eng
Выпуск #5/2025
Е.В.Бобрук, М.Е.Климов
РЕАЛИЗАЦИЯ ЭФФЕКТА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОМ СПЛАВЕ Al–Zn–Mg В УСЛОВИЯХ МНОГООСНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
РЕАЛИЗАЦИЯ ЭФФЕКТА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОМ СПЛАВЕ Al–Zn–Mg В УСЛОВИЯХ МНОГООСНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Просмотры: 988
В представленной статье по оптимальным температурно-скоростным режимам деформирования при пониженных температурах с помощью моделирования методом конечных элементов и физического эксперимента разработана технология многоосной деформации наноструктурного Al–Zn–Mg сплава.
Получено: 21.05.2025 г. | Принято: 30.05.2025 г. | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306
Научная статья
Реализация эффекта низкотемпературной СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В Ультрамелкозернистом сплаве Al–Zn–Mg в условиях многоосной деформации
Е.В.Бобрук1, к.т.н., вед. науч. сотр., доц., ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
М.Е.Климов1, студ., ORCID: 0009-0004-5741-9360
Аннотация. В представленной статье по оптимальным температурно-скоростным режимам деформирования при пониженных температурах с помощью моделирования методом конечных элементов и физического эксперимента разработана технология многоосной деформации наноструктурного Al–Zn–Mg сплава.
Ключевые слова: метод конечных элементов, многоосная деформация, наноструктурный сплав сверхпластичность
Для цитирования: Е.В. Бобрук, М.Е. Климов. Реализация эффекта низкотемпературной сверхпластичности в ультрамелкозернистом сплаве Al–Zn–Mg в условиях многоосной деформации. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 296–306. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306.
Received: 21.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306
Original paper
REALIZATION OF THE EFFECT OF LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTICITY IN ULTRA-FINE-GRAINED Al–Zn–Mg ALLOY UNDER MULTIAXIAL DEFORMATION CONDITIONS
E.V.Bobruk1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher, Docent, ORCID: 0000-0001-8226-9887 /
e-bobruk@yandex.ru
M.E.Klimov1, Student, ORCID: 0009-0004-5741-9360
Аbstract. The presented paper on optimal temperature-velocity deformation modes at lowered temperatures, using finite element method modeling and physical experiments, developed the technology for multiaxial deformation of nanostructured Al–Zn–Mg alloy.
Keywords: finite element method, multiaxial deformation, nanostructured superplastic alloy
For citation: E.V. Bobruk, M.E. Klimov. Realization of the effect of low-temperature superplasticity in ultra-fine-grained Al–Zn–Mg alloy under multiaxial deformation conditions. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP. 296–306. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря своей высокой удельной прочности алюминиевые сплавы постепенно замещают стали. Однако формировать сложные детали и/или элементов конструкций с развитой геометрией из алюминия является довольно непростой задачей, особенно в условиях, когда формообразующие операции осуществляют при комнатной температуре, например, листовой холодной штамповкой [1–4]. Традиционно, для улучшения технологической пластичности Al сплавов получение изделий осуществляют при повышенных температурах (выше 0,5Тпл) [5]. К наиболее распространенным из используемых в промышленных масштабах методам можно отнести горячую объемную и листовую штамповку, а также формовку в условиях сверхпластичности (СП). Горячая или изотермическая штамповка, а также СП-формовка или штамповка при повышенных температурах обеспечивает высокую технологическую пластичность большинства промышленных алюминиевых сплавов таких систем легирования, как Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Cu-Mg и др. Однако указанные выше традиционные методы являются низкопроизводительными и энергозатратными.
Решение этой проблемы возможно при использовании алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств, такие как высокая прочность и технологическая пластичность (удлинения свыше 230–300%) при пониженных температурах (до 0,5Тпл).
