ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ РЯДА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, СОЗДАННЫХ ПРОВОЛОЧНО-ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ, В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ
- Авторы: Баяндин Ю.В.1, Дудин Д.С.1, Ильиных А.В.2, Пермяков Г.Л.2, Чудинов В.В.3, Келлер И.Э.4, Трушников Д.Н.2
- Учреждения:
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Институт механики сплошных сред УрО РАН
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет
- Институт механики сплошных сред УрО РАН
- Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Иститут механики сплошных сред УрО РАН
- Выпуск: № 1 (2023)
- Страницы: 33-45
- Раздел: Статьи
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3753
- DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.1.04
- Цитировать
Аннотация
Полный текст
Аддитивное производство проволочно-дуговой или электронно-лучевой наплавкой позволяет создавать легкие, жесткие и прочные металлические конструкции сложной формы при значительной экономии материала. Для увеличения характеристик прочности и пластично- сти материала вплоть до величин, характерных для ка- таного металла, применяются эффективные технологии проволочно-дуговой наплавки: а) плазменной (Plasma), в которой проволока подается в плазменную дугу меж- ду электродом и изделием; б) плазменно-дуговой с пла- вящимся электродом (Plasma-MIG), в которой дуга с плавящегося электрода горит внутри плазменной дуги с кольцевого неплавящегося анода; в) холодного перено- са металла (CMT), разновидности дуговой наплавки плавящимся электродом, в которой используются им- пульсные ток и подача проволоки. В рамках этих тех- нологий варьируются полярность и сила тока, траекто- рия наплавления материала на заготовку и параметры термоцикла последующей термообработки. В качестве источника энергии также применяют электронно- лучевую пушку. Кроме того, разрабатываются техноло- гии с проковкой каждого наплавленного слоя материала пневматическим ударным инструментом (пневмомолот- ком) или обкаткой его роликом. Технологии аддитивного производства проволочно-дуговой наплавкой с послой- ной точечной обработкой давлением или термомехани- ческой обработкой в последние десять лет разрабатыва- ются рядом научных организаций: университетами Крэнфилда и Манчестера [1–5], Индийским институтом технологии Бомбея [6; 7], Пермским национальным ис- следовательским политехническим университетом [8– 12], Брянским государственным техническим универси- тетом [13; 14], Университетом Квинсленда [15], Пекин- ским технологическим институтом [16], Томским поли- техническим университетом [17] и Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН [18]. В настоящей работе выполнена обработка данных испытаний материалов, созданных на кафедре свароч- ного производства ПНИПУ с применением технологий проволочно-дуговой наплавки Plasma, Plasma-MIG и CMT с различными параметрами процесса, в том числе с послойной проковкой и последующей термообработ- кой. Использованы накопленные данные по алюминие- во-магниевому сплаву АМг5, титановому сплаву ВТ6, аустенитным нержавеющим сталям 12Х18Н10Т и AISI 308LSi, исследованные более или менее систематически. Данные материалы испытывались на квазистатиче- ское одноосное растяжение согласно стандартам [19– 21] и на высокоскоростное сжатие по методу Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона [22– 27] при комнатной температуре. По данным испытаний определялись стандартные характеристики прочности и пластичности согласно стандартам [19–21], а также их аппроксимации законом упрочнения Джонсона – Кука [28]. Выполнен анализ полученных данных, в результа- те которого найдено целесообразным характеризовать качество материала и соответствующего технологиче- ского процесса двумя параметрами – статическим пре- делом прочности и равномерным удлинением до разры- ва, имеющими наименьший статистический разброс. Также с учетом статистического разброса была найдена приемлемой аппроксимация законом Джонсона – Кука деформационных кривых каждого из исследуемых ма- териалов по осредненным данным, включающим раз- личные технологические режимы. Также все исследуе- мые характеристики и кривые определялись для эта- лонных материалов в виде отожженного проката, относительно которых проводилось