MODELING OF AXIAL COMPRESSION OF V95/10% SIC ALUMINUM MATRIX COMPOSITE UNDER NON-STATIONARY THERMOMECHANICAL CONDITIONS

Abstract


Intensive deformation is necessary to obtain products made of aluminum-matrix composite materials (AMCM) with the required level of mechanical properties. To model the deformation behavior in non-stationary conditions of the thermo-deformation treatment, the identification of the AMCM model remains an urgent task. The use of the Johnson-Cook plasticity model is one of the approaches to describing the material fluidity. This paper aims at studying an AMCM made of granulated high-strength aluminum alloy V95 of the Al–Zn–Mg–Cu system, reinforced with SiC particles 10 % by weight. We investigate how non-stationary thermomechanical (pressure on the workpiece and heating temperature) deformation conditions influence the true deformation and deformation rate of the composite material, as well as identify the material model and verify its application to study the shape changes under certain pressure and temperature ranges. The precipitation process is studied under uniaxial compression of the sintered cylindrical samples of AMCM in the range of the initial pressures of 5.65–7.81 MPa when heated to 510, 530 and 550 °C. In this range, the dependences of the degree of deformation and the average deformation rate for the process are obtained. Identification of the rheological model of the material was carried out. A mode of the preliminary thermomechanical processing is proposed and a prototype is manufactured at an initial pressure of 6.7 MPa on the workpiece and heated to 550 °C in 84 minutes. The above mode provided a relatively uniform filling of the stamp cavities with the composite material. To confirm the possibility of applying the results of the parametric identification of the material model, we simulated the prototype manufacturing process.

Full Text

Композиционные материалы на основе сплавов алюминия, дискретно армированные карбидом кремния (SiC), находят широкое применение в аэрокосмической, электронной и автомобильной промышленности. При изготовлении изделий из алюмоматричных композитов необходимо минимизировать финишную обработку заготовок, при которой происходит интенсивный износ режущего инструмента, поскольку армирование карби- дом кремния сплавов алюминия приводит к значитель- ному повышению износостойкости. Для придания ком- позиционным материалам, получаемых методом по- рошковой металлургии, достаточной для обработки давлением пластичности их необходимо предваритель- но подвергнуть деформационно-термической обработ- ке. Чаще всего используется горячее выдавливание с высокой степенью деформации [1–3]. Это связано с необходимостью формирования мелкозернистой струк- туры с равномерным распределением упрочняющих частиц. В процессе такой обработки происходит затека- ние расплава в микропоры между частицами наполни- теля SiC и снижение пористости. Очевидно, темпера- турно-скоростной режим предварительной обработки существенно влияет на возможность повышения пла- стических свойств и улучшение технологической обра- батываемости за счет реализации фазовых превращений [4–6]. Горячее выдавливание можно заменить альтерна- тивными процессами формоизменения, например все- сторонней ковкой, с основной операцией осадки с по- степенным нагревом до околосолидусных температур в условиях мягкого нагружения [7]. Такой подход по- зволяет не ограничиваться получением заготовок толь- ко в виде прутков, как в случае выдавливания. При око- лосолидусных температурах возникает «полужидкое» состояние, деформация в котором способствует эконо- мичности процесса за счет снижения износа деформи- рующего инструмента [8]. Необходимость применения термодеформационной обработки как в целях проработки структуры, так и технологического формо- изменения означает, что расширение знаний о дефор- мировании алюмоматричных композитов в различных условиях, в том числе и нестационарных, имеет сущест- венное прикладное значение. При разработке технологий термомеханической об- работки композитов требуется разработка моделей те- кучести материала для широкого диапазона термомеха- нических параметров. В моделях должно быть отраже- ние изменения поведения деформации композита в зависимости от температуры, которое существенно может меняться [9]. Модели деформируемого материа- ла находят применение при моделировании различных технологических процессов от резания до ударного воз- действия [10–13]. Согласно литературным данным, можно выделить два основных подхода для формулировки модели пла- стического течения композитного материала. В первом подходе используется феноменологическое соотношение Аррениуса и его вариации, основанные на экспери- ментальном определении энергии активации процесса деформирования, например в работах [11–13]. Уравне- ния Аррениуса обычно используются в качестве средст- ва для оценки реологического поведения при горячей обработке и для описания корреляции между скоростью деформации, напряжением течения и температу- рой [14]. Также уравнение успешно применяется при моделировании методом конечных элементов [15]. Дру- гой подход к описанию текучести композитных мате- риалов реализуется с использованием модели Г.Р. Джонсона и В. Кука, которые, выполнив обработку экспериментальных данных для ряда металлических материалов, предложили модель, учитывающую де- формационное упрочнение и зависимость напряжения от скорости деформирования и температуры [16; 17]. Также важно отметить исследования, связанные с по- строением многоуровневых моделей [18; 19], в частно- сти представляет интерес вычислительная модель для алюмоматричного композита В95/SiC на основе двух- уровневого структурно-феноменологического подхода [20]. Достаточно много исследований посвящены моде- лированию процессов деформации алюмоматричных композитных материалов с использованием репрезента- тивного элементарного объема [21–23]. Немаловажны- ми являются исследования, посвященные верификации модели сопротивления деформации для описания рео- логического поведения металломатричных композици- онных материалов [24], а также модели, учитывающей поврежденность [25]. Все же для моделирования де- формационного поведения в нестационарных условиях температурно-деформационной обработки идентифика- ция модели алюмоматричного композитного материала остается актуальной задачей. В связи с вышеизложенным сформулирована цель работы: определить влияние нестационарных термоме- ханических (давление на заготовку и температура на- грева) условий деформирования на истинную деформа- цию и скорость деформации композитного материала на основе высокопрочного алюминиевого сплава системы Al–Zn–Mg–Cu с дискретным армированием 10% SiC, а также идентифицировать модель материала и показать возможность применения этой модели для исследова- ния процессов формоизменения в исследуемом диапа- зоне давлений и температур.

