ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Лукин Е.С.1, Петрова Н.Д.1, Иванов А.М.1, Емельянова М.А.2
Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г. Якутск, Россия
2
Якутский государственный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск, Россия
1
В настоящей статье представлены результаты исследования закономерностей
деформирования конструкционной стали Ст3сп, подвергнутой интенсивной
пластической деформации. Приведена методика оценки энергии, поглощенной в процессе
пластического деформирования конструкционной стали. Измерение температуры
поверхности образца в процессе испытания на статическое растяжение производилось
при помощи тепловизионной камеры. Теплота, выделяющаяся в процессе пластического
деформирования, определяется решением уравнения теплопроводности с использованием
данных тепловизионных измерений.
1.
Введение.
В последние 15 лет внимание специалистов, занимающихся созданием и
исследованием
новых
материалов,
вызвали
металлические
материалы
с
ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Эти материалы обладают уникальной
структурой и свойствами, многие из которых имеют непосредственное практическое
применение. Одним из наиболее эффективных методов получения металлических
материалов с УМЗ структурой является метод равноканального углового прессования
(РКУП), предложенный В.М. Сегалом и развитый Р.З Валиевым с коллегами как метод
интенсивной пластической деформации (ИПД) [1-4]. Задачей методов ИПД является
формирование УМЗ структуры в массивных металлических образцах путем измельчения
их микроструктуры. Для реализации ИПД развиты схемы механического
деформирования, такие как интенсивное кручение под высоким давлением,
равноканальное угловое прессование и др. [2, 4].
В настоящей работе исследуются
закономерности деформирования низкоуглеродистой стали Ст3сп, подвергнутой РКУП.
Пластическая деформация конструкционной стали в основном связана с
зарождением и движением дислокаций. Изменение плотности и конфигурации дефектов
всегда сопровождается диссипацией энергии, которая приводит к повышению
температуры образца. Явление повышения температуры в процессе пластической
деформации материалов называется термопластическим эффектом.
Из первого начала термодинамики известно, что часть работы в процессе
пластической деформации dAP поглощается материалом, а другая рассеивается в виде
теплоты dQ. Таким образом, поглощенная энергия dES определяется как разность между
работой пластической деформации и количеством теплоты, рассеявшимся в окружающую
среду [5]
dAP=dES + dQ
(1)
Работа пластической деформации определяется из диаграммы деформирования.
Тепло, выделяющееся в процессе пластической деформации, можно оценить при помощи
калориметра [6, 7]. Однако калориметр обладает значительной инерционностью [7].
Исследование деформирования металлов и сталей также может быть проведено с
использованием тепловизионной камеры [8-10]. Термокамера позволяет измерять
изменение температуры на поверхности образца в процессе деформирования. Однако,
оценка теплоты, рассеявшейся в окружающую среду в процессе деформирования,
является достаточно сложной задачей. В этом случае, искомое количество теплоты может
быть определено введением электрического эквивалента теплоты. При этом функция
мощности электрического тока, нагревающего образец, P(t) подбирается таким образом,
чтобы повышение температуры образца за время t было идентично температуре, которая
достигается при статическом растяжении аналогичного образца [9].
2. Материалы и оборудование.
Целью настоящей работы является оценка энергии, поглощенной материалом в
процессе пластической деформации конструкционной стали Ст3сп с мелкозернистой
структурой. Химический состав представленной стали : 0,17 % С, 0,2 % Si, 0,54 % Mn,
0,14 % Cr, 0,14 % Ni и 0,25 % Cu. Мелкозернистая структура стали Ст3сп получена
методом РКУП. Угол пересечения каналов
использованной оснастки при РКУП
составляет 120. Заготовки из стали Ст3сп продавливались по маршруту «С» в 2 и 8
циклов. Средний размер зерна материала, полученного методом ИПД, составляет 9-12
мкм при 2-х циклах РКУП и 6-7 мкм при 8-ми циклах, соответственно.
Далее, из полученных заготовок были изготовлены стандартные плоские образцы
типа I для испытаний на статический разрыв. Длина рабочей части испытуемых образцов
составляет 510-2 м, ширина 5,510-3 м, толщина 2,510-3 м. Испытания на растяжения
проводились на испытательной машине «UTS–20k» при постоянной скорости
деформирования равной 1,6710-3 с-1. Предел текучести и предел прочности стали Ст3сп в
исходном состоянии (до РКУП) составляют 330 МПа и 503 МПа, упрочненной стали
Ст3сп (после РКУП) – 823 МПа и 835 МПа, соответственно. Видно, что прочностные
характеристики стали, подвергнутой РКУП, существенно повысились.
Измерение приращения температуры образцов в процессе деформирования
проводилось
с
использованием
тепловизионной
системы
«ТКВр-ИФП».