сравнение качества материалов, выращенных аддитивным производством. Определенные характеристики прочности и пластично- сти представляются необходимыми для поиска эффек- тивных режимов аддитивного производства, а законы упрочнения востребованы для численного расчета раз- личных упругопластических задач в динамической по- становке для конструкторских и технологических нужд. Работа восполняет недостаток подобных данных в контексте аддитивного производства. Известны рабо- ты [29–36], в которых для оценки эффективности адди- тивных технологий проволочно-дуговой наплавкой оп- ределялись характеристики статической прочности и пластичности, а также работы [37–40], в которых сравнивались подобные характеристики для высокоско- ростных испытаний. Систематических исследований законов упрочнения и характеристик прочности и пла- стичности разнообразных конструкционных сплавов и сталей в широком диапазоне скоростей деформаций в литературе не обнаружено. Некоторые из представ- ленных здесь данных испытаний уже публиковались авторами в работах [41–43].Об авторах
Ю. В. Баяндин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Институт механики сплошных сред УрО РАН
Д. С. Дудин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Институт механики сплошных сред УрО РАН
А. В. Ильиных
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Г. Л. Пермяков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В. В. Чудинов
Институт механики сплошных сред УрО РАН
И. Э. Келлер
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Иститут механики сплошных сред УрО РАН
Д. Н. Трушников
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Список литературы
- A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, J. Xu, J. Norrish // J. Manuf. Process. – 2018. – Vol. 35. – P. 127–139. doi: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001
- Microstructure and Residual Stress Improvement in Wire and Arc Additively Manufactured Parts through High-Pressure Rolling / P.A. Colegrove, H.E. Coules, J. Fairman, F. Martina, T. Kashoob, H. Mamash, L.D. Cozzolino // J. Mater. Process. Technol. – 2013. – Vol. 223. – P. 1782–1791. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012
- Deformation Microstructures and Strengthening Mechanisms for the Wire+ Arc Additively Manufactured Al- Mg4.5Mn Alloy with Inter-Layer Rolling / J. Gu, X. Wang, J. Bai, J. Ding, S.W. Williams, Y. Zhai, K. Liu // Mater. Sci. Eng. – 2018. – Vol. A722. – P. 292–301. doi: 10.1016/j.msea.2017.11.113
- Control of Residual Stress and Distortion in Aluminium Wire + Arc Additive Manufacture with Rolling / J.R. Honnige, P.A. Colegrove, S. Ganguly, E. Eimer, S. Kabra, S.W. Williams // Addit. Manuf. – 2018. – Vol. 22. – P. 775–783. doi: 10.1016/j.addma.2018.06.015
- Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement / A.R. McAndrew, M.A. Rosales, P.A. Colegrove, J.R. Hönnige, A. Ho, R. Fayolle, K. Eyitayo, I. Stan, P. Sukrongpang, A. Crochemore, Z. Pinter // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 21. – P. 340–349. doi: 10.1016/j.addma.2018.03.006
- Karunakaran K.P., Kapil S., Negi S. Multi-Station Multi- Axis Hybrid Layered Manufacturing System // Indian Patent. – 2018. – Application Number: 201821038516
- Karunakaran K.P., Kapil S., Kulkarni P. In-situ Stress Relieving Process for Additive Manufacturing // Indian Patent. – 2016. – Application Number: 201621028306
- Influence of surfacing technologies on structure formation of high-temperature nickel alloys / E.A. Krivonosova, Yu.D. Schitsin, D.N. Trushnikov, S.N. Myshkina, A.V. Akulova, S.D. Neulybin., A.Yu. Dushina // Metallurgist(Metallurg). – 2019. – Vol. 63, no. 1–2. – P. 197–205. doi: 10.1007/s11015-019-00810-1
- Use of CMT-Surfacing for Additive Formation of Titanium Alloy Workpieces / Y.D. Shchitsyn, E.A. Krivonosova, D.N. Trushnikov, T.V. Olshanskaya, M.F. Kartashov, M.F. Kartashov, S.D. Neulybin // Metallurgist (Metallurg). – 2020. – Vol. 64, no. 1–2. – P. 67–74. doi: 10.1007/s11015-020-00967-0
- Structure and properties of aluminium magnesium scandium alloy resultant from the application of plasma welding with by-layer deformation hardening / Y.D. Shchitsyn, Е.А. Krivonosova, Т.V. Olshanskaya, S.D. Neulybin // Tsvetnye Metally [Electronic resource]. – 2020. – No. 2. – P. 89–94. doi: 10.17580/tsm.2020.02.12.
