Способ обработки листовых заготовок из алюминиевых сплавов системы al-mg.

Изобретение относится к обработке давлением металлических сплавов системы алюминий-магний, демонстрирующих прерывистую пластическую деформацию и локализацию деформации в полосах, вызывающих ухудшение качества поверхности и внезапное разрушение этих сплавов, и может быть использовано в авиакосмической и автомобильной отраслях. Способ включает механическую обработку давлением заготовки при комнатной температуре с одновременным пропусканием через нее постоянного электрического тока низкой плотности 20-30 А/мм², который полностью подавляет полосообразование и прерывистую деформацию алюминий-магниевого сплава. Изобретение позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности и увеличить ресурс долговечности алюминий-магниевых сплавов без снижения их прочности и пластичности. 3 ил.

 

Изобретение относится к способам обработки давлением твердых материалов - алюминиевых сплавов, включающим механическую обработку давлением с одновременным приложением постоянного электрического поля.

Существует несколько видов обработки металлов и полупроводников на основе процесса давления - прокатка, штамповка, волочение и плющение, где для повышения производительности и качества обработки может быть использован электропластический эффект (ЭПЭ) (Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г.).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки металлов по патенту России №2321469 по заявке №2005127525 (кл. B21B 1/100, публикация 10.04.2007 г.), где ЭПЭ достигается за счет того, что в область механической обработки подаются мощные короткие (100-150 мкс) импульсы тока плотностью 3,5-10 кА/мм². В результате повышается пластичность металла, снижается сопротивление металла деформированию, повышаются производительность и качество обработки.

Недостатком данного способа являются относительно большие плотности тока, что требует существенных затрат. Кроме того, импульсная электротоковая обработка вызывает временную (в течение времени, соизмеримого с длительностью импульса тока) пластификацию материала, а повторяющиеся импульсы тока создают прерывистую пластическую деформацию материала, характерные черты которой проявляют закономерности скачкообразной деформации Портевена-Ле Шателье (Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металла. - М.: Наука, 1985).

Задачей предлагаемого решения является применение ЭПЭ к подавлению прерывистой деформации и полосообразования при обработке давлением листовых алюминий-магниевых сплавов авиакосмической отрасли, которые в отсутствие тока демонстрируют эффект Портевена-Ле Шателье.

Техническими результатами, на решение которых направлено изобретение, являются:

1) снижение затрат электроэнергии на металлообработку;

2) улучшение качества поверхности промышленных изделий;

3) увеличение долговечности алюминий-магниевых сплавов.

Технические результаты достигаются за счет пропускания через деформируемую заготовку постоянного электрического тока низкой плотности j=20-30 А/мм², который полностью подавляет прерывистую деформацию и связанную с ней локализацию пластической деформации в полосах.

Результат (1) обусловлен тем, что средняя мощность джоулевых потерь определяется величиной $$\langle j^2\rangle R$$ , где R - омическое сопротивление. При обработке импульсным током $$\langle j^2\rangle =T^{-1}{\displaystyle \int j^{2}dt\approx j_m^2\Delta tF}$$ , где j_m - амплитуда плотности импульсного тока, Δt - длительность импульса, F - частота следования импульсов. При типичных значениях j_m≈10³ А/мм², Δt≈10^-4 с, F=25 Гц (SU №393939 A, C22F 3/00, 25.10.1974), величина $$\langle j^2\rangle ~2,5\times {10}^3$$ А²/мм⁴ значительно (в 3-6 раз) больше квадрата плотности постоянного тока j²=400-900 А²/мм⁴.

Результат (2) обусловлен подавлением полос макролокализованной деформации, которые портят поверхность промышленных изделий (под покраску).

Результат (3) обусловлен тем, что полосы макролокализованной деформации, вызывающие механическую неустойчивость деформируемого сплава, вызывают преждевременную коррозию и внезапное разрушение сплавов системы Al-Mg, сокращая таким образом их долговечность. Подавление постоянным током низкой плотности полос макролокализованной деформации позволяет увеличить долговечность этих сплавов.

В основе предлагаемого способа лежит обнаруженный нами экспериментально эффект влияния электрического тока на кинетику пластической деформации, состоящий в подавлении скачкообразной деформации металла при пропускании тока через деформируемый образец. Скачкообразный характер деформационного поведения определяется, как известно, образованием в деформируемом материале зон локализации деформации (полос деформации, шеек - локализованных утонений образца и пр.). Такое поведение характерно для широкого круга конструкционных материалов (сплавы на основе Al-Mg, Al-Cu, Al-Li и др.), используемых в авиакосмической отрасли и автопроме.

Апробация способа проводилась на алюминий-магниевом сплаве АМг6, который демонстрирует в отсутствие тока прерывистое пластическое течение - эффект Портевена-Ле Шателье. В ходе нагружения через образец пропускали электрический ток от источника постоянного напряжения. Плотность тока варьировали от 5 до 30 А/мм².

