Способ пластической деформации алюминия и его сплавов

Изобретение относится к области пластической обработки металлов может быть использовано в различных областях промышленности и науки для пластического формоизменения алюминия и его сплавов.

Известен акустопластический эффект [Blaha, В. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch - 1955. - 42 - Н.20- S. 556.], заключающийся в повышении пластичности материалов под действием ультразвука, экспериментально обнаруженный на ультразвуковых частотах Блаха и Ланженекером [1] и представляющий собой скачкообразное снижение напряжения однонаправленной деформации кристалла при наложении на него знакопеременных деформаций.

Акустопластический эффект наблюдается в широком диапазоне частот от единиц герц до мегагерц, но наиболее широкое применение он нашел в диапазоне 15-40 кГц. Акустопластический эффект, реализуемый при одновременном воздействии ультразвука и статического нагружения, есть результат суммирования статических напряжений и динамических напряжений ультразвуковой волны.

При размещении образца в узле стоячей волны увеличивается скорость ползучести в меди при воздействии продольной стоячей волной частотой 20 кГц. Эффект наблюдают в пучности, сформированной в образце стоячей волны. В технологических процессах при прокатке амплитуда динамических напряжений лежит в диапазоне 10⁷-10⁸ Па. Ввод ультразвука в образец для формирования стоячей волны осуществляется через волновод в виде концентратора ультразвука, объединенного с ультразвуковым преобразователем. При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и статических нагрузок в медном образце существенно возрастает плотность вакансий (10²⁰ вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм). При длительном воздействии ультразвука наблюдается разрушение образцов, обусловленное интенсивным порообразованием по границам зерен.

Недостатки: эффект охрупчивания и разрушения как негативное проявление длительного ультразвукового воздействия на деформируемый материал и фактически ограничивает использование ультразвука на практике.

Известен способ пластической деформации металлов и устройство для его осуществления [Делюсто Лев Георгиевич. Патент РФ №2310526 от 20.11.2007] - прототип. Способ включает обработку деформируемого металла в ходе прокатки ультразвуком частотой до 5 МГц и магнитным полем с индукцией 70 Тл. Повышение пластичности деформируемого металла происходит за счет снижения количества дефектов в металле в ходе непрерывного ультразвукового и магнитного воздействия, причем источником магнитного поля могут быть использованы электромагниты или постоянные магниты. В соответствии с прототипом повышение пластичности есть результат снижения дефектов структуры деформируемого прокаткой металла, что противоречит физике пластичности материалов, согласно которой пластическое поведение металлов осуществляется как раз за счет скольжения дислокаций - линейных дефектов кристаллической решетки.

Недостатки: способ пластического деформирования не повышает пластичность деформируемого металла.

Задача изобретения - повышение ресурса пластичности металла в условиях одновременного воздействия механического напряжения, температуры и ультразвуковых колебаний при пластическом деформировании алюминия и его сплавов.

Сущность изобретения.

Способ пластической деформации алюминия и его сплавов в условиях механического нагружения, воздействия температуры и ультразвукового воздействия заключается в том, что ультразвуковое воздействие осуществляют на частоте ультразвуковых колебаний из низкочастотного диапазона 20-90 кГц, отвечающей основным резонансам, определяемых геометрией образца-резонатора, то есть геометрией деформируемого объема металла или сплава, при достижении критических параметров температурно-силового воздействия, характеризуемых механическим напряжением 90-200 МПа, температурой в интервале 450-250°C, колебательной энергией акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с, соответствующим деформационному структурному переходу в деформируемом материале.

Поставленная задача достигается тем, что в ходе совместного воздействия на металл или сплав механического нагружения и температуры ультразвуковое воздействие осуществляется лишь после деформационного структурного перехода. Деформационный структурный переход фиксируется по моменту времени значительного (в 4-5 раз) увеличения скорости накопления деформации в деформируемом материале, которому в соответствие ставится механическое напряжение и достигнутая температура. К этому моменту в деформируемом объеме запасается критический уровень колебательной энергии внутреннего акустического поля стоячих акустических волн величиной не ниже 15*10^-12 В²с, сформированных из первичных сигналов акустической эмиссии. Этому моменту времени соответствует начало внешнего ультразвукового воздействия на частоте ультразвуковых колебаний, соответствующих основным низкочастотным резонансам в интервале частот 20-90 кГц, определяемых геометрией образца-резонатора.

Способ реализуется следующим образом

1. Подготовленные образцы из алюминиево-магниевых сплавов размещают в установку для высокотемпературного механического и ультразвукового воздействия.

2. Образцы нагружают механическим напряжением в интервале 90-200 МПа и нагревают до температуры в интервале 450-250°C (для напряжения 90 МПа температура не ниже 450°C, для напряжения 200 МПа температура не ниже 250°С), регистрируя прирост деформации и акустическую эмиссию.

3. В момент деформационного структурного перехода, когда колебательная энергия акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с, осуществляется ввод в деформируемый образец ультразвуковых колебаний на частоте основных резонансов из низкочастотного диапазона от 20 до 90 кГц.

