УДК 621.77.01

ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

DEFORMATION ABILITY OF MULTILAYER METAL MATERIALS

 

Поликевич К.Б., Плохих А.И.

(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г.Москва, РФ)

Polikevich K.B., Plokhikh A.I.

(Bauman Moscow State Technical University)

 

Характерной особенностью получения многослойных металлических материалов является эффект увеличения сил прокатки. Было показано, что глубина проникновения деформации зависит от степени структуризации материала. Также были смоделированы процессы охлаждения многослойного материала с помощью программного обеспечения ANSYS, в результате которых возникают значительные остаточные напряжения вследствие различных значений коэффициентов термического линейного расширения.

The typical feature of obtaining multilayer metal material is an effect of significant increase of rolling force. It has been shown that deformation depth depends on the degree of structuring of multilayer material. Also cooling processes were modeled with the help of software ANSYS, as a result of which residual stress are observed.

 

Ключевые слова: многослойные материалы, сопротивление деформации, остаточные напряжения, бамбуковая структура

Key words: multilayer materials, deformation resistance, residual stress, «bamboo» structure

 

Многослойные металлические материалы, полученные с помощью горячей пакетной прокатки, обладают высоким комплексом физико-механических свойств, достижение которых оказывается невозможным при использовании монометаллических материалов. Для получения многослойной заготовки, соответствующей заданным требованиям, необходимо соблюдение определенных параметров технологического процесса, зависящих от полного представления о деформации таких материалов. В некоторых случаях может наблюдаться раскрытие пакетов, что приводит к окислению контактных поверхностей, после чего такая заготовка списывается в брак [1-4].

В проведенных ранее работах было показано, что характерной особенностью получения многослойных металлических материалов является наблюдаемый эффект значительного увеличения сил прокатки, по сравнению с аналогичными значениями, полученными на монозаготовках [5]. Причиной данного эффекта может являться формирование особого вида структуры, известной как «бамбуковая» (рис. 1) [6].

а) первый технологический цикл,

толщина заготовки 10 мм

б) второй технологический цикл,

толщина заготовки 10 мм

Рисунок 1- Микроструктуры поперечного сечения многослойного образца композиции 8Х18Н10+У8

        

Для изучения этого эффекта было проведено исследование, направленное на изучение структуры многослойного металлического материала, подвергнутого действию локальной деформации. Для этого подготовленные образцы после первого и второго технологических циклов были продеформированы с помощью пресса Бринелля шаровым индентором                 Æ 10 мм под нагрузкой 3 т.

В качестве исследуемых объектов были выбраны образцы многослойных материалов, составленных из попеременно чередующихся слоев сталей У8 и 08Х18Н10 с количеством слоев 100 шт. и 2000 шт. после первого и второго технологических циклов соответственно.

Исследование показало, что глубина проникновения деформации после первого технологического цикла составляет не менее 50 % от высоты образца   (5 мм), после второго технологического цикла эта величина составляет не менее 15 % от высоты образца (1,5 мм) [7].

Исследование, проведенное с помощью растровой электронной (РЭМ) микроскопии на образцах после первого технологического цикла с количеством слоев 100 шт.,  показало, что микроструктура слоев сталей, входящих в материал имеет разное строение в зоне деформации. В слоях стали 08Х18Н10 видимых изменений не наблюдается, в то время как слои стали У8 наиболее активно воспринимают пластическую деформацию, что выражается в формировании полос скольжения (рис. 2).

Такое различие в поведении сталей является закономерным, учитывая более высокий коэффициент деформационного упрочнения стали 08Х18Н10, по сравнению со сталью У8.

 

Рисунок 2 - Электронное изображение структуры слоев стали У8 в зоне деформации

 

Анализ уровня напряжений, возникающих в композиции У8+08Х18Н10 при охлаждении из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения, был проведен с помощью метода конечно-элементного моделирования. Модель создавалась при помощи программного комплекса ANSYS модуль LS-Dyna.

Решение задачи охлаждения многослойного материала с температуры прокатки равной 1000°С показывает, что эквивалентные напряжения в многослойной заготовке могут достигать значений приблизительно равных    200 МПа. Анализ литературы показывает, что значения напряжений, возникающих в биметаллах аналогичной композиции, полученные с помощью метода послойной разрезки образцов, не осуществимой на многослойных образцах из-за малой толщины слоя, равны 240 МПа, что совпадает со значениями, полученными при математическом моделировании [8].

 

Список использованных источников

1.      Голованенко С. А., Меандров Л. В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966.  304 с. 

2.      Король В. К., Гильденгорн М. С. Основы технологии производства многослойных металлов.  М.: Металлургия, 1970.  237 с.

3.      Меандров Л. В. Двухслойные коррозионностойкие стали.  М.: Металлургия, 1970. 228 с.

4.      Пирязев Д. И., Хорошилов Н. М., Кузьменко Ю. А. Производство листовой биметаллической стали.  К.: ЦБТИМЧМ УССР, 1966. 71 с.

5.       Колесников А.Г., Плохих А.И., Шинкарев А.С., Миронова М.О. Прокатка стального многослойного материала//Заготовительные производства в машиностроении, 2013.  №8. С. 39- 43

6.      Плохих А.И., Путырский С.В. Моделирование процесса пластической деформации многослойных металлических материалов//Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2014. Т. 9. № 9 (136). С. 25-30.

7.      Поликевич К. Б. Исследование тонкой структуры многослойного металлического материала, полученного на основе сталей У8 и 08Х18Н10. [Электронный ресурс] // Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии»: материалы конференции, 5 – 8 апреля, 2016, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана. М.: ООО «КванторФорм», 2016. № гос. регистрации 0321601363. URL: studvesna.ru?go=articles&id=1539 (дата обращения: 04.05.2017). Загл. с экрана.

8.      Голованенко С. А. Сварка прокаткой биметаллов. М.: Металлургия, 1977. 158 с.