About the authors

D. I. Kryuchkov

Institute of Engineering Science, the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. V. Nesterenko

Institute of Engineering Science, the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. G. Zalazinsky

Institute of Engineering Science, the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

References

  1. Исследование структуры и свойств металлического композиционного материала системы Al–Zn–Mg–Cu/SiC / Е.И. Курбаткина, Д.В. Косолапов, А.В. Гололобов, А.А. Шав- нев // Цветные металлы. – 2019. – № 1. – C. 40–45. doi: 10.17580/tsm.2019.01.06
  2. Čadek J., Kuchařova K., Zhu S.J. High temperature creep behaviour of an Al–8.5Fe–1.3V–1.7Si alloy reinforced with silicon carbide particulates // Mater. Sci. Eng. A. – 2000. – Vol. 283, № 1–2. – P. 172–180.
  3. Ma Z.Y., Tjong S.C. High-temperature creep behaviour of SiC particulate reinforced Al–Fe–V–Si alloy composite // Mater. Sci. Eng. A. – 2000. – Vol. 278, № 1–2. – P. 5–15.
  4. Phase Stability and Interface Reactions in the Al-SiC System / D. Lee, M.D. Vaudin, C.A. Handewerker, U.R. Katter // Mater. Res. Symp. Proc. – 1988. – Vol. 120. – P. 357–365.
  5. Пугачева Н.Б., Мичуров Н.С., Быкова Т.М. Структура и свойства композиционного материала Al/SiC // Физика ме- таллов и металловедение. – 2016. – Т. 117, № 6. – С. 654. doi: 10.7868/S0015323016060115
  6. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металлове- дение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 2001. – 416 с.
  7. Влияние всесторонней ковки в условиях кратковре- менной ползучести на структуру и механические свойства алюмоматричного композита Al7075/10SiCp / Д.И. Крючков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2021. – Т. 122, № 10. – С. 1054–1064. doi: 10.31857/S0015323021100065
  8. Shen Q., Lee T.C., Lau W.S. A finite-element analysis of temperature distributions in spade drilling // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 66, № 1–3. – P. 76–84.
  9. Investigation of compression of SiCw/6061Al composites around the solidus of the matrix alloy / G.S. Wang, L. Geng, Z.Z. Zheng, D.Z. Wang, C.K. Yao // Materials Chemistry and Physics. – 2001. – Vol. 70, № 2. – P. 164–167. doi: 10.1016/S0254-0584(00)00487-9.
  10. Sun W., Duan C., Yin W. Development of a dynamic constitutive model with particle damage and thermal softening for Al/SiCp composites // Composite Structures. – 2020. – Vol. 236. – P. 111856. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.111856
  11. Constitutive flow behavior and hot workability of powder metallurgy processed 20 vol.%SiCP/2024Al composite / J.C. Shao, B.L. Xiao, Q.Z. Wang, Z.Y. Ma, Y. Liu, K. Yang // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527, № 29– 30. – С. 7865–7872. doi: 10.1016/j.msea.2010.08.080
  12. Hot deformation behaviors of 35% SiCp/2024Al metal matrix composites / S.M. Hao, J.P. Xie, A.Q. Wang, W.Y. Wang, J.W. Li, H.L. Sun // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2014. – Vol. 24, № 8. – P. 2468–2474. doi: 10.1016/S1003-6326(14)63372-0
  13. Constitutive flow behavior and microstructural evolution of 17 vol% SiCp/7055Al composite during compression at elevated temperature / B. Tang, Wang H., Jin P., X. Jiang // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, № 3. – P. 6386–6396. doi: 10.1016/j.jmrt.2020.04.010
  14. Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation // Acta Mater. – 1966. – Vol. 14. – P. 1136–1138. doi: 10.1016/0001-6160(66)90207-0
  15. Constitutive flow behaviour and finite element simulation of hot rolling of SiCp/2009Al composite / L. Zhou, Z.Y. Huang, C.Z. Wang, X.X. Zhang, B.L.Xiao, Z.Y. Ma // Mechanics of Materials. – 2016. – Vol. 93. – P. 32–42. doi: 10.1016/j.mechmat.2015.10.010
  16. Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proc. 7th Int. Symp. on BuNistics. – Netherlands, 1983. – P. 541–547
  17. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures // Engng Fract. Mech. – 1985. – Vol. 21, № 1. – P. 31–48.
