Full Text

Введение В настоящее время металломатричные композиты (ММК) достаточно широко используются в различных отраслях промышленности, таких как авиационно-космическая, автомобильная, производство электроники, спортивных товаров [1-4] и т.д. В качестве материала матрицы для ММК часто используют технически чистый алюминий или сплавы на его основе. В качестве наполнителя обычно применяют карбид кремния [1, 3-5], оксид алюминия [6, 7], алмазы [8, 9], карбид бора [2, 10], карбид титана [11, 12], а также нано- и микрочастицы углерода, такие как графит [2], углеродные нанотрубки [13, 14] и графен [15-17]. Существуют также ММК с гибридным наполнителем [18-20]. Получение ММК осуществляют различными видами спекания порошков [1-2, 10, 13-14, 16, 18-20], инфильтрацией (squeeze casting) [3, 9, 17], литьем с предварительным перемешиванием (stir casting) [5, 6, 11, 12], а также печатью на 3D-принтере [15]. В большинстве приведенных работ рассматриваются методы получения ММК и их стандартные механические свойства, такие как предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и т.д. Однако в процессе изготовления деталей или полуфабрикатов из ММК методами пластической деформации напряженно-деформированное состояние, скорее всего, будет значительно отличаться от того, которое возникает в условиях стандартных механических испытаний. При этом будут отличаться и пластические свойства материала, полученные в стандартных испытаниях. Для оценки пластических свойств материалов в широком диапазоне изменения параметров напряженно-деформированного состояния строят диаграммы предельной пластичности материалов [21-26]. В большинстве приведенных источников диаграмма предельной пластичности представляет собой зависимость эквивалентной пластической деформации до разрушения (либо степени деформации сдвига до разрушения ) от параметров напряженного состояния: коэффициента напряженного состояния k и коэффициента Лоде-Надаи либо нормализованного угла Лоде [23], которые определяют по формулам ; , , (1) где - среднее нормальное напряжение; - интенсивность касательных напряжений; - компоненты девиатора напряжений; , , - главные напряжения; - угол Лоде, который определяют по формуле [23] , (2) где - второй инвариант девиатора напряжений; - третий инвариант девиатора напряжений. Величина может быть выражена через соотношением . (3) Коэффициент напряженного состояния характеризует относительный уровень среднего нормального напряжения. При положительном преобладают растягивающие напряжения, при отрицательном - сжимающие. Коэффициент Лоде-Надаи характеризует вид напряженного состояния, он изменяется в пределах от -1 до +1. Значения соответствуют схемам одноосного растяжения/сжатия. При чистом сдвиге ( ; ) . Параметры и однозначно характеризуют напряженное состояние при пластической деформации. Все параметры, входящие в функцию , описывающую диаграмму предельной пластичности, являются безразмерными. Поэтому можно сравнивать пластические свойства материалов путем сравнения их диаграмм пластичности. На пластические свойства материала может также влиять скорость деформации. Однако в условиях малых скоростей деформаций ее влияние может быть незначительным. Так, в работе [27] было установлено, что предельные пластические свойства сплава 01570 в интервале скоростей деформации сдвига 0,1-0,5 1/с практически не зависят от скорости деформации, а зависят только от коэффициентов и . В данной работе исследование влияния скорости деформации на пластические свойства исследованного материала не проводилось, и все испытания выполнены при одинаковых средних за процесс скоростях деформации. Скорость движения исполнительного органа испытательной машины подбирали таким образом, чтобы среднеинтегральная за процесс скорость деформации в месте разрушения была равна 0,5 1/с. Еще одним параметром, влияющим на пластические свойства материала, является температура испытания. В настоящей работе исследован металломатричный композит на основе алюминия. Согласно работе [28] технически чистый алюминий обладает наибольшими пластическими свойствами при температуре 500 ºС. Пластичность материала незначительно снижается при температуре 300 ºС. Однако в производственных условиях более низкая температура деформации является экономически предпочтительной. Поэтому в данной работе все исследования выполнены при температуре 300 ºС. Цель работы - построение диаграммы предельной пластичности алюминий-графенового металломатричного композита с содержанием графена 2 мас. % при температуре 300 ºС. 1. Материал и методы исследования Исследуемый ММК синтезирован в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН. ММК получен путем прямого химического взаимодействия ионов углерода с расплавленным алюминием в среде хлоридного расплава в температурном интервале 700-750 ºС в течение 1-5 ч с последующим медленным охлаждением со скоростью не более 0,1 град/мин. Метод получения ММК защищен