4. Ультразвуковые колебания вводятся в деформируемый образец с помощью волновода, объединенного с концентратором ультразвука магнитострикционного преобразователя.

Воздействие ультразвуком на частоте основных резонансов деформируемого объема в низкочастотном диапазоне 20-90 кГц в момент естественного высокопластичного структурного состояния деформируемого материала, подготовленного совместное действием механического напряжения в интервале 90-200 МПа, температуры в интервале и колебательной энергией акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с, увеличивает ресурс аномальной пластичности деформируемого металла.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1

Металлический образец из алюминия или алюминиево-магниевого сплава АМг6, в виде стержня 1, соединенный с волноводом акустической эмиссии помещают в устройство для термического и механического воздействия, фиг. 1. Образец 1 закрепляют в неподвижном захвате 2, нагружают механической нагрузкой в интервале 40-200 МПа с помощью подвижного захвата 3, нагревают элементом 4 до 550°C и измеряют прирост деформации с помощью измерителя деформации, совмещенного с подвижным захватом 3. При одновременном воздействии механического нагружения и нагрева образца 1 происходит пластическое деформирование металла, сопровождающееся акустической эмиссией. Данные об акустической эмиссии в виде электрических сигналов, полученные с помощью пьезопреобразователя 5, по каналу I поступают на аналогоцифровой преобразователь 6 и компьютер 7. По каналам II, III соответственно поступают данные о температуре и деформации также на аналогоцифровой преобразователь 6 и компьютер 7 для обработки и анализа данных.

С помощью установки (фиг. 1) провели деформирование образцов алюминиево-магниевого сплава в интервале нагрузок 40-200 МПа и нагреве от комнатной температуры до 550°C. Как показано на фиг. 2 при нагрузке 120 МПа характер накопления деформации представляет собой монотонный (область I) и квазискачкообразный (область II), монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонное возрастание среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, квазискачкообразному характеру отвечает резкое возрастание среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Резкое возрастание среднеквадратичного напряжения свидетельствует о существенном увеличении колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом объеме образца.

Установлено, что переход из области I в область II, характеризуемый существенным (в 4-5 раз) возрастанием скорости накопления деформации, представляет собой деформационный структурный переход. Деформационному структурному переходу отвечают критические значения параметров термомеханического воздействия: механического напряжения в интервале 90 - 200 МПа, температуры в интервале 450-250°C, колебательной энергии акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с.

Пример 2

Проведем анализ спектра акустических сигналов, полученных в примере 1, в виде временных зависимостей среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Анализ спектра проводят методом быстрого преобразования Фурье. На фиг. 3 приведено распределение спектральной плотности сигналов акустической эмиссии в диапазоне от 10 кГц до 700 кГц, зарегистрированного в ходе деформации образца алюминия.

Из приведенных данных следует, что энергия сигналов акустической эмиссии распределена в двух частотных диапазонах: в высокочастотном от 100 кГц и до 700 кГц спектральная плотность мала и распределена около частот 600, 350 и 150 кГц; в низкочастотном в интервале от 10 кГц и до 100 кГЦ колебательная энергии существенно выше, чем в высокочастотном диапазоне. Диапазон частот 100-700 кГц характеризует спектр первичных сигналов акустической эмиссии. Низкочастотный диапазон частот 10-100 кГц представляет собой совокупность острых (фактически резонансных) пиков, сформированных за счет перераспределения колебательной энергии первичных сигналов акустической эмиссии.

Таким образом, колебательная энергия акустической эмиссии сконцентрирована в низкочастотной области. Резонансный характер распределения спектральной плотности акустической эмиссии в низкочастотной области свидетельствует о формировании акустического поля стоячих волн в деформируемом объеме материала.

Пример 3

Проведем анализ низкочастотного спектра акустической в диапазоне от 10 до 100 кГц, полученного при нагреве нагруженного алюминиевого образца. На фиг. 4а, б представлен процесс накопления деформации в образце и сопровождающая акустическая эмиссия при нагреве образца до 650°C в условиях действия сдвиговой нагрузки величиной 25 МПа. Процесс накопления деформации при нагреве до 560°C (область I) носит монотонный характер. После 560°C накопление деформации представляет собой скачкообразные акты, перемежающиеся монотонными участками (область II). Монотонному характеру накопления деформации в области I соответствует акустическая эмиссия, среднеквадратичное напряжение которой монотонно возрастает при повышении температуры. Скачкообразному характеру накопления деформации в области II соответствует дискретная акустическая эмиссия.

Проанализируем низкочастотную область спектральной плотности сигналов акустической эмиссии, характерную для области I накопления деформации. На фиг. 5 представлено распределение спектральной плотности, характерное для монотонного накопления деформации. Характерной особенностью спектра является его дискретный вид, представляющий собой совокупность низкочастотных пиков спектральной плотности сигналов акустической эмиссии, расположенных в частотном диапазоне примерно 20-50 кГц. В полосе частот 60-100 кГц спектральная плотность сигналов близка к спектральной плотности шума.