Термочувствительность системы составляет 0,028 К. Спектральная чувствительность
детектора ИК излучения составляет 2,653,05 мкм. Измерение распределения
температуры с поверхности образцов проводилось на расстоянии 0,3 м, при котором поле
зрения камеры составляет 0,090,09 м. Термограммы записываются на персональный
компьютер в режиме «видеофильм» с частотой 20 кадров в секунду. Таким образом,
тепловизионная система позволяет получить функцию распределения температуры на
поверхности образца в зависимости от времени T ( x,t ) .
3. Работа пластической деформации.
Разработана методика оценки энергии, поглощенной материалом, с
использованием данных тепловизионных измерений. Предложенная методика основана на
решении одномерной нестационарной обратной задачи теплопроводности с постоянными
коэффициентами. Методика позволяет провести оценку поглощенной энергии только на
стадии упрочнения материала, поскольку решение одномерной задачи теплопроводности
предполагает, что деформации по рабочей части образца будут распределены равномерно
и относительно малы. Применительно к статически растягиваемому образцу, данное
условие верно только для стадии равномерного упрочнения. На рис.1 приведена условная
диаграмма растяжения гладкого образца из стали Ст3сп в зависимости от относительного
удлинения, на которой пунктирными линиями выделена стадия равномерного удлинения
образца (область применимости методики).
При деформировании образца полная механическая работа A, совершаемая над
материалом, частично расходуется на упругую деформацию Ae, другая часть на
пластическую деформацию AP
A = Ae + AP.
(2)
Таким образом, согласно равенству (2) работа пластической деформации есть
разность между полной работой, затраченной на растяжение образца, и работой упругих
деформаций. Работа пластической деформации определяется из условной диаграммы
деформирования. Методика схематически представлена на рис.2, где заштрихованная
площадь между кривой деформирования 1, нормалью 2 и осью абсцисс есть полная работа
A, затраченная на деформирование образца, а дважды заштрихованная треугольная
площадь между линиями 2, 3 и осью абсцисс – работа упругих деформаций.
Таким образом, работа пластической деформации находится из равенства
AP = A - Ae.
(3)
, МПа
Стадия равномерного удлинения
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
, %
Рис.1. Условная диаграмма растяжения плоского гладкого образца из стали
Ст3сп в зависимости от относительного удлинения.
, MPa
1
2
3
А
Ae
, %
Рис. 2. Схема определения работы пластических деформаций,
где 1 – диаграмма растяжения, 2 – нормаль к оси абсцисс,
3 – линия, параллельная упругой стадии диаграммы растяжения.
4. Оценка количества теплоты, выделившегося в процессе пластического
деформирования.
В данной работе теплота, выделяющаяся в процессе пластической деформации,
вычисляется решением уравнения теплопроводности с использованием данных
тепловизионных измерений.
Количество теплоты Q, рассеявшегося в процессе деформирования, определяется
решением одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с внутренними
источниками теплоты q. В данной задаче образец рассматривается как осесимметричный
ограниченный стержень с известными краевыми условиями.
T ( x,t )  2T ( x,t )
q(t ) ,
a


(
T
(
x
,
t
)

T
)

c
t
c
x 2
(4)
где T(x,t) есть распределение температуры на поверхности образца, а Tc - температура
окружающей среды. Здесь, а - коэффициент температуропроводности,  - коэффициент
температурного рассеяния.
Краевые условия
T (x,0) Tc , T (0, t )  Tc , T (l,t) Tc .
(5)
Решение данного уравнения теплопроводности представлено в работе Г. Карслоу,
Д. Егер [11]. Из известного решения выразим внутренние источники теплоты и
представим его в следующем виде
q (t ) 
T ( x,t )
,
a1  a2 exp[b1 t ] a3 exp[b2 t ]
(6)
где а1, а2, а3, b1 и b2 - некоторые постоянные, зависящие от длины образца,
теплопроводности, плотности и теплоемкости материала.
Распределение температуры по поверхности образца T ( x,t ) в зависимости от
времени находим при помощи тепловизионной системы. Далее, количество рассеявшейся
теплоты q можно получить интегрированием уравнения теплопроводности (6):
t
q   q(t )dt .
(7)
0
Таким образом, рассчитав количество теплоты, выделившегося в процессе
пластического деформирования стали, согласно уравнения (1), можно оценить количество
поглощенной энергии ES.
4. Результаты.
Зависимость удельной работы пластической деформации aр, поглощенной энергии
eS и выделившейся теплоты q при статическом растяжении стали Ст3сп в исходном
состоянии, в зависимости от относительного удлинения приведена на рис.3.
Как видно из рис.3, количество теплоты, выделившегося в результате
термопластического эффекта, составляет 30 % от работы пластической деформации,
остальные 70 % поглощается материалом. Полученный результат несколько отличается
от данных, приведенных в работе E.A. Pieczyska, S.P. Gadaj, W.K. Nowacki [9], где
количество выделившейся теплоты для нержавеющей стали составляет 60-70 % от
работы пластической деформации. В то же время, абсолютное значение поглощенной
энергии для стали Ст3сп больше, чем для нержавеющей стали, и составляет 43,547,5
МДж/м3 и 23,527,5 МДж/м3, соответственно. Поглощенная энергия, определенная
калориметрическим методом для армко-железа (И.В. Астафьев, О.П. Максимкин, М.Н.