Известно, что ультрамелкозернистые (УМЗ) сплавы, в том числе и на основе Al, позволяют повысить комплекс механических характеристик, в том числе повышенную пластичность при более низких температурах, за счет формирования более однородной микроструктуры и регламентированного распределения второй фазы [6, 7]. Например, в процессе интенсивной пластической деформации (ИПД) в модельном сплаве Al-30Zn формируется однородная УМЗ двухфазная структура с размером зерен около 360 нм [8]. В процессе ИПД происходит распад твердого раствора и образуется Zn-фаза в тройных стыках и в теле зерен алюминия, некоторые границы этих зерен покрыты сегрегациями Zn. УМЗ Al-30Zn сплав демонстрирует необычно высокую пластичность. Максимальные удлинения были получены 235% (при комнатной температуре) и 265% (при 100 °C) со скоростью деформации 10–4 с–1. Проявление высокой пластичности связано не только с наличием УМЗ-структуры сплава Al-30Zn, но и с наличием сегрегаций цинка по границам зерен, способствующих активному зернограничному проскальзыванию и высокой скоростной чувствительности деформации материала [8].
Обнаруженные особенности механического поведения УМЗ алюминиевых сплавов открывают новые возможности для создания перспективных высокопрочных на основе алюминиевых материалов конструкционного назначения. В недавних работах [7, 9] было установлено, что некоторые Al–Zn–Mg сплавы, сильно упрочненные ИПД, продемонстрировали значительные удлинения (до 700%) при одноосном растяжении в диапазоне температур 0,47–0,60 Тпл и в результате одноосной деформации растяжением в условиях низкотемпературной СП (НТСП) сохраняется высокая прочность сплавов, на уровне 80–90% от исходной, до деформации. Высокопрочное состояние после деформации в условиях НТСП может быть достигнуто не только за счет сохранения ультрамелких зерен, но и за счет других механизмов упрочнения, определяющих плотность дефектов, регулируемое образование, распределение, размер и химический состав частиц вторичной фазы, наличие наноразмерных кластеров и зернограничных сегрегаций [7, 9, 10].
Известно, что при формообразующих операциях, используемых для получения готовых тонкостенных изделий с развитой геометрией, используются такие методы, как формовка, штамповка или вытяжка, в процессе реализации которых реализуется многоосная деформация. В этой связи актуальной научной задачей на сегодняшний день является установление возможности реализации в НС высокопрочных сплавах 7000 серии двухосной деформации в условиях НТСП и применимость данных условий для получения реальных деталей или изделий.
Целью данной работы является создание/разработка технологического подхода, демонстрирующего возможность реализации формообразующей операции, используя двухосную деформацию при пониженных температурах для создания изделия из высокопрочного наноструктурированного сплава системы Al–Zn–Mg. Для достижения поставленной цели использовали моделирование методом конечных элементов и физические эксперименты.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования был выбран Al–Zn–Mg сплав (Al-4.8%Zn-1.2%Mg-0.14%Zr) (вес.%). Заготовки в виде дисков диаметром 20 мм и толщиной 1,4 мм подвергали обработке кручением под высоким давлением (КВД) до 6 ГПа со скоростью деформирования 1 об/мин при комнатной температуре (рис.1) для формирования в них НС-состояния. Суммарное количество оборотов подвижного бойка 10.
Анализ микроструктуры методом просвечивающей электронной микроскопии осуществляли на электронном микроскопе фирмы JEOL JEМ-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ с катодом из LaB6. В качестве объектов исследования выступали тонкие фольги, прозрачные для пучка электронов. Для приготовления фольг вырезали пластинки размерами 5 × 3 × 0,6 мм3. После производили механическое утонение пластинок на абразивной бумаге до толщины 0,10–0,15 мм. Объекты для исследований тонкой структуры изготавливались методом струйной полировки тонких фольг на установке Tenupol-5 в растворе 20% HNO3 и 80% метанола при температуре 25 °С и напряжении 15–20 В.
Температурно-скоростные условия для одноосной и двухосной деформации были выбраны на основе ранее полученных результатов исследований оптимальных температурно-скоростных условий проявления наноструктурным Al–Zn–Mg сплавом эффекта низкотемпературной сверхпластичности [7, 9]. Испытания на растяжение образцов Al–Zn–Mg сплава проводили при температуре 120, 150 °С со скоростями 10–2 и 10–3 с–1 на универсальной испытательной машине Instron 5982 с программным обеспечением Bluehill 3. Размеры рабочей части образцов составляли 3,0 × 0,2 × 5,0 мм3.
Моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и физический эксперимент двухосного растяжения осуществляли при скоростях деформации 10–3 и 10–2 c–1 и температурах 120 и 150 С, при которых образцы НС Al–Zn–Mg сплав при одноосном растяжении проявил повышенную пластичность.
Моделирование МКЭ процесса твердофазной вытяжки проводилось с использованием программного комплекса "Деформ" (Лицензия ПК СФТС. Ключ № 9190/Уфа, Россия). Ввиду симметрии образца разбита на ячейки – сетка 0,03 мм с выдвижением передней фронта для математического описания течения материала.
Для определения пригодности материала методом холодной листовой штамповки были проведены испытания на выдавливание методом Эриксона в соответствии с ГОСТ 10510-80.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе обработки КВД при комнатной температуре в сплавах Al–Zn–Mg формируется однородная структура со средним размером зерен 130 нм. Распад пересыщенного твердого раствора при КВД приводит к зарождению частиц второй фазы MgZn2 внутри зерен Al и сегрегаций Zn по границам зерен Al (рис.2).
Формирование такого состояния в Al–ZnMg сплаве с регламентированным распределением MgZn2 фаз как в теле, так и по границам зерен позволило достичь предела прочности 800 МПа при комнатной температуре и уровня микротвердости 230HV, а также позволило реализовать эффект сверхпластичности при температурах 120 и 150 °С и скоростях деформации от 10–2 и 10–3 с–1 (рис.3).
С целью возможности изготовления тонкостенного изделия из листового материала была произведена оценка ресурса пластичности (формуемости) сплава Al–Zn–Mg в НС-состоянии. Для математического моделирования процесса двуосной деформации методом конечных элементов в качестве входных данных использованы истинные кривые напряжения-деформации, полученные в режиме НТСП при одноосном растяжении согласно гипотезе единой кривой (для всех видов напряженного состояния (одноосного, двухосного и трехосного) в условиях простого нагружения справедлива единая зависимость между напряжениями и деформациями) [11]. Для кривых, записанных в режиме СП, принято, что деформация до 100…150% является равномерной, что позволяет построить истинные диаграммы "напряжение-деформация" в условиях постоянных объемов.
Истинная деформация ε– была определена по данным инженерной деформации ε [11]:
dε– = dl / l
ε– = ln (1 + ε)
Моделирование показало, что наиболее интенсивная деформация (до 2) происходит на стадии деформации примерно 90% (рис.4), повышение температуры приводит к снижению значения до 1. При этом снижение скорости деформации с 10–2 до 10–3 с–1 способствует повышению интенсивности деформации до 1,5 (рис.4c). При расчете определена максимальная интенсивность деформаций, при которой образец не разрушится (рис.4а–с), повышение значений интенсивности деформации до 4,2 при температуре 120 °С приводит к образованию первой трещины. Повышение температуры до 150 °С снижает значение интенсивности деформации до 3 (минимальное значение), снижение скорости при этой же температуре значительно увеличивает интенсивность пластической деформации до 6 (рис.4c–f).
Наиболее равномерная толщина образца достигнута в результате двухосной деформации, выполненной при температуре 150 оС со скоростью 10–2 с–1 (рис.4b).
Известно, что наиболее опасной и напряженной является первая стадия вытяжки [11]. Результаты моделирования показывают, что максимальные эквивалентные напряжения возникают на стадии деформации 60–70% (рис.5) и не превосходят значения напряжения при одноосном растяжении (рис.3). Повышение температуры до 150 °С и скорости деформации до 10–2 с–1 (c, d) приводит к значительному снижению эквивалентных напряжений (рис.6).
Для подтверждения результатов моделирования МКЭ были проведены физические эксперименты на вытяжку по методу Эриксена при температурах 120 и 150 °С со скоростями 10–2 и 10–3 с–1.
Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами моделирования. Оценка эквивалентной деформации, реализованной в ходе проведенных испытаний на двухосное растяжение, производилась по толщине деформированных дисках, расположенных на участке 20–45° относительно вертикальной оси купола. Эквивалентную деформацию определяли как:
ε = ln (t0/t),
где t0 – начальная толщина, t – конечная толщина образца.
По результатам исследования были построены графики зависимости максимальной нагрузки (Fmax) и величины истинной эквивалентной деформации от температурно-скоростных условий испытаний на двухосное растяжение экспериментальных наноструктурных образцов сплава системы Al–Zn–Mg (рис.7). На графиках также приведены значения, полученные в результате оценки течения материала в процессе моделирования; с помощью моделирования МКЭ и физического эксперимента установлено, что более глубокая вытяжка происходит при температуре 150 °С.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты исследований обеспечат развитие подходов в производстве ультрамелкозернистых Al сплавов в виде полуфабрикатов и готовых изделий с повышенным уровнем свойств. Применение формообразующих операций в условиях НТСП будет направлено на повышение энергоэффективности и производительности получения высокопрочных изделий сложной формы из алюминиевых сплавов, что полностью отвечает современным мировым тенденциям развития в перспективных конструкциях наземного, водного и воздушного транспорта.
ВЫВОДЫ
Моделирование процесса течения наноструктурированного Al–Zn–Mg сплава, осуществленного по результатам механических испытаний при температурах 120 и 150 °С и скоростях деформации 10–2 10–3 с–1, позволило установить ряд практических параметров многоосной деформации в условиях НТСП. В процессе моделирования были оценены эквивалентные напряжения, накопленная пластическая деформация.
По результатам анализа моделирования и эксперимента определены параметры многоосного растяжения образцов из наноструктурированного Al–Zn–Mg сплава:
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ). Эксперименты проведены в центре коллективного пользования "Нанотех" Уфимского университета науки и технологий.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Елагин В. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. Москва, Металлургия, 1975.
Polmear I.J. Light Alloys-Metallurgy of the Light Metals. Arnold, London, 1995.
Li S.S., Yue X., Li Q.Y., Peng H.L., Dong B.X., Liu T.S., Jiang Q.C. Development and applications of aluminum alloys for aerospace industry. J. Mater. Res. Technol. 2023. Vol. 27. PP. 944–983.
Mondolfo L.F. Structure of the aluminium: magnesium: zinc alloys. Int. Metall. Re. v. 1971. Vol. 153. PP. 95–124.
Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. Москва, Металлургия, 1984.
Bhatta L., Pesin A., Zhilyaev A.P., Tandon P., Kong C., Yu H. Recent Development of Superplasticity in Aluminum Alloys: A Review. Metals. 2020. Vol. 10. P. 77.
Zha o.Y., Zhu Y., Lavernia E.J. Strategies for improving tensile ductility of bulk nanostructured materials. Adv. Eng. Mater. 2010. Vol. 12. PP. 769–778.
Song Z., Niu R.M., Cui X., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Enikeev N.A., Gu Ji., Song M., Bhatia V., Ringer S.P., Valiev R.Z., Liao X. Mechanism of room-temperature superplasticity in ultrafine-grained Al–Zn alloys. Acta Materialia. 2023. Vol. 246. Р. 118671.
Chinh N.Q., Murashkin M.Yu., Bobruk E.V., Lábár J.L., Gubicza J., Kovács Z., Ahmed A.Q., Maier-Kiener V., Valiev R.Z. Ultralow-temperature superplasticity and its novel mechanism in ultrafine-grained Al alloys. Mater. Res. Lett. 2021. Vol. 9. No. 11. PР. 475–482.
Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Kazykhanov V.U., Valiev R.Z. Superplastic behaviour at lower temperatures of high-strength ultrafine-grained Al alloy 7475. Advanced engineering materials. 2019. Vol. 21 (1). P. 1800094.
Гречников Ф.В., Каргин В.Р. Теория пластического деформирования металлов: учебник. Самара, Изд-во Самарского университета, 2021.
Научная статья
Реализация эффекта низкотемпературной СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В Ультрамелкозернистом сплаве Al–Zn–Mg в условиях многоосной деформации
Е.В.Бобрук1, к.т.н., вед. науч. сотр., доц., ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
М.Е.Климов1, студ., ORCID: 0009-0004-5741-9360
Аннотация. В представленной статье по оптимальным температурно-скоростным режимам деформирования при пониженных температурах с помощью моделирования методом конечных элементов и физического эксперимента разработана технология многоосной деформации наноструктурного Al–Zn–Mg сплава.
Ключевые слова: метод конечных элементов, многоосная деформация, наноструктурный сплав сверхпластичность
Для цитирования: Е.В. Бобрук, М.Е. Климов. Реализация эффекта низкотемпературной сверхпластичности в ультрамелкозернистом сплаве Al–Zn–Mg в условиях многоосной деформации. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 296–306. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306.
Received: 21.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306
Original paper
REALIZATION OF THE EFFECT OF LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTICITY IN ULTRA-FINE-GRAINED Al–Zn–Mg ALLOY UNDER MULTIAXIAL DEFORMATION CONDITIONS
E.V.Bobruk1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher, Docent, ORCID: 0000-0001-8226-9887 /
e-bobruk@yandex.ru
M.E.Klimov1, Student, ORCID: 0009-0004-5741-9360
Аbstract. The presented paper on optimal temperature-velocity deformation modes at lowered temperatures, using finite element method modeling and physical experiments, developed the technology for multiaxial deformation of nanostructured Al–Zn–Mg alloy.
Keywords: finite element method, multiaxial deformation, nanostructured superplastic alloy
For citation: E.V. Bobruk, M.E. Klimov. Realization of the effect of low-temperature superplasticity in ultra-fine-grained Al–Zn–Mg alloy under multiaxial deformation conditions. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP. 296–306. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.296.306.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря своей высокой удельной прочности алюминиевые сплавы постепенно замещают стали. Однако формировать сложные детали и/или элементов конструкций с развитой геометрией из алюминия является довольно непростой задачей, особенно в условиях, когда формообразующие операции осуществляют при комнатной температуре, например, листовой холодной штамповкой [1–4]. Традиционно, для улучшения технологической пластичности Al сплавов получение изделий осуществляют при повышенных температурах (выше 0,5Тпл) [5]. К наиболее распространенным из используемых в промышленных масштабах методам можно отнести горячую объемную и листовую штамповку, а также формовку в условиях сверхпластичности (СП). Горячая или изотермическая штамповка, а также СП-формовка или штамповка при повышенных температурах обеспечивает высокую технологическую пластичность большинства промышленных алюминиевых сплавов таких систем легирования, как Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Cu-Mg и др. Однако указанные выше традиционные методы являются низкопроизводительными и энергозатратными.
Решение этой проблемы возможно при использовании алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств, такие как высокая прочность и технологическая пластичность (удлинения свыше 230–300%) при пониженных температурах (до 0,5Тпл).
Известно, что ультрамелкозернистые (УМЗ) сплавы, в том числе и на основе Al, позволяют повысить комплекс механических характеристик, в том числе повышенную пластичность при более низких температурах, за счет формирования более однородной микроструктуры и регламентированного распределения второй фазы [6, 7]. Например, в процессе интенсивной пластической деформации (ИПД) в модельном сплаве Al-30Zn формируется однородная УМЗ двухфазная структура с размером зерен около 360 нм [8]. В процессе ИПД происходит распад твердого раствора и образуется Zn-фаза в тройных стыках и в теле зерен алюминия, некоторые границы этих зерен покрыты сегрегациями Zn. УМЗ Al-30Zn сплав демонстрирует необычно высокую пластичность. Максимальные удлинения были получены 235% (при комнатной температуре) и 265% (при 100 °C) со скоростью деформации 10–4 с–1. Проявление высокой пластичности связано не только с наличием УМЗ-структуры сплава Al-30Zn, но и с наличием сегрегаций цинка по границам зерен, способствующих активному зернограничному проскальзыванию и высокой скоростной чувствительности деформации материала [8].
Обнаруженные особенности механического поведения УМЗ алюминиевых сплавов открывают новые возможности для создания перспективных высокопрочных на основе алюминиевых материалов конструкционного назначения. В недавних работах [7, 9] было установлено, что некоторые Al–Zn–Mg сплавы, сильно упрочненные ИПД, продемонстрировали значительные удлинения (до 700%) при одноосном растяжении в диапазоне температур 0,47–0,60 Тпл и в результате одноосной деформации растяжением в условиях низкотемпературной СП (НТСП) сохраняется высокая прочность сплавов, на уровне 80–90% от исходной, до деформации. Высокопрочное состояние после деформации в условиях НТСП может быть достигнуто не только за счет сохранения ультрамелких зерен, но и за счет других механизмов упрочнения, определяющих плотность дефектов, регулируемое образование, распределение, размер и химический состав частиц вторичной фазы, наличие наноразмерных кластеров и зернограничных сегрегаций [7, 9, 10].
Известно, что при формообразующих операциях, используемых для получения готовых тонкостенных изделий с развитой геометрией, используются такие методы, как формовка, штамповка или вытяжка, в процессе реализации которых реализуется многоосная деформация. В этой связи актуальной научной задачей на сегодняшний день является установление возможности реализации в НС высокопрочных сплавах 7000 серии двухосной деформации в условиях НТСП и применимость данных условий для получения реальных деталей или изделий.
Целью данной работы является создание/разработка технологического подхода, демонстрирующего возможность реализации формообразующей операции, используя двухосную деформацию при пониженных температурах для создания изделия из высокопрочного наноструктурированного сплава системы Al–Zn–Mg. Для достижения поставленной цели использовали моделирование методом конечных элементов и физические эксперименты.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования был выбран Al–Zn–Mg сплав (Al-4.8%Zn-1.2%Mg-0.14%Zr) (вес.%). Заготовки в виде дисков диаметром 20 мм и толщиной 1,4 мм подвергали обработке кручением под высоким давлением (КВД) до 6 ГПа со скоростью деформирования 1 об/мин при комнатной температуре (рис.1) для формирования в них НС-состояния. Суммарное количество оборотов подвижного бойка 10.
Анализ микроструктуры методом просвечивающей электронной микроскопии осуществляли на электронном микроскопе фирмы JEOL JEМ-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ с катодом из LaB6. В качестве объектов исследования выступали тонкие фольги, прозрачные для пучка электронов. Для приготовления фольг вырезали пластинки размерами 5 × 3 × 0,6 мм3. После производили механическое утонение пластинок на абразивной бумаге до толщины 0,10–0,15 мм. Объекты для исследований тонкой структуры изготавливались методом струйной полировки тонких фольг на установке Tenupol-5 в растворе 20% HNO3 и 80% метанола при температуре 25 °С и напряжении 15–20 В.
Температурно-скоростные условия для одноосной и двухосной деформации были выбраны на основе ранее полученных результатов исследований оптимальных температурно-скоростных условий проявления наноструктурным Al–Zn–Mg сплавом эффекта низкотемпературной сверхпластичности [7, 9]. Испытания на растяжение образцов Al–Zn–Mg сплава проводили при температуре 120, 150 °С со скоростями 10–2 и 10–3 с–1 на универсальной испытательной машине Instron 5982 с программным обеспечением Bluehill 3. Размеры рабочей части образцов составляли 3,0 × 0,2 × 5,0 мм3.
Моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и физический эксперимент двухосного растяжения осуществляли при скоростях деформации 10–3 и 10–2 c–1 и температурах 120 и 150 С, при которых образцы НС Al–Zn–Mg сплав при одноосном растяжении проявил повышенную пластичность.
Моделирование МКЭ процесса твердофазной вытяжки проводилось с использованием программного комплекса "Деформ" (Лицензия ПК СФТС. Ключ № 9190/Уфа, Россия). Ввиду симметрии образца разбита на ячейки – сетка 0,03 мм с выдвижением передней фронта для математического описания течения материала.
Для определения пригодности материала методом холодной листовой штамповки были проведены испытания на выдавливание методом Эриксона в соответствии с ГОСТ 10510-80.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе обработки КВД при комнатной температуре в сплавах Al–Zn–Mg формируется однородная структура со средним размером зерен 130 нм. Распад пересыщенного твердого раствора при КВД приводит к зарождению частиц второй фазы MgZn2 внутри зерен Al и сегрегаций Zn по границам зерен Al (рис.2).
Формирование такого состояния в Al–ZnMg сплаве с регламентированным распределением MgZn2 фаз как в теле, так и по границам зерен позволило достичь предела прочности 800 МПа при комнатной температуре и уровня микротвердости 230HV, а также позволило реализовать эффект сверхпластичности при температурах 120 и 150 °С и скоростях деформации от 10–2 и 10–3 с–1 (рис.3).
С целью возможности изготовления тонкостенного изделия из листового материала была произведена оценка ресурса пластичности (формуемости) сплава Al–Zn–Mg в НС-состоянии. Для математического моделирования процесса двуосной деформации методом конечных элементов в качестве входных данных использованы истинные кривые напряжения-деформации, полученные в режиме НТСП при одноосном растяжении согласно гипотезе единой кривой (для всех видов напряженного состояния (одноосного, двухосного и трехосного) в условиях простого нагружения справедлива единая зависимость между напряжениями и деформациями) [11]. Для кривых, записанных в режиме СП, принято, что деформация до 100…150% является равномерной, что позволяет построить истинные диаграммы "напряжение-деформация" в условиях постоянных объемов.
Истинная деформация ε– была определена по данным инженерной деформации ε [11]:
dε– = dl / l
ε– = ln (1 + ε)
Моделирование показало, что наиболее интенсивная деформация (до 2) происходит на стадии деформации примерно 90% (рис.4), повышение температуры приводит к снижению значения до 1. При этом снижение скорости деформации с 10–2 до 10–3 с–1 способствует повышению интенсивности деформации до 1,5 (рис.4c). При расчете определена максимальная интенсивность деформаций, при которой образец не разрушится (рис.4а–с), повышение значений интенсивности деформации до 4,2 при температуре 120 °С приводит к образованию первой трещины. Повышение температуры до 150 °С снижает значение интенсивности деформации до 3 (минимальное значение), снижение скорости при этой же температуре значительно увеличивает интенсивность пластической деформации до 6 (рис.4c–f).
Наиболее равномерная толщина образца достигнута в результате двухосной деформации, выполненной при температуре 150 оС со скоростью 10–2 с–1 (рис.4b).
Известно, что наиболее опасной и напряженной является первая стадия вытяжки [11]. Результаты моделирования показывают, что максимальные эквивалентные напряжения возникают на стадии деформации 60–70% (рис.5) и не превосходят значения напряжения при одноосном растяжении (рис.3). Повышение температуры до 150 °С и скорости деформации до 10–2 с–1 (c, d) приводит к значительному снижению эквивалентных напряжений (рис.6).
Для подтверждения результатов моделирования МКЭ были проведены физические эксперименты на вытяжку по методу Эриксена при температурах 120 и 150 °С со скоростями 10–2 и 10–3 с–1.
Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами моделирования. Оценка эквивалентной деформации, реализованной в ходе проведенных испытаний на двухосное растяжение, производилась по толщине деформированных дисках, расположенных на участке 20–45° относительно вертикальной оси купола. Эквивалентную деформацию определяли как:
ε = ln (t0/t),
где t0 – начальная толщина, t – конечная толщина образца.
