ИССЛЕДОВАНИЕ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛЕЙ, ОБЛАДАЮЩИХ РАЗЛИЧНЫМИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ
ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛЕЙ, ОБЛАДАЮЩИХ РАЗЛИЧНЫМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПЛАСТИЧНОСТИ
Иванов А.М., Лукин Е.С.
Якутск, Россия
Введение. Современные методы расчетов на прочность и жесткость деталей машин и
элементов конструкций позволяют обеспечить их долговременную надежную работу под
действием заданной нагрузки. Трудность инженерных расчетов состоит в том, что обеспечение прочности и выносливости машиностроительных конструкций должно сочетаться с
наименьшей затратой материалов. Экономии можно добиться не только совершенствованием расчетных методов, но и применением современных конструкционных материалов,
обладающих высокими прочностными характеристиками и относительно невысокой себестоимостью. К таким материалам можно отнести широко используемые малоуглеродистые стали, прочностные характеристики которых улучшены измельчением зерна вплоть
до наноразмеров механической или термомеханической обработкой.
Металлические материалы с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой обладают
уникальными прочностными характеристиками 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].
Стальные образцы, подвергнутые ИПД методом РКУП, обладают высокими прочностными характеристиками. К примеру, предел прочности стали Ст3сп повышается с
500÷550 МПа до 800÷900 МПа, в зависимости от маршрута, температуры и количества
циклов РКУП, а предел текучести с 300÷350 МПа до 750÷850 МПа [5]. Фактически, без
использования легирующих элементов, применяя только механическую обработку можно
повысить предел текучести стали в 2÷2,5 раза. Применение недорогих широко используемых классов сталей, подвергнутых ИПД и обладающих прочностными характеристиками,
сопоставимыми с высокопрочными сталями, является экономически выгодной, актуальной научно-технической задачей.
Однако повышение прочности материала приводит к снижению сопротивления развитию трещины. Стали, подвергнутые РКУП, характеризуются низкой пластичностью, а
значит, склонны к развитию хрупкого разрушения, о чем свидетельствуют результаты испытаний на ударную вязкость. Использование стали с низкими характеристиками трещиностойкости в качестве ответственных деталей элементов конструкции нежелательно, а в
некоторых случаях недопустимо. Применение ИПД для повышения характеристик прочности материала целесообразно комбинировать с термообработкой стали. Термомеханическая обработка позволяет улучшить характеристики пластичности с незначительной потерей прочности низкоуглеродистой стали.
Поэтому, при изготовлении стальных образцов, подвергнутых ИПД, необходимо
проводить исследования на трещиностойкость с целью подбора оптимального режима
термообработки, а также последующего контроля соответствия полученных заготовок
предъявляемым техническим условиям (ТУ). Однако оценка трещиностойкости стали,
подвергнутой ИПД, - в некоторых случаях трудно реализуемая задача, поскольку относи-
тельно малые размеры получаемых заготовок не позволяют изготовить образцы, пригодные для испытаний на вязкость разрушения. Данную проблему можно решить, применяя
косвенные методы оценки трещиностойкости материала.
Развитие трещины в упругопластическом материале сопровождается локальным
пластическим течением в вершине трещины. Поэтому пластичные материалы обладают
более высокой трещиностойкостью, чем хрупкие. 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 в зоне развития пластических деформаций (термопластический эффект).
На основе термопластического эффекта В.Е. Реморовым был предложен новый метод оценки трещиностойкости стали, основанный на определении теплового импульса в
вершине движущейся трещины [6-8]. Локальное течение металла в вершине трещины
приводит к выделению существенного количества теплоты - это обстоятельство дает возможность оценить величину теплового импульса при помощи дифференциальных термоэлектрических преобразователей, закрепленных на образце вдоль траектории движения
трещины. Приняв гипотезу, предложенную Тейлором и Квинеем о том, что практически
вся работа развития трещины преобразуется в тепловую (до 90 % работы развития трещины) [9], В.Е. Реморов разработал методику оценки трещиностойкости исследуемой стали
по тепловому импульсу. Полученные им результаты удовлетворительно согласуются с
данными по трещиностойкости исследованных марок сталей.