Гусев), принимая во внимание только стадию упрочнения, составляет 4055 МДж/м3 [7].
Таким образом, значение поглощенной энергии для стали Ст3сп в исходном состоянии,
полученное предложенным расчетно-экспериментальным методом, по порядку величины
хорошо согласуется с данными других авторов.
E, МДж/м3
80
aр
70
60
50
eS
40
30
q
20
10
0
0
5
10
15
20
, %
Рис. 3. Зависимость удельной работы пластической деформации aр,
поглощенной энергии eS и количества выделившейся теплоты q для стали Ст3сп
в исходном состоянии, в зависимости от относительного удлинения.
На рис.4 приведена зависимость удельной работы пластической деформации aр,
поглощенной энергии eS и выделившейся теплоты q при статическом растяжении стали
Ст3сп, подвергнутой РКУП, в зависимости от относительного удлинения. Из рис.4. видно,
что количество теплоты составляет 20 % от работы пластической деформации, а
поглощенная энергия – 18,523,5 МДж/м3. В сравнении со сталью Ст3сп в исходном
состоянии абсолютные значения энергии, теплоты и работы после РКУП приблизительно
в 22,5 раза меньше. Это объясняется тем, что пластичность стали, подвергнутой РКУП,
существенно меньше, чем для материала в исходном состоянии. Из рис.3 видно, что столь
высокое значение поглощенной энергии достигается при относительном удлинении более
чем в 15 %, в то время как для упрочненной стали (рис.4.) полученное значение
соответствует относительному удлинению при 3 %. Следовательно, величина
поглощенной энергии зависит от пластичности материала. Иными словами, она зависит от
способности материала поглощать работу, совершаемую над материалом.
E, МДж/м3
30
aр
25
eS
20
15
10
q
5
0
0
1
2
3
4
, %
Рис.4. Зависимость удельной работы пластической деформации aр,
поглощенной энергии eS и количества выделившейся теплоты q для
упрочненной стали Ст3сп, подвергнутой РКУП,
в зависимости от относительного удлинения
Таким образом, решение обратной задачи теплопроводности позволяет оценить
количество теплоты, выделившейся в результате термопластического эффекта.
Предложенная расчетно-экспериментальная методика с применением тепловизионной
системы позволяет оценить поглощенную материалом энергию при статическом
растяжении образцов. Полученные результаты для стали Ст3сп в исходном состоянии
хорошо согласуются с данными, полученными другими исследователями. Показано, что
величина поглощенной энергии зависит от пластичности материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта РФФИ № 06-01-96007.
Список использованной литературы
1. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И., Павлик Д.А., Малышев В.Ф. Процессы пластического
структурообразования металлов. Минск: Навука i тэхнiка. 1994. – 231 с.
2. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической
деформацией. – М.: Логос, 2000. – 272 с.
3. Siegel R.W. – In: Proc. of the NATO ASI, Mechanical properties of ulttrafine-grained materials // Eds. M.
Nastasi, D.M. Parkin, H. Gleiter. – Dordrecht-Boston-London: Kluwer Head. Publ., 1993. – V. 233. – 509 p.
4. Ultrafine-grained materials prepared by severe plastic deformation / Ed. R.Z. Valiev // Annales de Chimie.
Science des Materiaux, 1996. – V. 21. – 369 p.
5. Taylor G.I., Quinney H. The latent energy remaining in a metal after cold working // Proc. Roy. Soc., 1934. –
Vol. CXLIII. – A. – P. 307-326.
6. Максимкин О.П., Гусев М.Н. Некоторые особенности диссипации энергии в процессе пластической
деформации железа и ниобия // ПЖТФ, 2001. – Т.27. – Вып.24. – С. 85-89.
7. Астафьев И.В., Максимкин О.П. Восстановление калориметрических термограмм в экспериментах по
изучению тепловыделения и запасания энергии при деформировании // Заводская лаборатория, 1994. –
№1. – С. 44-46.
8. Oliferuk W. Investigation of metal deformation using thermography // Quantitative infrared thermography 4,
QIRT’98, Proceedings of Eurotherm Seminar No. 60. – Lodz, Poland, 2000. – P. 134-139.
9. Pieczyska E.A., Gadaj S.P., Nowacki W.K. Rate of energy storage during consecutive deformation of steel //
Quantitative infrared thermography 5, QIRT’2000, Proceedings of Eurotherm Seminar No. 64. – Reims,
France, 2000. – P. 260-264.
10. Lukin E.S., Ivanov A.M., Vainer B.G. Thermal imaging investigations in experimental mechanics // Russian
Journal of Nondestructive Testing, 2003. – V. 39. – No. 6. – P. 472–477.
11. Карслоу Г., Егер Д. Теория теплопроводности. – М.: Наука, 1954. – 537 с.