внезапное разрушение.
2
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки металлов по патенту России №2544721 (Кл. C22F 1/047, публикация 20.03.2015), включающий механическую обработку заготовки из листового сплава Al-Mg с одновременным пропусканием постоянного тока низкой плотности 20-30 А/мм.
Недостаток этого способа - отсутствие оптимального сочетания диапазона плотности тока, длительности пропускания постоянного тока и температурно-скоростных условий деформирования. В частности, ток пропускается по заготовке в течение всего времени деформирования, даже на участках деформационной кривой, на которых в отсутствие тока прерывистая деформация не наблюдается, что также ограничивает возможности метода.
Технической задачей предлагаемого решения является оптимизация условий электротоковой обработки промышленных сплавов Al-Mg, применяемых при производстве авиакосмической техники и автомобилей, с целью снижения затрат на электроэнергию, улучшения качества поверхности промышленных изделий, увеличения долговечности алюминий-магниевых сплавов без потери прочности и пластичности.
Апробация способа производилась на промышленном алюминий-магниевом сплаве АМг5, который в отсутствие тока демонстрирует прерывистую деформацию ПЛШ. Образцы в виде двухсторонних лопаток с размером рабочей части 6×3×0.5 мм вырезали машинным способом из листового проката вдоль направления холодной прокатки. После отжига при 420°C и закалки на воздухе средний размер зерна составил около 10 мкм.
Испытания на растяжение с постоянной скоростью деформирования проводили в жесткой испытательной машине Instron (модель 3344). При испытании в жестком режиме прерывистая деформация проявляется в виде повторяющихся скачков разгрузки амплитудой 5-15 МПа. Для исследования влияния электрического тока на прерывистое течение образец электрически изолировали от испытательной машины с помощью захватов из плавленого кварца. В качестве источника тока использовали низковольтный (5В) источник постоянного тока SE-600-5 с ограничительным сопротивлением - балластным реостатом РБ-306П. Процессы полосообразования и распространения локализованной деформации на поверхности плоского образца контролировали с помощью высокоскоростной видеокамеры VS-FAST/G6 (НПО Видеоскан). Скачки нагрузки измеряли с помощью тензодатчика Zemic A3-C3-100kg-3V с чувствительностью 1.5 мкВ/Н в полосе частот 0-2 кГц.
d
Схема эксперимента представлена на Фиг. 1. Образец 1 растягивали с постоянной скоростью  Импульсный сигнал тензодатчика 2, вызванный резким скачком разгрузки, запускает генератор прямоугольных импульсов тока 3 с помощью блока управления 4, который включает блок задержки на время t (0.1-1000 мс) между запускающим импульсом от тензодатчика и импульсом тока, и генератор прямоугольных импульсов тока с заданной амплитудой (~10-110 А), длительностью переднего фронта  и крыши τ (0.1-10 с) порядка и больше длительности скачка напряжения. Прямоугольный импульс тока пропускался через деформируемый образец во время ожидания скачка деформации с целью его подавления. Основанием для такого способа является обнаруженный авторами эффект подавления постоянным током прерывистой деформации ПЛШ (Патент РФ №2544721).
Принципиальная схема блока управления показана на Фиг. 2. Для формирования импульсов тока использовался мощный источник постоянного тока напряжением 5 В с максимальным током до 110 A (Mean Well SE-600-5). Ток коммутировался с помощью полевого транзистора IRFP064N, управление которым осуществлялось по цепи затвора напряжением 12 В. Длительность крыши импульсов в экспериментах варьировалась с дискретностью 1 или 10 мс.
Амплитуда скачка сигнала тензодатчика в момент формирования первичной полосы деформации, как правило, составляет 60-200 мВ. Формирование прямоугольного импульса тока производилось относительно этого момента. Ядром устройства, схема которого приведена на Фиг. 2, является микропроцессор, управляющий дисплеем и выполняющий выбранную программу. Выбор из нескольких заложенных программ, отличающих временными характеристиками формируемого токового импульса и его моментом начала действия относительно скачка, производится кнопками S2 и S3. Номер программы и устанавливаемые временные соотношения индицируются на дисплее DIS1. Для приведения устройства в исходное состояние предназначена кнопка S1.
Запуск программы производится по сигналу тензодатчика, подаваемого на коннектор J3. Его обработка происходит в компараторе IC2A с регулируемым порогом срабатывания. Его величина устанавливается с помощью регулировки R6 и составляет 30 мВ. Управление включением/выключением коммутирующего полевого транзистора осуществляется компаратором с открытым коллектором ICЗА. Благодаря этой его особенности стало возможным при 5-вольтовом питании компаратора получить на его выходе 12-вольтовые импульсы (коннектор J2). Его выход предназначен для работы с высокоомной нагрузкой, которой является затвор полевого транзистора. Логический уровень сигнала на выходе J5 определяется логикой исполняемой программы. Вывод обеспечивает втекающий/вытекающий ток до 20 мА при напряжении 5 В. Обеспечение устройства необходимыми напряжениями на 5 В и 12 В производится соответствующими внешними источниками питания. Потребление тока по 5В не превышает 50 мА, по 12В - не более 10 мА.
Скоростная видеосъемка, синхронизированная с сигналом силового отклика σ(t), показывает, что стадия зарождения полосы деформации и ее быстрое распространение через сечение образца сопровождается резким отрицательным скачком напряжения (скачком разгрузки) длительностью ~1 мс. Генератор прямоугольного импульса тока запускается от скачка сигнала тензодатчика по достижении этим сигналом порогового значения. Поскольку в отсутствие электротоковой обработки амплитуда скачков разгрузки растет с ростом деформирующего напряжения, то варьированием порогового значения тензосигнала можно контролировать стадию деформирования, в которой генератор прямоугольного импульса тока включается от некоторого i-го скачка, амплитуда которого превысила порог запуска генератора. Таким образом, установкой порога срабатывания можно настроить устройство на подавление, например, только самых крупных скачков - скачков типа C, которые сопровождаются возникновением нераспространяющихся (статических) полос деформации, наиболее опасных для прочности сплава.
d
0
d
tr
В примере, представленном на Фиг. 3, длительность крыши прямоугольного импульса тока устанавливали приблизительно равной или больше среднего времени между скачками, т.е.  для исследования возможности этим импульсом тока подавить следующий i+1-й скачок деформации или несколько последующих скачков, а время задержки t между моментом запуска генератора t и началом генерации прямоугольного импульса тока варьировали от эксперимента к эксперименту в пределах от 0 до  Время предварительной электротоковой обработки сплава до следующего скачка вычисляется как  (Фиг. 3). Таким образом, варьированием времени задержки t данная методика позволяет контролировать время электротоковой обработки t и измерять вероятность подавления очередного i+1-го скачка и соответственно подавлять процесс зарождения первичной полосы деформации.
m
tr
tr
tr
R
2
2
Статистический анализ попыток подавления очередного скачка прямоугольным импульсом тока амплитудой j=60 А/мм показал, что при 0<t<0.3 с вероятность подавления скачка напряжения равна нулю, при t>0.8 с эта вероятность равна единице, а в промежуточной области 0.3 с<t<0.8 с, вероятность подавления монотонно возрастает от нуля и стремится к единице. Вместе с тем, если импульс тока через образец стартует непосредственно после зарождения полосы деформации (в пределах до 3 мс), то он не оказывает заметного влияния на эволюцию этой полосы и характеристики скачка деформации, вызванного данной полосой. После окончания прямоугольного импульса тока скачки напряжения возобновляются через время τ≈0.5 с (см. Фиг. 3), которое характеризует инерционность эффекта подавления током прерывистой деформации. Следовательно, для подавления процесса зарождения деформационных полос и скачков напряжения необходима предварительная обработка данного сплава в течении не менее 0.8 с током плотностью не менее 60 А/мм (при ). Предположительно это время необходимо для растворения током малых преципитатов (зон Гинье-Престона), образующихся на ранних стадиях старения сплава. Полученные результаты подтверждают преципитатную модель подавления током прерывистой деформации ПЛШ [Brechet Y., Estrin Y. // Acta Metal. Mater. 1995. V. 43. №3. P. 955-963].
Таким образом, экспериментально установлено, что электрический ток: а) подавляет процесс зарождения деформационных полос; б) не влияет на распространение полос, если зарождение произошло до включения тока. Из полученных результатов следует, что электрический ток является примером селективного воздействия на процесс зарождения деформационных полос и может быть использован для его подавления, а следовательно, и подавления развития пластических неустойчивостей в алюминий-магниевом сплаве.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схема синхронизации сигнала датчика усилия (тензодатчика), связанного с зарождением первичной деформационной полосы с генератором прямоугольных импульсов тока, подавляющих полосообразование. 1 - образец, 2 - тензодатчик усилия, 3 - генератор прямоугольного импульса тока, 4 - блок управления (см. Фиг. 2), 5 - видеокамера, 6 - захваты из плавленого кварца.
Фиг. 2. Принципиальная электрическая схема блока управления.
m
m
d
R
2
2
Фиг. 3. Фрагмент скачкообразной кривой деформации сплава AMg5 и эпюра прямоугольного импульса тока без эффекта подавления (а), когда J<60 А/мм, и с подавлением скачков током (б) при j=60 А/мм. Δt - время между соседними скачками, t<Δt - время задержки между скачком разгрузки и начальным моментом генерации импульса тока, τ - время восстановления скачков на деформационной кривой, τ=2 с - длительность «крыши» прямоугольного импульса тока.