Однако, согласно результатам исследований ряда авторов, для армко-железа и нержавеющей стали, количество теплоты, выделяющееся в процессе пластического деформирования образцов, не превышает 30÷60 % от совершенной работы. Поэтому, вопрос о
том, какое количество совершенной механической работы поглощается материалом, а какое количество преобразуется в тепловую энергию (рассеивается в виде теплоты), остается открытым. Соотношение между поглощенной энергией и энергией диссипации является определяющим при оценке трещиностойкости стали по термопластическому эффекту.
Постановка задачи. 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 [9]
dAP=dES + dQ.
(1)
Работа пластической деформации определяется из диаграммы деформирования.
Теплота, выделяющаяся в процессе пластической деформации, может быть определена
несколькими методами: термоэлектрическим, калориметрическим и тепловизионным.
Термоэлектрический метод является одним из самых достоверных и хорошо зарекомендовавших себя методов, однако он позволяет измерять температуру только в локальных областях. Калориметрический метод обладает существенной инерционностью. Наиболее
перспективным из рассматриваемых методов является тепловизионный метод исследования [10, 11].
Как видно из статей, исследователи расходятся в оценках поглощенной и рассеянной
материалом энергии. В связи с этим, необходимо разработать методику оценки количества теплоты, выделяющегося в результате термопластического эффекта, а также провести
сравнительный анализ изменения диссипации энергии для малоуглеродистых сталей в состоянии поставки и после термомеханической обработки методом РКУП.
Таким образом, целью работы является оценка количества теплоты, выделившейся в
процессе пластической деформации малоуглеродистой стали, с привлечением тепловизи-
онных средств измерения температуры и проведение сравнительного анализа изменения
диссипации энергии материала в УМЗ состоянии.
Материалы и методика. В настоящей работе исследуется низкоуглеродистая сталь
Ст3сп при статическом растяжении. Химический состав исследуемой стали: 0,17 % С, 0,2
% Si, 0,54 % Mn, 0,14 % Cr, 0,14 % Ni и 0,25 % Cu. Приводятся результаты исследования, а
также сравнительный анализ стали Ст3сп в состоянии поставки и после РКУП. Мелкозернистая структура стали Ст3сп получена методом ИПД по схеме 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. Размер зерна в исходном состоянии составляет 15-20 мкм.
Далее, из полученных заготовок были изготовлены стандартные плоские образцы
типа I для испытаний на статический разрыв. Длина рабочей части испытуемых образцов
составляет 0,05 м, ширина 0,0055 м, толщина 0,0025 м. Испытания на растяжение 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 после РКУП – 823
МПа и 835 МПа, соответственно. Видно, что прочностные характеристики стали, подвергнутой ИПД методом РКУП, существенно возросли.
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 ) .
, 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.
Разработана методика оценки энергии, поглощенной материалом, с использованием
данных тепловизионных измерений [12]. 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, а другая часть на пластическую деформацию AP
A = Ae + AP.
(2)
Согласно выражению (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)
, MPa
1
2
3
А
Ae
, %
Рис.2. Схема определения работы пластических деформаций:
1 – диаграмма растяжения, 2 – нормаль к оси абсцисс, 3 – линия, параллельная упругой стадии диаграммы растяжения.
Оценка количество теплоты Q, рассеявшегося в процессе деформирования, определяется решением одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты q:
T ( x,t )  2T ( x,t )
q(t )
a
 (T ( x,t ) Tc ) 
2
t
c
x
(4)
с краевыми условиями T ( x,0) Tc , T (0, t )  T , T (l,t ) Tc .
(5)
c
В данной задаче образец рассматривается как осесимметричный ограниченный
стержень с известными краевыми условиями. При этом T(x,t) есть распределение температуры на поверхности образца, а Tc - температура окружающей среды. Здесь а - коэффициент температуропроводности, а  - коэффициент температурного рассеяния.
Аналитическое решение данного уравнения теплопроводности представлено в работе Г. Карслоу и Д. Егер [13]. 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
.
(7)
q   q(t )dt
0
Таким образом, рассчитав количество теплоты, выделившегося в процессе пластического деформирования стали, согласно уравнению (1) можно оценить количество поглощенной энергии ES.
Оценка поглощенной энергии. 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, количество теплоты, выделившегося в результате термопластического эффекта, составляет 25÷30 % от работы пластической деформации, остальные 70÷75
% поглощаются материалом. Абсолютное значение поглощенной энергии для Ст3сп в исходном состоянии составляет 39,5÷44,5 МДж/м3.
