DEFORMATION BEHAVIOR OF ALUMINUM-LITHIUM ALLOY V-1461 IN HOT COMPSESSION TEST

Full Text

Развитие авиационной и ракетно- космической техники неразрывно связано с задачей снижения массы летательных аппа- ратов, одним из решений которой является использование алюминий-литиевых сплавов пониженной плотности [1-4]. Первое поко- ление алюминий-литиевых сплавов не нашло широкого применения из-за низких характе- ристик пластичности и технологичности при изготовлении полуфабрикатов и деталей. В связи с этим в последние годы были разра- ботаны новые алюминий-литиевые сплавы различных систем легирования (Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li), основной особен- ностью которых является пониженное со- держание лития и дополнительное легирова- ние редкоземельными элементами Sc, Zr, Ag [3-4]. Наиболее освоенными в промышленном производстве являются сплавы 1424, 1441 и В-1461 [4-6]. Однако, несмотря на это, дефор- мационное поведение данных сплавов в про- цессах горячей обработки давлением изучено мало, что негативно сказывается на скорости их внедрения в производство. Хотя в работах [7-8] отмечается, что литая и деформированная структура имеют принципиальные отличия, сказывающиеся на процессах обработки, проведённый ана- лиз литературных источников показал, что отсутствуют исследования, отражающие влияние исходного состояния материала за- готовки на деформационное поведение алю- миний-литиевых сплавов. В связи с этим це- лью настоящей работы является изучение влияния исходного состояния сплава систе- мы Al-Cu-Li-Mg-Zn-Zr-Sc при горячей де- формации. Условия и методы исследования С целью оценки влияния исходной структуры и температурно-скоростных усло- вий обработки на деформационное поведение алюминий-литиевого сплава В-1461 (2,8 % Cu, 1,7 % Li, 0,5 % Zn, 0,09 % Zr, 0,06 % Sc) про- ведено физическое моделирование процесса горячей деформации. Физическое моделиро- вание проводилось на установке Gleeble-3800. Для проведения испытаний на одноосное сжа- 58 Машиностроение и машиноведение тие при высоких скоростях деформации при- менялся модуль Hydrawedge. Испытывались образцы диаметром 10 мм и высотой 15 мм, отобранные от слит- ка и горячекатаной плиты из алюминий- литиевого сплава В-1461. Слиток и плиты из сплава В-1461 произведены в промышлен- ных условиях. Плиты толщиной 55 мм полу- чены из слитков сечением 300×1100 мм с ис- пользованием продольно-поперечной горя- чей прокатки. Плиты поставлены в соста- ренном состоянии. Нагрев под закалку про- изводили при температуре 530 °С с после- дующим охлаждением в холодной воде и правкой растяжением с остаточной степенью деформации 2,8 %. Старение производилось по трехступенчатому режиму [9]. Диапазон скоростей деформации при испытании подбирался таким образом, что- бы перекрыть все процессы обработки дав- лением, применяемые при изготовлении по- луфабрикатов из алюминий-литиевого спла- ва В-1461 [6, 10-14]. Известно, что стан- дартные процессы обработки давлением ха- рактеризуются следующими скоростями де- формации [15-16]: прессование 0,01-1 с-1; - штамповка 0,1-10 с-1; прокатка 1-100 с-1; ковка на молотах 10-1000 с-1. Поэтому физи- ческое моделирование проводилось в диапа- зоне скоростей деформации 0,1-60 с-1. Исходя из анализа литературных данных [6, 10-14], были подобраны температурные условиях обработки, соответствующие про- цессам горячей деформации алюминий- литиевого сплава В-1461: 400-460 °С. Нагрев осуществлялся прямым пропусканием тока до температуры испытания со скоростью 5 °C/с с последующей выдержкой при заданной тем- пературе в течении 5-ти минут. Это необходи- мо для выравнивания температуры по сечению образца и растворения вторичных фаз, присут- ствующих в исходной структуре материала. Для снижения трения на торцевые поверхно- сти образцов наносилась высокотемператур- ная жаростойкая никелевая смазка. В процессе осадки регистрировалось удельное усилие деформирования p, которое вследствие действия сил трения на контактных поверхностях между бойками и заготовкой отли- чается от фактического сопротивления материала деформации. Истинные напряжения течения ма- териала σ рассчитывались по формуле [17]: , 3 1 h d p     (1) где μ - коэффициент трения; d и h - текущий диаметр и высота образца, которые находят- ся из известных значений начального диа- метра d0 и высоты h0 образца, степени его деформации по высоте ε: , 0 h  h e 2 , 0  d  d e (2) Таким образом, для корректировки кри- вых сопротивления деформации, полученных в ходе физического моделирования, необходимо определить коэффициент трения, соответству- ющий экспериментальным условиям. Для этого использовалась зависимость степени бочкооб- разования образцов при осадке от трения, кото- рую определили путём компьютерного модели- рования в программе DEFORM процесса осадки цилиндрических образцов при разных коэффи- циентах трения. Зная степень бочкообразования экспериментальных образцов, по полученной зависимости были определены коэффициенты трения для всех исследуемых режимов. Установлено, что коэффициент трения практически не зависит от скорости деформа- ции, поэтому для расчётов использовалось сред- нее значение для исследуемых режимов. Также необходимо отметить, что коэффициент трения при осадке катаных образцов больше, чем для литых, хотя условия испытаний были аналогич- ными. Данное отличие можно объяснить влия- нием их исходной анизотропии свойств, вслед- ствие которой при осадке катаных образцов наблюдалось не только бочкообразование, но и искажение формы в плане - цилиндрические