- Formation of Structure and Properties of Two-Phase Ti- 6Al-4V Alloy during Cold Metal Transfer Additive Deposition with Interpass Forging / Y. Shchitsyn, M. Kartashev, E. Krivonosova, T. Olshanskaya, D. Trushnikov // Materials. – 2021. – Vol. 14, no. 16. – Art. 4415. – 18 p. doi: 10.3390/ma14164415.
- Improving VT6 Titanium-Alloy Components Produced by Multilayer Surfacing / D.N. Trushnikov, M.F. Kartashev, T.V. Olshanskaya, M.R. Mindibaev, Y.D. Shchitsyn, F.R. Saucedo- Zendejo // Russian Engineering Research. – 2021. – Vol. 41, no. 9. – P. 848850. doi: 10.3103/S1068798X21090264
- Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.А. Жирков, О.Н. Федонин, С.О. Федонина, А.В. Хандожко // Вестник Брян- ского государственного технического университета. – 2016. – № 4 (52). – С. 151–160. doi: 10.12737/23204
- Федонина С.О. Повышение качества синтезированных из проволоки деталей волновым термодеформационным упроч- нением: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 05.02.08 – Брянск: Брян- ский государственный технический университет, 2021. – 186 с.
- Controlling the microstructure and properties of wire arc additive manufactured Ti–6Al–4V with trace boron additions / M.J. Bermingham, D. Kent, H. Zhan, D.H. StJohn, M.S. Dargusch // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 91. – P. 289–303. doi: 10.1016/j.actamat.2015.03.035
- Reducing arc heat input and obtaining equiaxed grains by hot-wire method during arc additive manufacturing titanium alloy / Z. Li, C. Liu, T. Xu, L. Ji, D. Wang, J. Lu, S. Ma, H. Fan // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 742. – P. 287–294. doi: 10.1016/j.msea.2018.11.022
- Development of electron-beam equipment and technology for additive layer-wise wire cladding / V.V. Fedorov, V.A. Klimenov, A.V. Batranin, P. Ranga // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2019. – Vol. 2167, no. 1. – P. 020097. doi: 10.1063/1.5131964
- Structure and Phase Composition of Ti–6Al–4V Alloy Obtained by Electron-Beam Additive Manufacturing / V.R. Utyaganova, A.V. Vorontsov, A.A. Eliseev, K.S. Osipovich, K.N. Kalashnikov, N.L. Savchenko, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62, no. 8. – P. 1461–1468. doi: 10.1007/s11182-019-01864-z
- ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на рас- тяжение. – М.: Стандартинформ, 2008. – 24 с.
- ASTM E6-09. Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing. – ASTM International, 2010. – 10 p.
- ASTM E8-04. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. – ASTM International, 2010. – 24 p.
- Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1949. – Vol. 62, no. 11. – P. 676– 700. doi: 10.1088/0370-1301/62/11/302
- Kolsky H. Stress waves in solids // Journal of sound and Vibration. – 1964. – Vol. 1, no. 1. – P. 88–110. doi: 10.1016/0022-460X(64)90008-2
- Nicholas T. Tensile testing of materials at high rates of strain // Experimental Mechanics. – 1981. – Vol. 21, no. 5. – P. 177–185. doi: 10.1007/BF02326644
- Bragov A.M., Lomunov A.K. Methodological aspects of studying dynamic material properties using the Kolsky method // International Journal of Impact Engineering. – 1995. – Vol. 16, no. 2. – P. 321–330. doi: 10.1016/0734-743X(95)93939-G
- Effects of high strain rate and self-heating on plastic deformation of metal materials under fast compression loading / A. Bragov, L. Igumnov, A. Konstantinov, A. Lomunov, E. Rusin // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2019. – Vol. 5, no. 3. – P. 309–319. doi: 10.1007/s40870-019-00214-x
- Экспериментальное исследование локализации пла- стической деформации в сплаве АМг5 при различных видах динамического воздействия / М.А. Соковиков, В.А. Оборин, В.В. Чудинов, С.В. Уваров, О.Б. Наймарк // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2021. – № 3. – С. 154–162. doi: 10.15593/perm.mech/2021.3.14
- Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. The Hague, Netherlands. 19–21 April 1983. – Vol. 21. – P. 541–547.
