Способ пластической деформации металлов и сплавов

Изобретение относится к области пластической обработки металлов, таких как алюминий и его сплавы, и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для глубокого формования металлических материалов. Способ пластической деформации алюминия и его сплавов включает механическое нагружение при высокой температуре и ультразвуковом воздействии, причем ультразвуковое воздействие осуществляют в виде волнового пакета синхронно с естественным деформационным скачком при равных длительностях пакета ультразвуковых колебаний и естественного деформационного скачка. Изобретение направлено на повышение ресурса пластичности металла. 2 табл., 6 ил. 4 пр.

 

Изобретение относится к области пластической обработки металлов и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для глубокого формования металлических материалов.

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 10-108 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, 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.

Недостатки: результат снижения дефектов структуры деформируемого прокаткой металла, противоречит физике пластичности материалов, согласно которой пластическое поведение металлов осуществляется за счет скольжения дислокаций - линейных дефектов кристаллической решетки.

Задача изобретения - повышение ресурса пластичности металла при одновременном воздействии механического напряжения, температуры и ультразвуковых колебаний при пластическом деформировании.

Сущность изобретения

Способ пластической деформации металлов и сплавов в условиях механического нагружения, воздействия температуры и ультразвукового воздействия заключается в том, что ультразвуковое воздействие осуществляют синхронно с деформационными скачками, где длительность пакета ультразвуковых колебаний равна длительности деформационного скачка.

Поставленная задача достигается тем, что в ходе совместного воздействия на металл или сплав механического нагружения и температуры ультразвуковое воздействие осуществляется в виде волновых пакетов в определенные моменты времени, когда в деформируемом металле структурное состояние кристаллической среды переходит в слабоустойчивое, макроскопически характеризуемое как деформационный скачок. Синхронизация ультразвукового воздействия и деформационного скачка осуществляется синхроимпульсом, формируемым компьютером в ответ на единичный высокоамплитудный сигнал акустической эмиссии, сопровождающий скачкообразный деформационный акт в металле или сплаве.

Способ реализуется следующим образом.

1. Готовят металлические образцы в виде стержня, выполняющего роль волновода для передачи потока сигналов акустической эмиссии к пьзопреобразователю, с участком локализации деформации, которые будут подвергнуты высокотемпературному деформированию (растяжению, сдвигу и др.).

2. Размещают образцы для высокотемпературного механического и ультразвукового воздействия, нагружают, нагревают, регистрируя прирост деформации и акустическую эмиссию

3. В момент деформационного скачка компьютер фиксирует высокоамплитудный импульс акустической эмиссии и формирует синхроимпульс определенной амплитуды и длительности, который осуществляет запуск ультразвукового генератора и осуществляет ввод в деформируемый образец ультразвукового волнового пакета длительностью, равной длительности деформационного скачка.

4. Ультразвуковой пакет вводится в деформируемый образец с помощью волновода, объединенного с концентратором ультразвука магнитострикционного преобразователя.

Воздействие ультразвуком в момент естественного деформационного скачка, подготовленного воздействием механического напряжения и температуры, совместное действие которых переводит структуру материала в состояние аномальной пластичности, увеличивает ресурс аномальной пластичности деформируемого металла.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1

Металлический образец из алюминия 1 в виде стержня, соединенный с волноводом акустической эмиссии, помещают в устройство для термического и механического воздействия, фиг. 1. Образец 1 закрепляют в неподвижном захвате 2, нагружают с помощью подвижного захвата 3, нагревают элементом 4 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 аналого-цифровой преобразователь 6 и компьютер 7. По каналам II, III соответственно поступают данные о температуре и деформации также на аналого-цифровой преобразователь 6 и компьютер 7 для обработки и анализа данных.

При механическом напряжении 12 МПа, что ниже 0,5 предела текучести, и нагреве от комнатной температуры и до 650°С характер накопления деформации в алюминии монотонный (фиг. 2в). Монотонному накоплению деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (фиг. 2б) при увеличении температуры образца. Начало накопления деформации 200°С (фиг. 2а) лежит в низкотемпературной области (0,3Тпл) и заканчивается при температуре 650°С.

При возрастании механического напряжения в цикле до значений вблизи предела текучести (30 МПа) характер накопления деформации меняется. В высокотемпературной области наблюдаются деформационные скачки (фиг. 3в).