патентом [29]. Процесс самосборки атомов углерода в пленки графена происходит в момент застывания алюминиевой капли. Известно, что предельная растворимость углерода в алюминии составляет 0,03 мас. %. Превышение содержания углерода выше этой величины приводит к пересыщению жидкого алюминия, при медленном остывании которого атомы углерода образуют сначала углеродные кластеры, а затем и пленки графена площадью до 1000 квадратных микрометров. Содержание графена является постоянной величиной, неизменной от поверхности застывшей металлической капли до ее центральной части, при этом листы графена ориентированы параллельно горизонтальной поверхности. Данный процесс может быть осуществлен без специальной инертной атмосферы, так как алюминий перед расплавлением засыпают слоем солей, что позволяет после расплавления избежать окисления поверхности алюминия кислородом воздуха. Углеродные включения в композите проанализированы при помощи Рамановской спектроскопии. Установлено, что Рамановский спектр углеродного включения на поперечном шлифе композитного материала представляет собой типичный спектр графена [30]. Для построения диаграммы предельной пластичности ММК использовали комплекс испытаний, предложенный в [27]: испытания на растяжение гладких цилиндрических образцов и образцов с кольцевой выточкой на боковой поверхности; испытания на растяжение и сжатие образцов типа «колокольчик»; испытания образцов в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка. Так как в процессе испытаний образцов типа «колокольчик», а также образцов в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка трудно определить момент разрушения, то образцы деформировали на разную степень деформации, после чего осматривали на предмет разрушения. Всего было выполнено три серии испытаний каждого вида образцов. Среднее арифметическое трех испытаний принималось за деформацию разрушения. Испытания выполнены на сервогидравлической испытательной машине INSTRON 8801, снабженной нагревательной печью. Температура образцов контролировалась хромель-копелевой термопарой. Исследование изломов гладких цилиндрических образцов и образцов с кольцевой выточкой выполнено на растровом электронном микроскопе VEGA II TESCAN. Реологическое поведение композита исследовали в испытаниях на осадку цилиндрических образцов в зависимости от скорости деформации, степени деформации и температуры. Исследования проведены на пластометрической установке конструкции ИМАШ УрО РАН. По результатам пластометрических испытаний построены кривые упрочнения, которые в дальнейшем использовали при моделировании методом конечных элементов. Для оценки напряженно-деформированного состояния в процессе испытаний образцов типа «колокольчик» и образцов в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка выполнено конечно-элементное моделирование деформации с использованием пакета конечно-элементного анализа DEFORM. Моделирование осуществляли в осесимметричной постановке. Сетка конечных элементов строилась автоматически и перестраивалась в процессе расчета. Сетка сгущалась в местах геометрической нелинейности, локализации деформаций, а также в местах интенсификации скорости деформации. Сетка конечных элементов для образца типа «колокольчик» имела 1062 элемента и 1138 узлов, для образца в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка - 1026 элементов и 1103 узла. Для материала ММК принималась изотропная упругопластическая модель. Деформирующий инструмент рассматривали как жесткое тело. Так как образцы являются осесимметричными, то моделировалась только половина их сечения. Трение между ММК и инструментом рассчитывалось с использованием закона трения Зибеля. Для определения коэффициента трения воспользовались методикой [31]. По результатам испытаний коэффициент трения установлен равным 0,3. Для проверки адекватности моделей выполнено сравнение экспериментального усилия деформирования с усилием, полученным в результате моделирования. Для всех моделей отклонение расчетного усилия от реального не превысило 5 %. 2. Исследование реологического поведения композита Для построения диаграммы пластичности исследованного ММК потребовалось выполнить конечно-элементное моделирование процессов пластической деформации композита. При этом для конечно-элементной модели требуется задание реологических свойств ММК. Реологическое поведение металлических материалов, а также металломатричных композитов в условиях высоких температур является сложным, что вызвано взаимодействием неравновесных процессов упрочнения и разупрочнения. Взаимодействие этих процессов зависит от исходного состояния микроструктуры (размера зерен, субзерен, распределения упрочняющих частиц и т.