Е, МДж/м3
80
a
70
60
es
50
40
30
q
20
10
0
0
5
10
15
20
, %
Рис.3. Зависимость удельной работы пластической деформации a, поглощенной энергии eS и количества выделившейся теплоты q для стали Ст3сп в исходном состоянии в зависимости от относительного удлинения .
На рис.4 представлена 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.
E, МДж/м3
25
a
20
eS
15
10
5
q
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
, %
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 .
Видно, что количество теплоты, выделившегося в результате термопластического
эффекта, составляет всего лишь 10÷15 % от работы пластической деформации. Большая
часть работы поглощается материалом – 85÷90 %, что составляет 16,5÷17,5 МДж/м3.
В работе G.I. Taylor и H. Quinney количество теплоты, выделяющееся в процессе деформирования меди, составляет 80-90 % от работы, затраченной на деформирование материала [9]. В то же время, результаты полученные E.A. Pieczyska, S.P. Gadaj и W.K.
Nowacki для отожженной нержавеющей стали, показывают, что выделившаяся теплота
составляет 60-70 % от работы пластических деформаций [11]. Таким образом, можно
предположить, что количество выделившейся теплоты зависит от пластичности материала.
Выводы. 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.
Из рисунков 3 и 4 видно, что процентное соотношение выделившейся теплоты q для
стали Ст3сп в исходном состоянии выше, чем после РКУП. Поскольку пластичность стали, упрочненной методом РКУП, существенно ниже чем в исходном состоянии, то можно
предположить, что выделяющаяся теплота зависит от пластичности стали.
В то же время абсолютные значения представленных величин для стали Ст3сп до и
после термомеханической обработки, существенно отличаются. В сравнении с исходным
состоянием материала абсолютное значение энергии, поглощенной УМЗ материалом,
меньше в 22,5 раза. Однако энергия, поглощенная сталью Ст3сп, подвергнутой РКУП, в
единицу удлинения составляет - 8,1 МДж/м3, в то время как для стали в исходном состоянии всего лишь – 3,1 МДж/м3.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 06-01-96007).
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов и др. Процессы пластического структурообразования
металлов. - Минск: Навука i тэхнiка, 1994. – 231 с.
Р.З. Валиев, И.В. Александров. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической
деформацией. – М.: Логос, 2000. – 272 с.
R.W. Siegel. – In: Proc. of the NATO ASI, Mechanical properties of ultrafine-grained materials // Eds. M. Nastasi, D.M. Parkin, H. Gleiter. – Dordrecht-Boston-London: Kluwer Head. Publ., 1993. – V.233. – 509 p.
Ultrafine-grained materials prepared by severe plastic deformation / Ed. R.Z. Valiev. Annales de Chimie. Science des Materiaux, 1996. – V.21. – 369 p.
А.М. Иванов, Е.С. Лукин. Закономерности деформирования металлических материалов со структурой,
сформированной равноканальным угловым прессованием. // «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций»: Сб. тез. докл. Всеросс. конф. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,
2006. – С.53.
В.Е. Реморов. Методика и некоторые результаты исследования трещиностойкости металла и сварных соединений методом теплового импульса // Заводская лаборатория. - 1992. - №5. - С. 27-40.
В.Е. Реморов, В.А. Путинцев. Транзисторный дифференциальный датчик температуры // Приборы и
техника эксперимента. – 1979. - №6. – С. 150-152.
В.Е. Реморов, Н.А. Челышев. Трещиностойкость бесшовных труб по данным теплового импульса при
разрушении // Известия вузов. Черная металлургия. – 1994. - №8. – С. 29-32.
G.I. Taylor, H. Quinney. The latent energy remaining in a metal after cold working // Proc. Roy. Soc., 1934. –
Vol. CXLIII. – A. – P. 307-326.
W. Oliferuk. Investigation of metal deformation using thermography // Quantitative infrared thermography 4,
QIRT’98, Proceedings of Eurotherm Seminar No.60. – Lodz, Poland, 2000. – P. 134-139.
E.A. Pieczyska, S.P. Gadaj, W.K. Nowacki. 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.
A.M. Ivanov, E.S. Lukin, B.G. Vainer. Evaluation of storage energy of the constructional steel during plastic
deformation. // Book of Abstracts of 8th conference on «Quantitative InfraRed Thermography» (QIRT 2006). –
Padova, Italy, 2006. – P. 10-11.
Г. Карслоу, Д. Егер. Теория теплопроводности. – М.: Наука, 1954. – 537 с.