Проанализируем низкочастотную спектральную плотность сигналов акустической эмиссии, характерную для накопления деформации в области II (фиг. 6). Как следует из данных фиг. 6 наблюдается значительное усложнение спектра, в нем появились спектральные составляющие в диапазоне 60-90 кГц, которые при монотонном накоплении деформации слабо выражены.

Усложнение спектра, обусловленное появлением новых спектральных составляющих акустического поля акустической эмиссии и существенным возрастание спектральной плотности в интервале частот 60-90 кГц, свидетельствует о накоплении колебательной энергии в маломасштабных резонаторах.

Пример 4

Рассмотрим совокупность резонаторов в системе образец-волновод в примере 3 (фиг. 7).

Волновод и образец представляют собой стержень цилиндрической формы общей длиной около 300 мм, часть которого длиной 30 мм и диаметром 4 мм представляет собой участок локализации деформации, который делит волновод на две части длиной 220 и 100 мм. Согласно, геометрии системы волновод - образец, выделяют в качестве резонаторов участок волновода в виде стержня длиной около 200 мм, передающий акустическую энергию в пьезопреобразователь, участок волновода в виде стержня длиной около 100 мм, которым наш образец крепится в устройстве нагружения, участок волновода длиной 30 мм и диаметром 4 мм, расположенный между этими двумя участками волновода, являющийся областью локализации сдвиговой деформации.

Проанализируем совокупность возможных резонаторов в нашей системе образец-волновод (табл. 1). Расчет геометрических параметров резонаторов проводят на основе условия стоячей волны

L=kλ/2, где

L - размер акустического резонатора,

λ - длина волны, k - номер резонанса,

при k=1 длина волны соответствует первому (основному) резонансу.

Длина волны определена согласно выражению λ=VT, где

V - скорость распространения акустических колебаний,

Т - период колебания, связанный с частотой f резонанса выражением T=1/f.

При расчете учтено, что в деформируемом объеме распространяются волновые пакеты акустической эмиссии как на продольных, так и на поперечных волнах. Кроме того, необходимо учесть, что при повышении температуры скорость распространения ультразвуковых колебаний уменьшается. Для алюминия и сплавов уменьшение достигает 17%.

В нашем случае важен резонатор, связанный с деформируемой частью длиной 30 мм. Из табл. 1 следует, что в деформируемом объеме диаметром 4,0 мм и длиной 30 мм в основном формируются стоячие поперечные (сдвиговые) волны, то есть накапливается сдвиговая колебательная энергия акустической эмиссии.

Пример 5

Из совокупности данных примеров 1-4 следует, что накопление деформации в сплавах алюминия при высоких температурах осуществляется двояким образом: в области I монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонная акустическая эмиссия с низким значением колебательной энергии; в область II высокоскоростному (скачкообразному) накоплению соответствует акустическая эмиссия с высоким значением колебательной энергии. Переход из области I в область II, представляет собой деформационный структурный переход. Деформационному структурному переходу отвечают критические значения параметров термомеханического воздействия: механического напряжения в интервале 90-200 МПа, температуры в интервале 450-250°C, колебательной энергии акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с.

Таким образом, активизация пластичности в ходе накопления деформации в области II осуществляется не только за счет действия механических напряжений и температуры, но и за счет формирования в деформируемом объеме материала ультразвукового поля стоячих волн акустической эмиссии, то есть пластическое поведение деформируемого материала определяется совместным действием тепловых флуктуаций теплового поля, статических смещений поля напряжений и динамических смещений акустического поля стоячих волн акустической эмиссии.

Типичным проявлением акустико-пластического эффекта является состояния аномальной пластичности при ультразвуковом облучении деформируемого образца. Следовательно к естественной пластичности, наведенной температурным воздействием, воздействием механическими напряжениями и полем динамических смещений стоячих акустических волн акустической эмиссии, добавляется пластичность, наведенная внешним ультразвуковым воздействием. Однако при длительном облучении ультразвуком частотой 20 кГц в поликристаллическом алюминии появляется избыточных вакансий. Высокая плотность вакансий (10²⁰ вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм) приводит к разрушению материала, обусловленного интенсивным порообразованием по границам зерен.

Таким образом, действие внешнего ультразвукового облучения необходимо ограничить только длительностью накопления деформации в области II, где естественная пластичность суммируется с пластичностью наведенной внешним ультразвуковым воздействием. Начало процесса накопления деформации в области II определяется достижением температурой, механическим напряжением и колебательной энергией поля стоячих волн акустической эмиссии критических значений, приведенных выше. Частота ультразвуковых колебаний в нашем случае выбирается в диапазоне 60-90 кГц и определяется резонансными свойствами деформируемого объема. Разумеется, при изменении геометрии деформируемого объема изменяются резонансные свойства резонатора. Это обстоятельство требует корректировки частотного диапазона внешнего ультразвукового воздействия в диапазоне 20-90 кГц. Корректировки внутреннего акустического поля стоячих волн акустической эмиссии не требуется, так как процесс формирования акустических стоячих волн акустической эмиссии, определяемый геометрией резонатора, устанавливается автоматически.

Параметры акустических резонаторов системы образец - волновод.