  18. Simulation of anisotropic load transfer and stress distribution in sicp/Al composites subjected to tensile loading / J.F. Zhang, X.X. Zhang, Q.Z. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Mechanics of Materials. – 2018. – Vol. 122. – P. 96–103. doi: 10.1016/j.mechmat.2018.04.011.
  19. Three-dimensional multi-particle FE model and effects of interface damage, particle size and morphology on tensile behavior of particle reinforced composites / L. Weng, T. Fan, M. Wen, Y. Shen // Composite Structures. – 2019. – Vol. 209. – P. 590–605. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.11.008
  20. A Computational Model of V95/sicp (7075/ Sicp) Aluminum Matrix Composite Applied to Stress-Strain State Simulation under Tensile, Compressive and Shear Loading Conditions / S.V. Smirnov, A.V. Konovalov, M.V. Myasnikova, Yu.V. Khalevitsky, A.S. Smirnov, A.S. Igumnov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 6. – P. 16–27. doi: 10.17804/2410-9908.2017.6.016-027
  21. Simulations of deformation and damage processes of SiCp/Al composites during tension / J.F. Zhang, X.X. Zhang, Q.Z. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Journal of Materials Science Technology. – 2018. – Vol. 34, iss. 4. – P. 627–634. doi: 10.1016/j.jmst.2017.09.005
  22. D Microstructure-based finite element modeling of deformation and fracture of SiCp/Al composites / J. Zhang, Q. Ouyang, Q. Guo, Z. Li, G. Fan, Y. Su, L. Jiang, E.J. Lavernia, J.M. Schoenung, D. Zhang // Composites Science and Technology. – 2016. – Vol. 123. – P. 1–9. doi: 10.1016/j.compscitech.2015.11.014
  23. Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites / Y. Su, Q. Ouyang, W. Zhang, Z. Li, Q. Guo, G. Fan, D. Zhang // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 597. – P. 359–369. doi: 10.1016/j.msea.2014.01.024
  24. Смирнов А.С., Коновалов А.В. Моделирование рео- логического поведения и формирования микроструктуры металломатричных композитов системы Al-SIC в условиях вы- соких температур деформаций // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. – Уфа, 2019. – С. 1458–1460.
  25. Using the Instrumented Indentation Technique to Determine Damage in Sintered Metal Matrix Composites after High- Temperature Deformation / A.S. Smirnov, E. Smirnova, A. Konovalov, V. Kanakin // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11(22). – 10590. doi: 10.3390/app112210590
  26. Структура и теплофизические свойства алмоматрич- ных композитов / Н.Б. Пугачева, Н.С. Мичуров, Е.И. Сенаева, Т.М. Быкова // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117. – С. 1188–1195.
  27. Effect of Heat Treatment on the Structure and Phase Composition of Aluminum Matrix Composites Containing Silicon Carbide / N.B. Pugacheva, I.Yu. Malygina, N.S. Michurov, E.I. Senaeva, N.P. Antenorova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 6. – P. 28-36. doi: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036
  28. Исследование кратковременной высокотемператур- ной ползучести алюмоматричного композита Al–6Zn–2.5Mg– 2Cu/10SiCp / Н.Б. Пугачева [и др.] // Физика металлов и ме- талловедение. – 2021. – Т. 122, № 8. – С. 838–844. doi: 10.31857/S0015323021080118
  29. Smirnov A.S., Konovalov A.V., Muizemnek O.Y. Simulating the rheological behaviour of an AlMg6/10% SiC metal matrix composite under high-temperature deformation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020. – Vol. 709, № 3. – P. 033114. doi: 10.1088/1757-899X/709/3/033114
  30. Журавлев В.Ф. 500 лет истории закона сухого трения // Вестник Московского государственного технического уни- верситета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. – 2014. – № 2(53). – С. 21–31.
  31. Экспериментальное исследование кратковременной неустановившейся ползучести алюмоматричного композита в условиях одноосного сжатия / С.В. Смирнов [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче- ского университета. Механика. – 2018. – № 4. – С. 98–105.

Statistics

Views

Abstract - 202

PDF (Russian) - 67

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Kryuchkov D.I., Nesterenko A.V., Zalazinsky A.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies