Full Text

Введение Оптимизация механических свойств конструкционных материалов с помощью современных высокоэнергетических технологий, таких как лазерная обработка, ионная имплантация, аддитивное наращивание и др., особенно применительно к перспективным материалам, представляет собой значимую проблему для современного машиностроения. Одним из важнейших параметров, подвергаемых оптимизации, является распределение остаточных напряжений, наведенных в процессе обработки. В частности, интенсивное тепловое воздействие приводит к формированию растягивающих остаточных напряжений в направлении обработки, которые провоцируют хрупкое разрушение, коррозионное растрескивание и в целом оказывают негативное влияние на усталостную долговечность готового изделия [1]. Особенно остро данная проблема проявляется применительно к поверхностной обработке титановых сплавов [2, 3]. Спрогнозировать остаточные напряжения можно с помощью методов вычислительной механики сплошных сред в рамках уже сложившегося класса технологических задач, успешно решаемых применительно к сварочным [4, 5], литейным процессам [6, 7], поверхностному упрочнению [8, 26, 30] и др. [31-33]. Недостоверность результатов применения аналитических подходов объясняется нелинейным нестационарным характером, а также высокой скоростью тепловых процессов, которые часто сопровождаются фазовыми превращениями. Дополнительные трудности связаны с неоднородностью свойств деформируемого тела, геометрией, фактически формирующейся под действием внешних полей, и сложным механических поведением материала при пластическом деформировании, особенно при конечных деформациях [34, 35]. Кроме того, особенностью таких задач является их связанность, которая приводит к необходимости учета значительного количества дополнительных эффектов и явлений [9, 18]. Несмотря на то, что теоретическую базу для решения связанных задач механики можно считать хорошо освещенной в зарубежных [10-12] и отечественных публикациях [13-15], особенно в рамках макрофеноменологического подхода к построению определяющих соотношений и описанию фазовых превращений [16, 17], работ, в которых показано использование данного задела в виде алгоритмов и доведенных до практического результата применительно к конкретному технологическому процессу, в отечественной литературе все еще немного. Цель исследования заключается в решении связанных задач МДТТ по прогнозированию НДС титановых псевдо-α-сплавов, подвергнутых импульсному термосиловому воздействию. Объектом исследования является технология электромеханической обработки в приложении к титановым псевдо-α-сплавам, которые при локальном тепловом воздействии на поверхностный слой изменяют свой фазовый состав в связи с мартенситным фазовым переходом. 1. Основные уравнения и граничные условия Электромеханическая обработка представляет собой поверхностную закалку за счет тепла, выделяющегося при прохождении переменного тока высокой плотности через зону контакта детали и движущегося со скоростью υ и усилием P деформирующего электрода-инструмента (ролика или пластины). Далее показана математическая (континуальная) постановка связанной термосиловой контактной задачи с учетом фазовых превращений, а также используемое при численном решении вариационное уравнение. 1.1. Континуальная постановка Решение задачи основано на системе дифференциальных уравнений теплопроводности и равновесия (квазистатическая постановка), содержащей в явном виде связанные члены: (1) где - оператор набла в актуальной конфигурации деформируемого тела; σ - тензор напряжений Коши; f - вектор объемных сил; q - вектор потока тепла; T - температура; Qфаз - скрытая теплота фазовых превращений; Qмех - теплота, соответствующая диссипации механической энергии при пластическом деформировании[1]. Основные уравнения дополнены начальными и граничными условиями применительно к импульсной (переменным током) ЭМО детали твердосплавным инструментом в форме ролика (рис. 1, 1-3). (2) где n - единичный вектор нормали к поверхности деформируемого тела в текущей конфигурации; fвн - вектор внешней нагрузки, действующей на штамп; tc - интенсивность нагрузки в контактной зоне; gn - функция расстояния (между деформируемой поверхностью и инструментом); - контактное давление; ui - компоненты вектора перемещений; - компоненты тензора деформации; - компоненты тензора напряжений. Контактный инструмент смоделирован эллипсоидным штампом, который принимался абсолютно жестким (материал ролика значительно тверже материала обрабатываемой детали). На свободной поверхности задано равенство нулю нормальных и касательных напряжений. Силовые граничные условия дополнены краевыми условиями Герца-Синьорини. На бесконечности и в начальный момент времени напряжения, деформации и перемещения отсутствуют. Расчетная область вследствие малой кривизны поверхности и локальности воздействия задавалась в виде полупространства с подобластями (зонами), различающимися по физико-механическим свойствам. Границы данных зон соответствуют областям металла с разной структурой, формирующейся в ходе термосилового нагружения (например, фрагменты со структурой закалки, отпуска и исходного состояния; зоны 1, 2 на рис. 1). Их текущее положение необходимо устанавливать на каждом расчетном шаге из решения рассматриваемой связанной задачи. В подвижной зоне контакта эллипсоидного штампа и детали задавался эквивалентный равномерно распределенный поверхностный источник тепла q переменный во времени t. Температура в начальный момент времени и на бесконечности равна температуре окружающей среды , краевые условия на поверхности для второго уравнения системы (1) заданы системой (3) где h - коэффициент конвективного теплообмена; σ - постоянная Стефана-Больцмана; ε - коэффициент теплового излучения. В случае ЭМО переменным током удельная мощность источника определяется согласно закону Джоуля-Ленца: , (4) где I - действующее значение силы тока; U - падение напряжения в контактной области; - коэффициент, учитывающий перераспределения тепла между инструментом и деталью; ν - частота тока. Специфика задачи также требует анализа структуры металлического сплава, подвергнутого ЭМО, для определения физико-механических свойств в данной точке в текущий момент времени. Особенности решения тепловой части задачи, а также моделирование фазовых превращений были опубликованы ранее [18]. Рис. 1. Расчетная схема неоднородного тела и граничные условия при контактном температурно-силовом воздействии (в ходе ЭМО) Fig. 1. Computational scheme of a non-uniform body and boundary conditions under the contact temperature-force effect (during the EMT) 1.2. Вариационное уравнение и геометрия контактного взаимодействия В работе использовался вариант вариационного уравнения в актуальной конфигурации деформируемого тела с дополнительным контактным членом, введенным согласно методу штрафов [25]: (5) где - вектор напряжений; - параметр штрафа; - вектор нормали на поверхности штампа. Поверхность эллипсоидного штампа в каждый момент времени описывалась непрерывными взаимно-однозначными функциями : (6) где a, b, c - полуоси эллипсоида; , - начальное положение центра эллипсоида; - линейная скорость движения штампа; - текущая глубина внедрения штампа. Важным этапом решения задачи является определение зоны контакта. Для этого на первом этапе необходимо для точек , находящихся на сопряженной поверхности деформируемого тела (рис. 2), найти соответствующую ближайшую точку на поверхности штампа и в зависимости от расстояния между ними определить статус контакта. Математически данную задачу в общем виде можно сформулировать в виде системы нелинейных уравнений вида (7) где - касательные векторы в точке контакта на поверхности жесткого штампа. Рис. 2. Геометрия контактного взаимодействия Fig. 2. Contact interaction geometry Уравнение (7) не имеет аналитического решения, поэтому для определения точки контакта использовался метод Ньютона: (8) где - коррекция точки контакта на текущем шаге решения локальной системы нелинейных уравнений. После определения ближайшей точки на главной поверхности необходимо вычислить функцию расстояния, которая определяется согласно следующему выражению: (9) Для точек, находящихся в контакте, функция (9) принимает значения меньше нуля. 2. Построение определяющих соотношений 2.1. Скоростная форма Построение определяющих соотношений в упругопластической области деформирования осуществлялось на основе аддитивного разложения тензора скоростей деформации на упругую, пластическую и дилатационную составляющие. Дилатационной части тензора скоростей деформации соответствует тепловая деформация и объемная деформация при фазовых превращениях, вычисляемая пропорционально доле образующейся мартенситной фазы: (10) где - дилатационная часть тензора скоростей деформации; ; - коэффициент линейного теплового расширения; - относительное изменение объема при фазовом переходе; - скорость образования новой фазы (). В данной работе для описания мартенситного фазового перехода использовалось уравнение Койстинена-Марбургера, более подробно особенности описания фазового превращения рассмотрены в работе [18]. В работе использовался термодинамический подход к построению определяющих соотношений [19, 27]. В результате связь между напряжениями и деформацией выражалась в следующей форме: (11) где - производная Яуманна тензора напряжений Коши, ; - материальная производная тензора напряжений Коши; - тензор вихря, ; - тензор упругости для изотропной среды, ; - единичный тензор-девиатор четвертого ранга, ; λ, μ - константы Ламе; - симметричный единичный тензор четвертого ранга, ; 1 - единичный тензор второго ранга, ; - символ Кронекера, Принималась обобщенная функция текучести Мизеса, зависящая от скорости пластической деформации, температуры и фазового состава: (12) где - скорость эффективной пластической деформации; - тензор относительных напряжений, ; - тензор микронапряжений, определяющий центр смещенной поверхности нагружения; - девиаторная часть тензора напряжений Коши, . Согласно закону ассоциированного пластического течения использовались следующие эволюционные соотношения для принятых внутренних переменных: (13) где N - единичный тензор-девиатор ортогональный поверхности текучести; - пластический множитель (множитель Лагранжа), связанный со скоростью пластической деформации; - производная Яуманна тензора микронапряжений; - тензор кинематического упрочнения; - модуль кинематического упрочнения. Использованное правило кинематического упрочнения при этом соответствует обобщенной модели Ишлинского-Прагера [28]. Зависимости модуля кинематического упрочнения и радиуса поверхности текучести и r могут быть представлены в виде произвольных гладких функций, аппроксимирующих экспериментальные данные механического поведения материала при высокоскоростном высокотемпературном деформировании [29]. В данной работе использовался модифицированный авторами для комбинированного упрочнения вариант модели Джонсона-Кука [20]: (14) где Tпл - температура плавления; - скорость пластической деформации при стандартном испытании на растяжение; , , - константы материала. При этом предел текучести материала определялся согласно правилу смеси, также предполагалось, что остальные константы не зависят от фазового состава. 2.2. Интегрирование определяющих соотношений Интегрирование соотношения (13) осуществлялось с использованием локальной промежуточной конфигурации, свободной от жестких поворотов: (15) Ортогональный тензор ( - собственный базис тензора скоростей деформации) вычислялся согласно решению однородного дифференциального уравнения вида (16) Система уравнений (16) решалась численно, согласно следующему выражению [21]: (17) Вычисление напряжений на текущем шаге, а также интегрирование соотношений (13), (15) было выполнено с помощью обобщенного авторами алгоритма проецирования напряжений на поверхность нагружения [22], которое в рамках критерия Мизеса происходит в радиальном направлении (рис. 3). Основной алгоритм при этом состоит из двух этапов. На первом этапе, называемом «упругое приближение», приращения полной деформации, вычисленные согласно (17), считаются полностью упругими. Следовательно, накопленная эффективная пластическая деформация, а также тензор микронапряжений остаются неизменными с предыдущего шага (без учета поворота): (18) где tr - индекс упругого приближения; - суммарное приращение температурной деформации и деформации, соответствующей фазовому переходу. Далее необходимо вычислить тензор относительных напряжений и проверить условие текучести. Рис. 3. Проецирование на поверхность нагружения (след поверхности нагружения на девиаторной плоскости) Fig. 3. Return mapping algorithm (trace of the loading surface on the deviator plane) Если , значит, материал находится в упругом состоянии и первый шаг становится окончательным: (19) В противном случае для точка, соответствующая текущему НС в пространстве напряжений (см. рис. 2), выходит за пределы поверхности нагружения, т.е. имеют место пластические деформации. Следовательно, необходим второй этап - коррекция НС, называемый проецированием напряжений на поверхность нагружения, который выполняется с учетом накопленной пластической деформации и ее скорости: (20) где γ - пластический множитель, определяющий интенсивность пластической деформации, . Значение пластического множителя при этом находится итерационно из решения в общем случае нелинейного уравнения следующего вида: (21) 3. Инкрементальное уравнение Нелинейное уравнение (5) решалось методом Ньютона, в рамках которого необходимо линеаризовать входящие в (5) нелинейные члены для получения так называемой касательной «жесткости», точное выражение которой обеспечивает квадратичную скорость сходимости итерационного процесса. Процедура линеаризации достаточно громоздка и показана отдельно в приложении. Отметим, что матрица, соответствующая касательной «жесткости», несимметрична и не полностью согласована с процедурой интегрирования, так как не учитывает промежуточную локальную конфигурацию, использованную при интегрировании определяющих соотношений. Тем не менее скорость сходимости итерационного процесса при использовании уравнения близка к квадратичной [23]: (22) где - определитель метрической матрицы поверхности, ; - обратная метрическая матрица поверхности; - коэффициенты второй квадратичной формы поверхности. Инкрементальное уравнение (22) решается на каждом шаге нагружения относительно приращения перемещений до тех пор, пока норма невязки (правая часть уравнения) не станет меньше заданного значения. При этом на каждой итерации происходит уточнение текущего вектора приращения перемещений и актуальной конфигурации: (23) 4. Результаты моделирования На основе приведенных соотношений был разработан алгоритм решения поставленной задачи, и проведена серия вычислительных экспериментов, моделирующих температурно-силовое воздействие на титановый псевдо-α-сплав Ti6Al2V применительно к технологии импульсного термосилового поверхностного упрочнения. Установлено, что электромеханическая обработка поверхности титановых сплавов приводит к формированию в поверхностном слое дискретно структурированных областей остаточных напряжений, что связано, с одной стороны, с импульсным воздействием источника тепла (синусоида), а с другой - с дискретностью формирующейся мартенситной структуры (рис. 4). В зоне упрочнения по всей глубине можно выделить два основных участка регулярной картины остаточных напряжений: участок упрочненной структуры и зона в окрестности разупрочненных фрагментов микроструктуры. Напряженное состояние при этом делится на чередующиеся в пространстве зоны с наибольшими по модулю сжимающими и растягивающими окружными напряжениями. На большей глубине напряженное состояние становится более однородным без регулярных зон, интенсивность остаточных напряжений при этом значительно снижается. Значительную роль в распределении остаточных напряжений играет деформационная составляющая воздействия, установлено, что при увеличении усилия на инструменте с минимального до 250 Н величина растягивающих остаточных напряжений уменьшается в три раза. Удобная для анализа эпюра максимальных остаточных напряжений показана на рис. 5. Рис. 4. Картина структуры и остаточных напряжений в объеме поверхностного слоя титанового сплава Ti6Al2V после электромеханической обработки (, (усилие на ролике) со скоростью ) Fig. 4. Picture of the structure and residual stresses in the surface layer of Ti6Al2V titanium alloy after electromechanical treatment (, (force on the roller) with speed ) Отметим, что весь диапазон вариантов распределения остаточных напряжений при термосиловом упрочнении титанового сплава Ti6Al2V, сопровождающемся образованием износостойких слоев, укладывается в интервале между второй и третьей эпюрой ( и соответственно) (см. рис. 5). Рис. 5. Максимальные остаточные напряжения в поверхностном слое титанового сплава Ti6Al2V при различных вариантах высокоэнергетического воздействия: h - текущее расстояние до поверхностного слоя; h0 - толщина поверхностного слоя, в котором произошел фазовый переход (1 - с усилием , ; 2 - с минимальным усилием , ; 3 - с усилием , ) Fig. 5. The maximum residual stresses in the surface layer of Ti6Al2V titanium alloy with different variants of high-energy impact: h - is a distance to the surface; h0 - is a hardened layer thickness (1 - , ; 2 - with minimal force , ; 3 - , ) На основании результатов расчета можно сделать следующий вывод: неблагоприятное влияние высоких температур на поверхностный слой материала, характерное для многих технологий поверхностного упрочнения, можно несколько нивелировать с помощью интенсивного силового воздействия. При этом наиболее благоприятное распределение получается при исключительно силовом воздействии на поверхностный слой материала (см. рис. 5), однако в таком случае структура материала остается неизменной. Несколько улучшить данную картину можно, если применить комбинацию термосиловых воздействий на материал, после термосилового упрочнения использовать поверхностно-пластическое деформирование (ППД). На рис. 6 приведены эпюры остаточных напряжений после комбинированного варианта упрочнения ЭМО + ППД. Такая комбинация позволяет создать под поверхностью упрочненной структуры область сжимающих напряжений (напряженное состояние, близкое к трехосному сжатию) с интенсивностью даже несколько больше, чем при обычном силовом воздействии (ППД) (см. рис. 5). Общий характер напряженного состояния в упрочненной зоне не меняется, а лишь смещается в область растягивающих напряжений меньшей интенсивности. Аналогичная ситуация наблюдается и при использовании обработки поверхностным пластическим деформированием после термосилового воздействия с минимальным усилием, экстремум сжимающих напряжений при этом находится на большей глубине. Рис. 6. Максимальные остаточные напряжения в поверхностном слое титанового сплава Ti6Al2V при различных вариантах комбинированного термосилового воздействия (1 - с минимальным усилием , ; 2 - с минимальным усилием , + ; 3 - с усилием , ; 4 - с усилием , + + ) Fig. 6. The maximum residual stresses in the surface layer of Ti6Al2V titanium alloy with different variants of high-energy impact (1 - with a minimal force , ; 2 - with a minimal force, + ; 3 - , ; 4 - , + ) Выводы 1. Приведен алгоритм решения связанной контактной задачи термовязкопластического деформирования полупространства с учетом протекающих при этом процессов фазовых превращений. 