образцы принимали овальную форму. Очевид- но, что в этом случае значения коэффициентов трения для катаных образцов, рассчитанные по формуле (1), являются недостоверными. Поэто- му для корректировки кривых деформирования использовался средний коэффициент трения 0,091, рассчитанный по литым образцам. Результаты и их обсуждение Скорректированные эксперименталь- ные кривые деформирования сплава В-1461, полученные при разных температурах и ско- ростях деформации для литого и деформи- рованного состояния приведены на рисунках 1 и 2. Отметим, что при высоких скоростях Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2018. № 1 (12) 59 деформации (60 с-1) на кривых деформиро- вания наблюдаются значительные колебания по достижению пиковых напряжений, что, вероятно, вызвано низкой чувствительно- стью комплекса Gleeble-3800 в условиях вы- соких скоростей деформирования. Как для литых (рис. 1), так и для ката- ных образцов (рис. 2) при постоянной скоро- сти деформации напряжения деформирова- ния падают с ростом температуры испыта- ний, а увеличение скорости деформации при постоянной температуре сопровождается ро- стом напряжений. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях напряжения течения катаных образцов превышают ана- логичные напряжения литых образцов. И для литых, и для катаных образцов напряжения течения при малых деформаци- ях быстро нарастают, достигая максимально- го значения, а затем для большинства рас- сматриваемых режимов наблюдается незна- чительное падение напряжений до некоторо- го установившегося значения, которое со- храняется на всем протяжении процесса. Это означает, что скорость разупрочнения равна скорости деформационного упрочнения. Ис- ключением является случай деформирования со скоростью деформации 60 с-1, при которой по достижении пиковых напряжений проис- ходит плавное уменьшение напряжений тече- ния с ростом степени деформации, то есть скорость разупрочнения превышает скорость деформационного упрочнения, что, вероятно, обусловлено процессами динамического воз- врата и динамической рекристаллизации [18]. В некоторых случаях, особенно при повы- шенных температурах, наблюдается рост напряжений течения с увеличением степени деформации, что можно объяснить протека- нием деформационного старения сплава. а б в г Рис. 1. Скорректированные кривые деформации литых образцов из сплава В-1461 при разных температурно-скоростных режимах осадки: а - 400 °С, б - 420 °С, в - 440 °С, г - 460 °С Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2018. № 1 (12) 60 а б в г Рис. 2. Скорректированные кривые деформации катаных образцов из сплава В-1461 при разных температурно-скоростных режимах осадки: а - 400 °С, б - 420 °С, в - 440 °С, г - 460 °С Таблица 1 Значения установившихся напряжений при различных температурно-скоростных режимах деформирования образцов из сплава В-1461 T, °C 400 420 440 460  , c-1 0,1 1 10 60 0,1 1 10 60 0,1 1 10 60 0,1 1 10 60 Литые образцы σ, МПа 55,6 74,9 97,4 117,9 42,27 72,9 91,3 112,9 41,1 60,5 87 101,1 40 55,7 80,6 94 Катаные образцы σ, МПа 58,1 75,9 104,2 118,7 48,3 67,8 91,3 106 43 60 84,9 100,2 40,5 55,8 84 96,3 С целью анализа и прогнозирования деформационного поведения алюминий- литиевого сплава В-1461 рассчитаны пара- метры модели пластического течения, вклю- чающей параметр Зинера-Холломона Z и за- кон гиперболического синуса [18-19]: exp sinh n , s A RT Z  Q          (3) где σs - установившиеся напряжения течения (таблица 1);  - скорость деформации; Т - температура процесса; R - газовая посто- янная; Q - энергия активации процесса, кон- тролирующего горячую деформацию; A, α, n - константы исследуемого материала. Для расчёта параметров модели (3) ис- пользовалась известная методика, приведён- ная в работах [20-21]. 60 Машиностроение и машиноведение Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2018. № 1 (12) 61 Таблица 2 Параметры реологической модели сплава В-1461 Параметры Состояние деформированное литое A, 106 с-1 20,967 19,911 α, Мпа-1 0,028 0,029 n, ед. 3,59 3,47 Q, кДж/моль 147,21 140,93 Из представленных результатов (табл. 2) расчётов можно сделать вывод о незначительном влиянии исходного состоя- ния материала, то есть его структуры на па- раметры реологической модели. Отметим, что энергия активации сплава В-1461 в де- формированном состоянии немного выше, чем в литом. Этим и объясняется более вы- сокое сопротивление деформации катаных полуфабрикатов по сравнению с литыми, так как чем меньше энергия активации, тем сла- бее деформационное упрочнение. Заключение Физическое моделирование горячей де- формации литых и катаных полуфабрикатов из алюминий-литиевого сплава В-1461 позво- лило установить особенности и механизмы деформационного поведения в диапазоне тем- ператур 400-460 °С и скоростей деформации - 1-60 с-1. Определены константы реологиче- ской модели горячего деформирования, вклю- чающей параметр Зинера-Холломона и закон гиперболического синуса. В целом параметры реологической модели слабо зависят от исход- ного состояния материала, а следовательно, при моделировании любых процессов горяче- го деформирования можно использовать одни и те же параметры, независимо от структуры обрабатываемого материала.

About the authors

Ilya Nikolaevich Petrov

Samara University

Email: ilpetrof110895@yandex.ru
Samara, Russia

Alexei Pavlovich Baturin

Samara University

Email: alexey.baturin89@gmail.com
Samara, Russia

Yuliya Pavlovna Udovenko

Samara University

Email: udovenko-1998@mail.ru
Samara, Russia

References

Supplementary files