Скачкам деформации соответствуют высокоамплитудные импульсы среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (фиг. 3б). Монотонная область накопления деформации лежит в интервале температур (фиг. 3а) 150-600°С. Область скачкообразного накопления деформации лежит в температурном интервале 600-650°C. Величина общей накопленной деформации за цикл составила 1,8%, а общая величина деформационных скачков - 1,0%. В данном интервале нагрузок величина скачков увеличивается с ростом напряжения, а сами скачки смещаются в область высоких температур.

Таким образом, накопление деформации в этом интервале напряжений является квазипериодическим (монотонно - скачкообразным) процессом, а общее накопление деформации осуществляется за счет деформационных скачков.

Пример 2

Рассмотрим деформационное поведение образцов из алюминиево-магниевого сплава АМг6 на установке как в примере 1 в ходе нагружения при температуре 200°С. Как следует из приведенных на фиг. 4 данных, фактически монотонное и скачкообразное накопление деформации совпадают. Следует заметить, что монотонный прирост деформации до первого скачка составил примерно 2%. Как и в предыдущем примере деформационные скачки сопровождаются высокоамплитудными сигналами акустической эмиссии. Отметим, что в основном весь прирост деформации величиной около 18% осуществлен за счет макроскопических деформационных скачков.

Накопление деформации за счет макроскопических деформационных скачков, сопровождаемых единичными импульсами акустической эмиссии, является общим свойством всех пластически деформируемым металлов и сплавов. То есть при совместном действии механических напряжений и тепла (тепловых флуктуаций) естественным и типичным является эффект скачкообразной деформации, вносящий основной вклад в накопление деформации.

Пример 3

При промежуточном значении механического напряжения величиной 25 МПа на установке как в примере 1 характер накопления деформации в образце из алюминия имеет выраженный квазипериодический характер, когда макроскопические деформационные скачки с некоторой периодичностью перемежаются монотонными участками накопления деформации.

На фиг. 5 показан характер накопления деформации в алюминии при нагрузке 25 МПа и нагреве до 650°С. Из этих данных следует, что по мере повышения температуры амплитуда деформационных скачков возрастала от 0,25% до 1,0%, а длительность монотонных участков уменьшалась от 100 с до 25 с.

Так же как и в примере 1 и 2, монотонному и скачкообразному характеру накопления деформации соответствует монотонный и импульсный характер акустической эмиссии, а скачкам деформации - единичные импульсы. Следует отметить, что амплитуда среднеквадратичного напряжения импульса акустической эмиссии тем выше, чем выше величина деформационного скачка. Как следует из приведенных данных амплитуда импульса возрастала от 0,4 В до 1,5 В, что коррелирует с возрастанием величины деформационных скачков от 0,25% до 1,0%.

В этом цикле величина деформации, накопленной монотонным путем, составила 0,25, а величина деформации, накопленной за счет деформационных скачков, - 2,5%.

Таким образом, основной вклад в накопление деформации, на порядок превышающий вклад монотонной деформации, осуществляется за счет деформационных скачков.

Обобщенные данные по накоплению деформации и акустической эмиссии в алюминии представлены в таблице 1.

Переход от монотонного накопления деформации к скачкообразной деформации сопровождается трансформированием монотонной акустической эмиссии в единичные акустические сигналы большой амплитуды, коррелирующиеся деформационными скачками. Во всем диапазоне нагрузок накопление деформации за счет деформационных скачков значительно превосходит вклад за счет монотонной деформации.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что накопление деформации в условиях термического воздействия и статического механического напряжения выше 0,5 предела текучести осуществляется преимущественно скачкообразным путем. Такое состояние структуры материала в условиях действия механической нагрузки и температуры является естественным структурным состоянием деформируемого металла при высоких температурах, представляющего собой последовательность процессов разупрочнения и упрочнения. Разупрочнение деформируемого металла сопровождается аномально высокой пластичностью, реализуемой в условиях действия нагрузки и температуры в виде деформационного скачка.

Деформационные скачки сопровождаются единичными высокоамплитудными импульсами акустической эмиссии. Исходя из характера акустической эмиссии, коррелирующей с накоплением деформации (монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонная низкоамплитудная акустическая эмиссия, скачкообразному накоплению - высокоамплитудные импульсы), высокоамплитудные сигналы акустической эмиссии используются для повышения ресурса пластичности путем синхронизации деформационного скачка и ультразвукового воздействия, что позволяет в момент естественного деформационного скачка суммировать статические механические напряжения и динамические напряжения ультразвуковой волны.