2. На основе разработанного алгоритма получено пространственное распределение остаточных напряжений для различных вариантов комбинированного термосилового воздействия. 3. Показано, что электромеханическая обработка поверхности титанового сплава Ti6Al2V приводит к формированию в поверхностном слое дискретно структурированных областей остаточных напряжений с периодичностью, аналогичной распределению зон упрочнения. 4. Установлено, что темосиловое воздействие способствует формированию в поверхностном слое титанового сплава Ti6Al2V растягивающих остаточных напряжений. При этом увеличение усилия на инструменте с 10 до 250 Н при ЭМО приводит к снижению растягивающих остаточных напряжений в три раза 5. Показано, что наиболее оптимальное распределение остаточных напряжений получается в результате комбинации термосиловых воздействий ЭМО+ППД. Приложение Касательная жесткость применительно к уравнению (5) имеет достаточно сложный вид, поэтому проведем линеаризацию в несколько шагов. 1) Продифференцируем приращение напряжений, определяемое согласно вышеприведенному алгоритму проецирования по отношению к приращению деформации: (24) Для определения производной найдем производную , которая согласно условию стационарности поверхности текучести (12) при пластическом деформировании равна нулю на всем временном интервале от tn до tn+1: (25) данное выражение получено с учетом равенства (26) Таким образом, получим производную , (27) Далее вычислим производную , (28) Подставив (26) и (27) в (24), получим согласованную касательную жесткость для выбранного класса моделей поверхности пластичности: (29) 2) На следующем этапе линеаризуем непосредственно вариационную формулировку, далее запишем только интеграл, соответствующий работе внутренних сил, для удобства опустив обозначение n+1 шага нагружения: (30) Данную процедуру осуществим в начальной конфигурации, а затем трансформируем полученную касательную жесткость обратно в актуальную конфигурацию: (31) Запишем линеаризованную форму уравнения (31): (32) Пользуясь определением производной по направлению, найдем приращение градиента деформации: (33) Вычислим приращение : (34) Найдем приращение определителя градиента деформации, пользуясь правилом цепного дифференцирования применительно к производной по направлению: (35) Подставим полученные выражения для соответствующих приращений в предварительно линеаризованное уравнение (31): (36) Далее последовательно преобразуем каждое слагаемое соотношения (34): (37) Подставим во второе слагаемое выражение для производной Яуманна: (38) Трансформируем последний член в текущую конфигурацию: (39) Запишем уравнение (39) с учетом сделанных преобразований и, воспользовавшись свойством определителя градиента деформации, трансформируем линеаризованную форму обратно в метрику текущей конфигурации: (40) С целью упрощения выражения (40) последовательно преобразуем входящие в него слагаемые. Приращение тензора напряжений Коши связано с приращением деформаций соотношением (41) Выразим второе слагаемое в производной Яуманна через приращение градиента деформации, воспользовавшись известными свойствами единичных тензоров: (42) где - второй единичный тензор четвертого ранга, ; - третий единичный тензор четвертого ранга, . Аналогичным образом получаем и третье слагаемое: (43) Также преобразуем последнее слагаемое в (40), воспользовавшись свойством первого единичного тензора четвертого ранга: (44) где - первый единичный тензор четвертого ранга, . Далее подставим выражения (41)-(44) в (40) и получим окончательное выражение касательной жесткости для вариационной формулировки в актуальной конфигурации с использованием производной Яуманна: (45) где - тензор 4-го ранга, воспроизводящий эффект «поворота» тензора напряжений Коши, 3) Необходимо также линеаризовать нелинейный контактный член в уравнении (5): (46) Для линеаризации соотношения (46) необходимо найти также приращение и вторую вариации функции расстояния , . Линеаризация функции расстояния (9) осуществлялась на основе подхода, предложенного в работе [24], согласно которому выражения для вариации и приращения функции расстояния могут быть представлены в виде (47) Вторая вариация функции расстояния с учетом одностороннего характера контакта принимает следующий вид: (48) Далее поставим найденные выражения для первой и второй вариаций функции расстояния в (46) и получим линеаризованную форму интегрального слагаемого : (49)

About the authors

V P Bagmutov

Volgograd State Technical University

D S Denisevich

Volgograd State Technical University

I N Zakharov

Volgograd State Technical University

M D Romanenko

Volgograd State Technical University

S A Fastov

Volgograd State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 288

PDF (Russian) - 132