- Forming process, microstructure, and mechanical properties of thin-walled 316L stainless steel using speed-coldwelding additive manufacturing / W. Wu, J. Xue, L. Wang, Z. Zhang, Y. Hu, C. Dong // Metals. – 2019. – Vol. 9, no. 1. – P. 109. doi: 10.3390/met9010109
- Microstructure and compressive behavior of Ti-6Al-4V alloy built by electron beam free-form fabrication / V.A. Klimenov, V.V. Fedorov, M.S. Slobodyan, N.S. Pushilina, I.L. Strelkova, A.A. Klopotov, A.V. Batranin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29, no. 11. – P. 7710–7721. doi: 10.1007/s11665-020-05223-9
- Anisotropy of the tensile properties in austenitic stainless steel obtained by wire-feed electron beam additive growth / E.V. Melnikov, E.G. Astafurova, S.V. Astafurov, G.G. Maier, V.A. Moskvina, M.Y. Panchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Letters on Materials. – 2019. – Vol. 9, no. 4. – P. 460–464. doi: 10.22226/2410-3535-2019-4-460-464
- Advanced high-strength AA5083 welds by high-speed hybrid laser-arc welding / A. Vorontsov, A. Zykova, A. Chumaevskii, K. Osipovich, V. Rubtsov, E. Astafurova, E. Kolubaev // Materials Letters. – 2021. – Vol. 291. – P. 129594. doi: 10.1016/j.matlet.2021.129594
- The microstructure, phase composition and tensile properties of austenitic stainless steel in a wire-feed electron beam melting combined with ultrasonic vibration / A. Vorontsov, S. Astafurov, E. Melnikov, V. Moskvina, E. Kolubaev, E. Astafurova // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 820. – P. 141519. doi: 10.1016/j.msea.2021.141519
- Микроструктура и механические свойства малоугле- родистой стали, полученной методом электронно-лучевого аддитивного производства / Е.Г. Астафурова, Е.В. Мельников, С.В. Астафуров, М.Ю. Панченко, К.А. Реунова, В.А. Москвина, Г.Г. Майер, Е.А. Колубаев // Письма о материалах. – 2021. – Т. 11, № 4. – С. 427–432. doi: 10.22226/2410-3535-2021-4-427-432
- Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties / S. Astafurov, E. Astafurova, K. Reunova, E. Melnikov, M. Panchenko, V. Moskvina, G. Maier, V. Ruttsov, E. Kolubaev // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 826. – P. 141951. doi: 10.1016/j.msea.2021.141951
- Microstructure and mechanical properties of Nb-alloyed austenitic CrNi steel fabricated by wire-feed electron beam additive manufacturing / M.Y. Panchenko, G.G. Maier, V.A. Moskvina, S.V. Astafurov, E.V. Melnikov, K.A. Reunova, E.A. Kolubaev, E.G. Astafurova // Materials Characterization. – 2022. – Vol. 190. – P. 112063. doi: 10.1016/j.matchar.2022.112063
- Fadida R., Rittel D., Shirizly A. Dynamic mechanical behavior of additively manufactured Ti6Al4V with controlled voids // Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME. – 2015. – Vol. 82, no. 4. – P. 041004. doi: 10.1115/1.4029745
- Dorogoy A., Rittel D. Dynamic large strain characterization of tantalum using shear-compression and sheartension testing // Mechanics of Materials. – 2017. – Vol. 112. – P. 143–153. doi: 10.1016/j.mechmat.2017.06.003
- Fadida R., Shirizly A., Rittel D. The static and dynamic sheartension mechanical response of AM Ti6Al4V containing spherical and prolate voids // International Journal of Engineering Science. – 2019. – Vol. 141. – P. 1–15. doi: 10.1016/j.ijengsci.2019.05.003
- Goviazin G.G., Shirizly A., Rittel D. Static and dynamic mechanical properties of wire and arc additively manufactured SS316L and ER70S6 // Mechanics of Materials. – 2022. – Vol. 164. – P. 104108. doi: 10.1016/j.mechmat.2021.104108
- Искажение формы, локализация пластической де- формации и распределение остаточных напряжений при одно- сторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработ- кой давлением / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Дудин, Г.Л. Пермяков, М.Ф. Карташев // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 434–443. doi: 10.7242/1999-6691/2021.14.4.36
- Моделирование распределения остаточной пористо- сти металлического изделия при аддитивном производстве с послойной проковкой / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Ду- дин, Г.Л. Пермяков, Д.Н. Трушников // Проблемы прочности и пластичности. – 2022. – Т. 84, № 2. – С. 247–258. doi: 10.32326/1814-9146-2022-84-2-247-258
- Моделирование рекристаллизации сплава АМг5 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гиб- ридного аддитивного производства / Н.К. Салихова, Д.С. Ду- дин, И.Э. Келлер, А.А. Осколков, А.В. Казанцев, Д.Н. Труш- ников // Вычислительная механика сплошных сред. – 2022. – Т. 15, № 2. – С. 234–246. doi: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.18
- Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. – М.: Мир, 1969. – Т. 2. – 863 с.