Пример 4

Согласно примерам 1, 2 и 3 монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонная низкоамплитудная акустическая эмиссия, а скачкообразному накоплению - высокоамплитудные импульсы, рассмотрим схему активизации пластичности в ходе накопления деформации, используя высокоамплитудные сигналы акустической эмиссии для управления деформированием металлических материалов путем активизации деформационных скачков.

Активацию процесса накопления деформации осуществляют за счет формирования в деформируемом объекте ультразвукового поля стоячих волн. Как известно (аналог), типичным проявлением акустико-пластического эффекта является скачкообразное снижение механического напряжения в деформируемом образце. Скачкообразное снижение механического напряжения свидетельствует о том, что деформируемый металл в ультразвуковом поле перешел в состояние аномальной пластичности. Рассмотрим аналоги и прототип. При длительном облучении ультразвуком в поликристаллическом алюминии появляется большое количество призматических петель дислокаций, возникающих, как правило, при конденсации избыточных вакансий. При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и статических нагрузок и температуры в образце возрастает скорость установившейся ползучести. Однако высокая плотность вакансий (1020 вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм) приводит к разрушению материала. Разрушение образцов обусловлено интенсивным порообразованием по границам зерен.

Таким образом, длительное ультразвуковое воздействие приводит к охрупчиванию материала и его разрушению в связи с накоплением избыточной концентрации вакансий и их конденсацией в виде макроскопических пор преимущественно по границам зерен. Отсюда следует вывод, что ультразвуковое воздействие при одновременном механическом нагружении и при высоких температурах необходимо ограничить во времени.

Как следует из примеров 1, 2 и 3, это время «ультразвукового молчания» равно периоду квазипериодического процесса скачкообразного и монотонного накопления деформации, точнее времени протекания монотонного накопления деформации, разделяющего два смежных деформационных скачка. Именно деформационный скачок характеризует естественную аномальную пластичность деформируемого материала в условиях механического нагружения и действия высоких температур.

В табл. 2 приведены данные по временным интервалам, разделяющим соседние деформационные скачки на фиг. 4.

Если в момент естественного деформационного скачка (деформационный скачок, активируемый совместным действием механических напряжений и тепловых флуктуаций в образце при высоких температурах) воздействуют ультразвуковой энергией (колебательной энергией), то аномальная пластичность дополнительно возрастет в связи с суммированием естественной пластичности и пластичности, добавленной ультразвуком. Не исключено, что аномальная пластичность приобретет глобальный характер, то есть охватит весь макроскопический объем деформируемого материала и все макроскопическое время процесса деформирования материала.

На фиг. 6 представлена схема установки по синхронизации процесса ультразвукового воздействия и деформационного скачка в образце из алюминия в условиях механического нагружения и действия высоких температур. Высокоамплитудный импульс акустической эмиссии, распространяясь от образца из алюминия по волноводу 1, преобразуется в электрический сигнал с помощью пьезопреобразователя 5, усиливается и поступает по каналу I в аналого-цифровой преобразователь 9 и обрабатывается компьютером 10, формирующим синхроимпульс. Туда же (компьютер 10) по каналам II, III поступает информация о температуре и деформации.

Синхроимпульс, формируемый компьютером в ответ на импульс акустической эмиссии, по каналу IV запускает генератор ультразвуковых колебаний 8, который продуцирует ультразвуковой волновой пакет ровно столько времени, сколько длится деформационный скачок.

Результат: Поставленная задача достигается тем, что в ходе совместного воздействия на металл или сплав механического нагружения и температуры ультразвуковое воздействие осуществляется в виде волновых пакетов в определенные моменты времени, когда в деформируемом металле структурное состояние кристаллической среды переходит в слабоустойчивое, макроскопически характеризуемое как деформационный скачок.

Характер накопления деформации и среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии в алюминии в неизотермических циклах. Деформация кручением.

Временные характеристики квазиперодического скачкообразного и монотонного процесса накопления деформации.

Способ пластической деформации алюминия и его сплавов, включающий механическое нагружение при высокой температуре и ультразвуковом воздействии, отличающийся тем, что ультразвуковое воздействие осуществляют в виде волнового пакета синхронно с естественным деформационным скачком при равных длительностях пакета ультразвуковых колебаний и естественного деформационного скачка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам создания острой кубической текстуры в железоникелевых сплавах, и может быть использовано для создания магнитопроводов в электротехнических устройствах, а также в качестве лент-подложек при получении многослойных ленточных сверхпроводников второго поколения.

