Эффекты вязкоупругого поведения материалов в режиме сверхпластичности

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1855-1856 1855

УДК 539.3

ЭФФЕКТЫ ВЯЗКОУПРУГОГО ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

© 2011 г. П.В. Чистяков, О.И. Быля, А. Ф. Ахметгалеев

НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова

chist206@yandex.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Обсуждается возможность применимости вязкопластической модели для описания процессов деформирования сверхпластических материалов и материалов в состоянии, близком к сверхпластическому. Приводятся результаты экспериментов при немонотонном (скачкообразном) изменении скорости деформации и экспериментов на релаксацию.

Ключевые слова: сверхпластичность, вязкопластичность, эксперимент, скачкообразное изменение скорости деформации, релаксация, определяющие соотношения.

Явление сверхпластичности широко используется в технике, в том числе при разработке перспективных технологий обработки металлов давлением. Построение адекватных определяющих соотношений является актуальной проблемой. Чаще всего предполагается, что поведение мате -риала описывается стандартным определеющим соотношением со степенной зависимостью напряжения от скорости деформации. В связи с этим традиционными являются эксперименты на растяжение или сжатие при постоянной или кусочно-постоянной скорости деформации (и постоянной температуре). Опыты на релаксацию напряжений проводятся гораздо реже. Однако исследование релаксации дает дополнительную информацию о механических свойствах материала. Такие эксперименты дают возможность определить характерное время релаксации, являющееся важным свойством материала, и определить остаточное, практически неизменное напряжение, кото -рое в моделях сверхпластичности трактуется как пороговое напряжение. Представляет интерес сопоставление релаксационных кривых у материалов с различной исходной структурой. Известно, что в оптимальном режиме сверхпластичности материал с подготовленной (ультрамелкозернистой структурой) ведет себя фактически как вязкая жидкость и имеет малое характерное время релаксации; у материала с неподготовленной структурой такое поведение «в чистом виде» не реализуется. Следовательно, вид релаксационных кривых в определенной степени будет отражать состояние структуры деформируемого материала.

Экспериментальные исследования поведения материалов при значительном скачкообразном

изменении скорости деформирования в режимах сверхпластического и близкого к сверхпластическому деформирования выявили ряд эффектов, не наблюдавшихся при монотонном нагружении или при малых вариациях £ . При уменьшении скорости деформирования на полпорядка и более, кривая деформирования вместо ожидаемого выхода сверху на диаграмму, соответствующую новой скорости, либо «проскакивает» вниз и затем возвращается с запаздыванием порядка 10%, либо идет ниже ожидаемой кривой [1-3]. Второе обычно наблюдается у крупнозернистых материалов, с так называемой «неподготовленной» микроструктурой и, скорее всего, связано с измельчением микростуктуры на первом этапе деформирования. Однако первый эффект наблюдается и в мелкозернитых материалах, и при очень незначительных деформациях, когда ни о каком существенном изменении микроструктуры речь идти не может. Соответственно существующие модели сверхпластического течения не могут описать данное поведение, так как предусматривают, в основном, активное нагружение, тогда как при резком снижении скорости деформации имеет место частичная разгрузка. Существует ряд моделей, пытающихся трактовать начальный участок кривой деформирования и участки разгрузки как чисто упругие, подчиняющиеся закону й<5 = Её £ [4]. Авторами был проведен анализ опубликованных и собственных экспериментальных данных, который показывает, что если принять начальный участок диаграммы деформирования условно линейным, угол наклона будет зависеть от температуры, скорости деформирования и параметра, характеризующего начальную микро-

1856

П.В. Чистяков, О.И. Быля, А.Ф. Ахметгалеев

структуру (обычно средний размер зерна).

На установке Zwick Z100 была проведена серия экспериментов на растяжение с целью исследования переходных участков при скачкообразном изменении скорости деформации и построения релаксационных кривых для титанового сплава ВТ-9 при температуре 950 0С и значениях деформации порядка 10-20%. Эксперименты проводились на образцах с исходной (глобулярной) микроструктурой (рис. 1) и образцах с неподготовленной (пластинчатой) микроструктурой (рис. 2).

Рис. 2

На рисунках представлены фотографии микрошлифов с 500-кратном увеличением. Определялось характерное время релаксации и остаточное напряжение. Построены кривые релаксации до времени 60 мин. Для различных скоростей деформации построен начальный участок деформирования. В процессе эксперимента деформация

измерялась на базе с помощью специального высокотемпературного индуктивного датчика.

Проведены эксперименты на осадку цилиндрических образцов из модельных материалов — легкоплавких сплавов на основе Pb, Sn, Cd, Bi на одноосных испытательных установках Zwick-100 и АК-1958. Эксперименты осуществлялись при комнатной температуре ( соответствующей режиму сверхпластичности для этих сплавов) со ступенчатым изменением скорости подвижной траверсы. Производимая в ходе испытаний фотосъемка с высоким разрешением позволяла отслеживать изменение формы образца. Исследован характер переходных (после скачка скорости траверсы) участков на диаграммах деформирования. В экспериментах на осадку построены также кривые релаксации в течение продолжительного времени. Эксперименты показали, что в ряде случаев для адекватного описания поведения материала в режиме сверхпластичности или близком к нему необходимо учитывать вязкоупругие свойства материала.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты №№11-08-00961и 09-08-92651-ИНД.

Список литературы

1. Бхаттачария С.С., Быля О.И., Васин Р.А., Пад-манабхан К.А. Механическое поведение титанового сплава Ti-6Al-4V c неподготовленной микроструктурой при скачкообразном изменении скорости деформирования в режиме сверхпластичности // Изв. РАН. МТТ. 2009. №6. С. 168—177.

2. Ridley N., Bate P.S., Zhang B. Effect of strain rate path on cavitation in superplastic aluminium alloy // Materials Science and Engineering. A. 2007. V. 463, No 1, 2. P. 224—230.

3. Booeshaghi F. Garmestani H. On the application of load relaxation in characterizing superplastic Al-Li 8090 // Scripta Materialia, 1999. Vol. 40. P. 509—516.

4. Padmanabhan K.A., Vasin R.A., Enikeev F.U. Superplastic flow: phenomenology and mechanics. Springer Verlag, 2001. 430 p.

VISCO-ELASTIC EFFECTS IN THE BEHAVIOR OF MATERIALS UNDER SUPERPLASTIC DEFORMING

P. V. Chistyakov, O.I. Bylya, A.F. Akhmetgaleev

A constitutive model for the description of superplastic and near to super-plastic processes of deforming which takes into account vico-elastic and visco-plastic effects of material behavior is discussed. The results of the experiments on non-monotonic loading with strain-rate jumps as well as relaxation experi-ments are presented.

Keywords: superplasticity, viscoplasticity, experiment, strain rate jumps, relaxation, constitutive equations.