Для охлаждения образца использовали вентилятор и массивные алюминиевые радиаторы, укрепленные на изолированных захватах испытательной машины. Температуру образца измеряли дистанционно с помощью цифрового инфракрасного пирометра Testo-845. Измерение температуры проводилось с локального участка площадью 1 мм² поверхности образца, покрытого черной краской.

На фиг.1 представлена диаграмма растяжения сплава АМг6 в испытательной машине MTS Landmark со скоростью $${\dot{\epsilon }}_0=3\times {10}^{-4}$$ c^-1. В средней части диаграммы, в которой происходит макроскопическая прерывистая деформация (с амплитудой скачков разгрузки Δσ≈15-20 МПа, Δt≈5-7 с) через деформируемый образец пропускали постоянный ток плотностью j=25 А/мм² в течение τ=300 с. После включения тока в течение времени τ₁<5 с наблюдается, как правило, единственный скачок, после чего следует монотонный, без скачков, участок диаграммы растяжения вплоть до момента выключения тока. После выключения тока прерывистая деформация сразу возобновляется, причем первый скачок стартует в течение времени τ₂<1 с после выключения тока.

Следует отметить, что в данных условиях теплоотвода и воздушного охлаждения образец нагревается током на 10-12°C (при j=25 А/мм²), а время тепловой стабилизации (т.е. время нагрева током или охлаждения после выключения тока) составляет t_T≈3-4 мин, что значительно больше характерных времен τ₁ и τ₂ переходных процессов, связанных с откликом материала на включение и выключение тока, т.е. (t_T~τ_i (i=1, 2)). Поэтому наблюдаемый эффект подавления постоянным током низкой плотности скачкообразной деформации Портевена-Ле Шателье не связан непосредственно с тепловым действием тока.

Природу скачкообразной деформации и связанной с ней макролокализации пластической деформации корректнее исследовать с использованием не жесткой, а «мягкой» деформационной машины, позволяющей производить растяжение с постоянной скоростью роста напряжения $${\dot{\sigma }}_0=const$$ , так как в этом случае именно деформация

ε(t) является измеряемой функцией отклика на развитие неустойчивого пластического течения (Шибков А.А., Золотов А.Е. Письма в ЖЭТФ. 2009. Т.90. С.412).

Постоянный электрический ток пропускали в течение всего времени нагружения с постоянной скоростью $${\dot{\sigma }}_0=const$$ до разрушения, а диаграмму растяжения на плоскости «σ-ε» сравнивали с диаграммой растяжения того же сплава без электротоковой обработки при одинаковой скорости нагружения и приблизительно одинаковой температуре образца.

Типичный пример сравнения таких диаграмм растяжения представлен на фиг.2. Видно, что пропускание постоянного тока с начальной плотностью j₀=25 А/мм² полностью «выглаживает» диаграмму растяжения: наблюдается лишь последний скачок, на фронте которого образец вязко разрушается (кривая 1). В ходе растяжения поперечное сечение образца уменьшается, а плотность тока соответственно увеличивается, что вызывает рост температуры образца (кривая 2). В заданных условиях теплоотвода и принудительного воздушного охлаждения температура образца постепенно повышается от 32°C в начале деформирования до 36°C перед образованием шейки и разрывом образца. В ходе образования шейки за 0.3 с до развития магистральной трещины температура образца в области шейки резко возрастает на 8-10°C (до 44-46°C). Если исключить стадию образования шейки и разрыв образца, сопровождаемый зажиганием электрической дуги, то средняя температура образца с током в течение всего времени деформирования составила 34°C. Для сравнения на рис.2 представлена типичная ступенчатая диаграмма растяжения сплава АМг6, деформированного без токовой обработки при температуре 34°C с той же скоростью $${\dot{\sigma }}_0=0,2МПа/с$$ . Она содержит обычно 9-10 ступеней, как и при комнатной температуре.

Как видно из фиг.2, нагружение образцов, обработанных и необработанных постоянным электрическим током низкой плотности, в одинаковых температурно-скоростных условиях вызывает совершенно различное деформационное поведение сплава АМг6: в отсутствие электротоковой обработки этот сплав демонстрирует неустойчивое, прерывистое течение, в то же время пропускание постоянного электрического тока низкой плотности (25 А/мм²) вызывает полное подавление макроскопических скачков пластической деформации, за исключением последнего скачка с разрывом образца. Важно отметить, что переход от прерывистого к монотонному пластическому течению с ростом начальной плотности тока j₀ происходит в сравнительно узком интервале от 17 до 19 А/мм² (при скорости нагружения $${\dot{\sigma }}_0=0,2МПа/с$$ и лабораторной температуре 22-23°C). В этом интервале плотности тока резко уменьшается количество скачков N (от 9-10 до одного - последнего с разрывом образца, фиг.3, кривая 1) и увеличивается значение первой критической деформации ε_с - деформации появления первого скачка - от 3 до 20% (фиг.3, кривая 2).

Таким образом, экспериментально установлено, что постоянный ток плотностью в интервале 20-30 А/мм² полностью подавляет прерывистую деформацию сплава АМг6. Установлено также, что пропускание постоянного тока такой плотности подавляет и полосы макролокализованной деформации. Скоростная видеосъемка показывает, что на всей гладкой кривой нагружения полосы действительно не наблюдаются, за исключением стадии предразрушения за ~0,3 с до развития магистральной трещины.