д.), а также от изменения термомеханических параметров деформирования во времени. Поэтому авторами использована структурно-иерархическая модель сопротивления деформации [32]. Внутренние параметры модели записаны в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Модель сопротивления деформации построена с точностью до коэффициентов, значения которых идентифицированы по опытным данным. Для идентификации модели выполнены эксперименты на сжатие цилиндрических образцов. По результатам испытаний и идентификации построены зависимости сопротивления деформации от степени деформации и скорости деформации при температуре 300 ºС (рис. 1). Рис. 1. Зависимости сопротивления деформации от степени деформации для ММК Al/2% Gr при температуре 300 °С при скоростях деформаций , 1/с: 0,1; 0,5; 1 и 5 Fig. 1. The dependences of strain resistance on strain degree for the Al/2% Gr MMC at 300°C under constant strain rates , 1/s: 0.1; 0.5; 1 and 5 3. Испытания на растяжение цилиндрических образцов В испытаниях на растяжение гладких цилиндрических образцов и образцов с кольцевой выточкой разрушение образца начинается в центре, на оси симметрии. Причем на оси симметрии коэффициент Лоде-Надаи на протяжении всего процесса деформации. Рис. 2. Образцы для испытаний на растяжение: а - гладкий цилиндрический образец; б - образец с кольцевой выточкой Fig. 2. Tensile test specimens: a - is a smooth cylindrical specimen; b - is a notched cylindrical specimen Рис. 3. Поверхности изломов гладкого цилиндрического образца (а) и образца с выточкой (б) после испытания на растяжение при температуре 300 ºС Fig. 3. Fracture surfaces of the smooth cylindrical specimen (a) and the notched cylindrical specimen (b) after tensile tests at the temperature of 300 °С а б Рис. 4. Эскиз образца «колокольчик» для испытаний на растяжение (а) и схема приложения нагрузок (б) Fig. 4. A draft of the longitudinal section of the bell-shaped specimen for tensile tests (a) and the load scheme (b) Начальный диаметр рабочей части гладких цилиндрических образцов был равен (5 ± 0,05) мм, начальная длина рабочей части l0 равна (25 ± 0,05) мм (рис. 2, а). Образцы с выточкой имели начальный диаметр d0 = = (5 ± 0,05) мм и начальный радиус выточки R0 = = (2,5 ± 0,05) мм (рис. 2, б). По результатам испытаний установлено, что в условиях одноосного растяжения исследованный ММК обладает значительной (можно сказать, неограниченной) пластичностью даже в условиях растягивающих напряжений. Образцы пластически деформировались до момента, пока не происходило физическое разделение частей образца в месте разрушения, а поверхность излома при этом сузилась в линию (рис. 3). При этом определить степень деформации до разрушения в данных экспериментах представляется затруднительным, так как она вычисляется в зависимости от площади поперечного сечения образца в месте разрушения. 4. Испытания образцов типа «колокольчик» Для исследования ММК в условиях, близких к чистому сдвигу ( ), выполнены испытания образцов «колокольчик». Данный вид образцов может быть испытан на растяжение или сжатие, при этом в процессе испытания будут преобладать растягивающие ( ) или сжимающие напряжения ( ). На рис. 4, а приведено продольное сечение образца «колокольчик» для испытаний на растяжение, а на рис. 4, б схема приложения нагрузок. Подробное описание образца «колокольчик» для испытаний на сжатие и методика испытаний приведены в [25]. По результатам испытаний на сжатие установлено, что материал ММК в условиях сжатия имеет высокие пластические свойства и образцы деформируются без разрушения (рис. 5). Поэтому определить величину не представляется возможным. В результате испытаний на растяжение установлено, что деформация локализуется в минимальном сечении образца, в этом же месте происходит разрушение, аналогично рис. 2, а в [33]. Для оценки напряженно-деформированного состояния в процессе испытаний выполнено конечно-элементное моделирование испытания образца «колокольчик» на растяжение с использованием пакета конечно-элементного анализа DEFORM. Моделирование осуществлялось до деформации, соответствующей моменту разрушения образца. На рис. 6 приведены конечно-элементная модель и распределение эквивалентных пластических деформаций по сечению образца в момент, соответствующий разрушению. Величина рассчитывается по формуле , (4) где , , - главные деформации. Из рис. 6, б видно, что материал даже в условиях растягивающих напряжений обладает значительной пластичностью. На рис. 7 приведены зависимости и от степени деформации сдвига в месте разрушения образца. Рис. 5. Образец «колокольчик» до (левая часть фотографии) и после (правая часть фотографии) испытания. Для наглядности образец разрезан Fig. 5. The bell-shaped specimen before testing (the left part of the photograph) and after testing (the right part of the photograph). For clarity, the specimen is cut Рис. 6. Конечно-элементная модель растяжения образца «колокольчик» (а) и распределение эквивалентных пластических деформаций в момент, соответствующий разрушению (б) Fig. 6. A finite element model of the tension test of the bell-shaped specimen (a) and distribution of equivalent plastic strains at