- Cowper G.R., Symonds P.S. Strain hardening and strain rate effects in the impact loading of cantilever beams. Division of Applied Mathematics, Brown University, 1957. – 46 p. doi: 10.21236/ad0144762
- Bodner S., Partom Y. Constitutive equations for elasticviscoplastic strain-hardening materials // Journal of Applied Mechanics. – 1975. – Vol. 42, no. 2. – P. 385–389. doi: 10.1115/1.3423586
- Zerilli F.J., Armstrong R.W. Dislocation-mechanicsbased constitutive relations for material dynamics calculations // Journal of Applied Physics. – 1987. – Vol. 61, no. 5. – P. 1816– 1825. doi: 10.1063/1.338024
- Steinberg D.J., Cochran S.G., Guinan M.W. A constitutive model for metals applicable at high-strain rate // Journal of applied physics. – 1980. – Vol. 51, no. 3. – P. 1498– 1504. doi: 10.1063/1.327799
- LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Ver. R13. LSTC, 2021. 1993 p. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.dynamore.de/en/downloads/ manuals/ls-dyna-manuals/ls-dyna_manual_volume_ii_r13.pdf (дата обращения: 20.10.2022).
- Кузькин В.А., Михалюк Д.С. Применение численно- го моделирования для идентификации параметров модели Джонсона – Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычислительная механика сплошных сред. – 2010. – Т. 3, № 1. – С. 32–43. doi: 10.7242/1999- 6691/2010.3.1.4
- Бузюркин А.Е., Гладкий И.Л., Краус Е.И. Определе- ние параметров модели Джонсона-Кука для описания процес- сов деформирования и разрушения титановых сплавов // При- кладная механика и техническая физика. – 2015. – Т. 56, № 2. – С. 188–195. doi: 10.15372/PMTF20150219
- Abaqus. Инженерные программы. ТЕСИС [Элек- тронный ресурс]. – URL: https://tesis.com.ru/cae_brands/abaqus (дата обращения: 20.10.2022).
- Шалимов А.С. Ташкинов М.А. Моделирование де- формирования и разрушения пористых сред с учетом особен- ностей их морфологического строения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универ- ситета. Механика. – 2020. – №. 4. – С. 175–187. doi: 10.15593/perm.mech/2020.4.15
- Ключевые обновления COMSOL Multiphysics® 5.5. Модель Джонсона – Кука для пластичности, зависящей от скорости деформации [Электронный ресурс]. – URL: https://www.comsol.ru/release/5.5/nonlinear-structural-materialsmodule (дата обращения: 20.10.2022).
- ЛОГОС Прочность. Модели материального дефор- мирования для динамического анализа [Электронный ресурс]. – URL: http://logos.vniief.ru/products/strength (дата обращения: 20.10.2022).
- Pham M.S., Dovgyy B., Hooper P.A. Twinning induced plasticity in austenitic stainless steel 316L made by additive manufacturing // Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. A704. – P. 102–111. doi: 10.1016/j.msea.2017.07.082