Важно отметить, что подавление постоянным электрическим током низкой плотности 20-30 А/мм² полосообразования и прерывистой деформации: 1) значительно снижает вероятность внезапного разрушения сплава АМг6, которое в отсутствие тока происходит по деформационной полосе, и таким образом увеличивает эксплуатационный ресурс; 2) не снижает прочности и пластичности этого сплава (фиг.2).

Явление подавления постоянным электрическим током прерывистой деформации можно объяснить на основе теории дислокаций. Дислокации - линейные дефекты кристаллической решетки металла - являются носителями пластической деформации. Одним из основных механизмов электропластического эффекта является механизм электронного ветра. Взаимодействие электронов проводимости металла с движущимися дислокациями проявляется: а) в увлечении дислокаций электронами, если дрейфовая скорость дислокаций υ=(1/ne)j превосходит скорость дислокаций υ_d; б) в электронном торможении дислокаций, если υ_d>υ (Кравченко В.Я. ЖЭТФ, 1966, т.51, с.1976), где n=3ρN_A/А, ρ - плотность металла, N_A - число Авогадро, А - массовое число. Для алюминия n=18,1×10²² см^-3. При плотностях тока j=20-30 А/мм², при которых наблюдается подавление прерывистой деформации, значение дрейфовой скорости находится в пределах от 0,7 до 3 мм/с.

Средняя скорость дислокаций при гомогенном течении определяется уравнением Орована $${\upsilon }_{\text{d}}=\dot{\epsilon }\text{/(b}{\rho }_{\text{m}}\text{)}$$ , где b=0,286 нм - величина вектора Бюргерса, $$\dot{\epsilon }$$ - скорость пластической деформации, ρ_m - плотность подвижных дислокаций, которая на начальных стадиях деформирования растет как ρ_m=(2n_jε/b)^1/2, где n_j≈d^-3 - плотность источников дислокаций, d - средний размер зерна поликристалла. Согласно экспериментальным данным, вблизи критической деформации появления первого скачка в отсутствие тока ε≈ε_с=3% получим при скорости пластической деформации $$\dot{\epsilon }=3\times {10}^{-4}{c}^{-1}$$ и среднем размере зерна в промышленном сплаве АМг6 d≈10 мкм среднюю скорость дислокации υ_d≈1,5 мкм/с. Далее с ростом деформации плотность подвижных дислокаций будет возрастать, а их скорость падать.

Высокоскоростные исследования динамики и морфологии полос макролокализованной деформации в сплаве АМг6 в отсутствие тока показали, что в данных температурно-скоростных условиях деформирования характерные скорости вершин полос с ростом деформации растут в пределах от 0,3-1 м/с на стадии формирования полосы Людерса, до ~10 м/с на стадии предразрушения, а скорости бокового роста полос ~1-10 см/с (Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е. ФТТ. 2011, т. 53, с.833; Криштал М.М., Хрусталев А.К., Волков А.В., Бородин С.А. Докл. РАН. 2009, т.426, с.36). Эти скорости распространения деформационных полос могут служить нижней оценкой скорости дислокаций в структуре полос в соответствующих направлениях.

Таким образом, на монотонных участках кривой нагружения скорость дислокаций меньше дрейфовой скорости электронов проводимости υ_d<υ, что должно приводить к увеличению подвижности дислокаций за счет эффекта электронного «ветра», а на фронте деформационных скачков υ_d>υ, что должно вызывать эффект электронного торможения дислокаций. В рамках традиционных представлений о природе электропластической деформации постоянный электрический ток должен сокращать большой разброс скоростей дислокаций, свойственных прерывистому течению (увеличивая скорость «медленных» дислокаций и вызывать торможение «быстрых» дислокаций) и способствовать, таким образом, более гомогенному пластическому течению.

Отметим, что при «обычной» электротоковой обработке через деформируемый металл пропускают короткие, длительностью обычно ~10^-4 с, импульсы тока большой плотности (10³-10⁴ А/мм²), которые стимулируют развитие деформационных скачков, причем длительность переднего фронта скачка разгрузки, 10^-2-10^-1 с, значительно превышает длительность импульса тока (Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов, Т.1, 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г.). В этих условиях импульсный ток является триггером развития деформационного скачка: он стимулирует срабатывание дислокационных источников и «не мешает» дальнейшему развитию дислокационной лавины. Можно предположить, что постоянный электрический ток увеличивает вероятности срабатывания дислокационных источников и открепления дислокаций от стопоров, но препятствует развитию больших дислокационных скоплений из-за сильного неравенства υ_d>>υ, подавляя тем самым зарождение и формирование полос макролокализованной деформации.

Способ обработки листовых заготовок из алюминиевых сплавов системы Al-Mg, включающий механическую обработку заготовки давлением с одновременным пропусканием через нее электрического тока, отличающийся тем, что через заготовку пропускают постоянный электрический ток плотностью 20-30 А/мм².