the fracture onset (b) Рис. 7. Зависимости и от степени деформации сдвига в месте разрушения образца «колокольчик» Fig. 7. The and curves at the point of fracture of a bell-shaped specimen 5. Испытания образцов в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка Данный вид испытаний позволяет оценивать пластичность металла в условиях, когда коэффициент Лоде-Надаи . В процессе испытания осуществляется выдавливание донышка при помощи подшипникового шарика. Разрушение при этом происходит в центре донышка, аналогично рис. 2, б в [33]. Подробное описание данного вида испытаний приведено в [27]. Для оценки напряженно-деформированного состояния в месте разрушения выполнено конечно-элементное моделирование процесса (рис. 8). На рис. 9 приведены зависимости и от степени деформации сдвига в месте разрушения образца. Рис. 8. Конечно-элементная модель выдавливания донышка толстостенного стаканчика (а) и распределение эквивалентных пластических деформаций в момент, соответствующий разрушению (б) Fig. 8. A finite element model of extrusion of the bottom of a thick-walled cup (a) and equivalent plastic strains at the moment of fracture (b) Рис. 9. Зависимости и от степени деформации сдвига в месте разрушения образца в виде толстостенного стаканчика Fig. 9. The and curves at the point of fracture of a thick-walled cup 6. Построение диаграммы предельной пластичности По результатам приведенных выше исследований установлено, что ММК не разрушается в условиях сжимающих напряжений, а также в условиях растягивающих напряжений при . Поэтому принято решение построить диаграмму предельной пластичности ММК в интервале значений в условиях растягивающих напряжений ( ). Для построения диаграммы предельной пластичности воспользуемся формулой , (5) где и - эмпирические коэффициенты. Зная степень деформации сдвига до разрушения в испытаниях на растяжение образца «колокольчик» ( ) и в испытаниях на выдавливание донышка толстостенного стаканчика ( ), запишем уравнение (5) в виде системы уравнений Решив данную систему уравнений, получим значения неизвестных коэффициентов (6) Среднеинтегральное значение коэффициента напряженного состояния в процессе растяжения образца «колокольчик» (по данным рис. 7) , в процессе выдавливания толстостенного стаканчика (по данным рис. 9) . Так как с уменьшением коэффициента степень деформации до разрушения возрастает, то пластичность исследованного ММК по диаграмме (6) можно оценивать снизу при . Выполним сравнение полученной диаграммы с диаграммой технически чистого алюминия [34] и диаграммой ММК с содержанием графена 1 мас.% [33]. Для этого построим зависимости (3) в [34] и (2) в [33] при постоянном (рис. 10). Выводы Получена диаграмма предельной пластичности алюминий-графенового металломатричного композита с содержанием графена 2 мас. % при температуре 300 ºС. Выполнено сравнение полученной диаграммы предельной пластичности с диаграммами предельной пластичности технически чистого алюминия и ММК с содержанием графена 1 мас. %. Установлено, что увеличение содержания графена вызывает увеличение пластических Рис. 10. Диаграммы предельной пластичности технически чистого алюминия [34] и алюмоматричных композитов с содержанием графена 1 [33] и 2 мас. % при температуре 300 ºС и k = 1,2 (штриховая линия - это экстраполяция диаграммы (6) в область значений μσ < 0) Fig. 10. Fracture loci for the commercially pure Aluminum [34], the 1 wt% aluminum-graphene metal matrix composite [33] and 2 wt% aluminum-graphene metal matrix composite at 300 ºС and k = 1.2 (Dashed line is an extrapolation of the fracture locus (6) to the range of values of μσ < 0) свойств алюминия. Однако его влияние существенно зависит от вида напряженного состояния, в котором находится металл в процессе деформации. При одноосном растяжении ( ) увеличение содержания графена до 2 мас. % пластифицирует ММК настолько, что поверхность излома на образцах сужается в линию и площадь сечения образца в шейке стремится к нулю. Однако при испытаниях образцов в виде толстостенного стаканчика с утонением донышка ( ) в условиях растягивающих напряжений влияние графена на пластические свойства ММК нивелируется. Авторы не нашли в литературе описания подобных явлений в ММК, в основном исследуются стандартные свойства (относительное удлинение, относительное сужение) после испытаний образцов на растяжение. Очевидно, что для объяснения данных явлений необходимы дальнейшие исследования, позволяющие раскрыть механизмы разрушения ММК с графеном в зависимости от вида напряженного состояния.

About the authors

D I Vichuzhanin

Institute of Engineering Science Ural Branch of RAS

L A Yolshina

Institute of High-Temperature Electrochemistry Ural Branch of RAS

A S Smirnov

Institute of Engineering Science Ural Branch of RAS

R V Muradymov

Institute of High-Temperature Electrochemistry Ural Branch of RAS

References

Statistics

Views

Abstract - 233

PDF (Russian) - 169