По результатам исследования были построены графики зависимости максимальной нагрузки (Fmax) и величины истинной эквивалентной деформации от температурно-скоростных условий испытаний на двухосное растяжение экспериментальных наноструктурных образцов сплава системы Al–Zn–Mg (рис.7). На графиках также приведены значения, полученные в результате оценки течения материала в процессе моделирования; с помощью моделирования МКЭ и физического эксперимента установлено, что более глубокая вытяжка происходит при температуре 150 °С.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты исследований обеспечат развитие подходов в производстве ультрамелкозернистых Al сплавов в виде полуфабрикатов и готовых изделий с повышенным уровнем свойств. Применение формообразующих операций в условиях НТСП будет направлено на повышение энергоэффективности и производительности получения высокопрочных изделий сложной формы из алюминиевых сплавов, что полностью отвечает современным мировым тенденциям развития в перспективных конструкциях наземного, водного и воздушного транспорта.
ВЫВОДЫ
Моделирование процесса течения наноструктурированного Al–Zn–Mg сплава, осуществленного по результатам механических испытаний при температурах 120 и 150 °С и скоростях деформации 10–2 10–3 с–1, позволило установить ряд практических параметров многоосной деформации в условиях НТСП. В процессе моделирования были оценены эквивалентные напряжения, накопленная пластическая деформация.
По результатам анализа моделирования и эксперимента определены параметры многоосного растяжения образцов из наноструктурированного Al–Zn–Mg сплава:
- максимальное значение Fmax (около 390 Н) и максимальная эквивалентная деформация (менее 2) демонстрирует при температуре деформации 150 °С и скорости деформации 10–3 с–1;
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ). Эксперименты проведены в центре коллективного пользования "Нанотех" Уфимского университета науки и технологий.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Елагин В. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. Москва, Металлургия, 1975.
Polmear I.J. Light Alloys-Metallurgy of the Light Metals. Arnold, London, 1995.
Li S.S., Yue X., Li Q.Y., Peng H.L., Dong B.X., Liu T.S., Jiang Q.C. Development and applications of aluminum alloys for aerospace industry. J. Mater. Res. Technol. 2023. Vol. 27. PP. 944–983.
Mondolfo L.F. Structure of the aluminium: magnesium: zinc alloys. Int. Metall. Re. v. 1971. Vol. 153. PP. 95–124.
Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. Москва, Металлургия, 1984.
Bhatta L., Pesin A., Zhilyaev A.P., Tandon P., Kong C., Yu H. Recent Development of Superplasticity in Aluminum Alloys: A Review. Metals. 2020. Vol. 10. P. 77.
Zha o.Y., Zhu Y., Lavernia E.J. Strategies for improving tensile ductility of bulk nanostructured materials. Adv. Eng. Mater. 2010. Vol. 12. PP. 769–778.
Song Z., Niu R.M., Cui X., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Enikeev N.A., Gu Ji., Song M., Bhatia V., Ringer S.P., Valiev R.Z., Liao X. Mechanism of room-temperature superplasticity in ultrafine-grained Al–Zn alloys. Acta Materialia. 2023. Vol. 246. Р. 118671.
Chinh N.Q., Murashkin M.Yu., Bobruk E.V., Lábár J.L., Gubicza J., Kovács Z., Ahmed A.Q., Maier-Kiener V., Valiev R.Z. Ultralow-temperature superplasticity and its novel mechanism in ultrafine-grained Al alloys. Mater. Res. Lett. 2021. Vol. 9. No. 11. PР. 475–482.
Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Kazykhanov V.U., Valiev R.Z. Superplastic behaviour at lower temperatures of high-strength ultrafine-grained Al alloy 7475. Advanced engineering materials. 2019. Vol. 21 (1). P. 1800094.
Гречников Ф.В., Каргин В.Р. Теория пластического деформирования металлов: учебник. Самара, Изд-во Самарского университета, 2021.
Отзывы читателей