Изобретение относится к деформационнотермической обработке сплава TiNiTa с эффектом памяти формы и может быть использовано в медицине при изготовлении стентов. Способ получения наноструктурной проволоки из сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы включает термомеханическую обработку заготовки, сочетающую интенсивную пластическую деформацию и дорекристаллизационный отжиг.
Изобретение относится к способу получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава, включающему постепенную плавку части пластины из алюминиевого сплава под воздействием источника тепла с использованием водорода в качестве порообразующего газа и постепенное отверждение металла.

Изобретение относится к способу изготовления алюминиевой фольги, а также алюминиевой фольге, снабженной интегрированными защитными элементами, и может быть использовано для упаковки медицинской продукции для защиты ее от подделки.

Изобретение относится к получению метаматериалов из структурных элементов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и может быть использовано в машиностроении и электронике в качестве материалов с улучшенными свойствами.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке титановых сплавов. Способ термической обработки изделия из деформируемого сплава ВТ23 характеризуется тем, что изделие нагревают до 850°С, выдерживают 1 ч, охлаждают в воде и подвергают старению при температуре 550°С в течение 10 ч.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке титановых сплавов. Способ термической обработки изделий из титанового сплава ВТ16 включает закалку путем нагрева до температуры 790-830°C, выдержки и охлаждения в воде.
Изобретение предназначено для получения сплава для аккумуляторов водорода и может быть использовано при производстве энергетических машин и в автомобилестроении.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов и металлических сплавов, например, резанием.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии обработки материалов, и может быть использовано в технологических процессах упрочняющей обработки аморфных металлических сплавов различного назначения.

Изобретение относится к алюминиевому сплаву для изготовления полуфабрикатов или деталей автомобилей, в котором легирующие компоненты алюминиевого сплава имеют следующее содержание в мас.%: Fe≤0,80, Si≤0,50, 0,90≤Mn≤1,50, Mg≤0,25, Cu≤0,125, Cr≤0,05, Ti≤0,05, V≤0,05, Zr≤0,05, остальное - алюминий и неизбежные примесные элементы, отдельно взятые <0,05, в сумме <0,15, и общее содержание Mg и Cu удовлетворяет соотношению в мас.%: 0,15≤Mg+Cu≤0,25, при этом содержание Mg в алюминиевом сплаве больше, чем содержание Cu.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения листов из алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-марганец, применяемых для изготовления ряда ответственных конструкций в судостроении, авиационной и ракетной промышленности, в вагоностроении для скоростных поездов, а также для изготовления корпусов автомобилей.

Изобретение относится к получению AlMn-ленты или листа для производства компонентов высокотемпературной пайкой, а также к изделиям, полученным упомянутым способом, и может быт использовано, в частности, для получения материалов тонкой толщины с оребрением, используемых в теплообменниках.

Изобретение относится к способу изготовления алюминиевой детали с конверсионным покрытием и установке для осуществления данного способа. Формируют деталь из заготовки, имеющей нанесенные на ее поверхность тонкопленочный слой предварительной обработки и покрытие-смазку, наносят клей поверх тонкопленочного слоя предварительной обработки и покрытия-смазки на соединительный участок детали, наносят очиститель на участки детали для удаления упомянутого слоя предварительной обработки и покрытия-смазки с ее поверхности, кроме соединительного участка детали с нанесенным клеем, а затем наносят на деталь конверсионное покрытие путем погружения в ванну.

Изобретение относится к способу термической обработки алюминиевой заготовки и может быть использовано для изготовления конструкционных компонентов. Способ термической обработки алюминиевой заготовки (304, 404, 504, 604, 710, 802) в структурном состоянии Т4 включает проведение на первом участке (328, 422, 522, 626, 720) заготовки (304, 404, 504, 604, 710, 802) первого процесса дисперсионного твердения посредством искусственного старения для изменения структурного состояния первого участка (328, 422, 522, 626, 720) заготовки, причем в течение первого процесса дисперсионного твердения осуществляют активное охлаждение таким образом, что температура второго участка (330, 424, 524, 628, 722) заготовки, отделенного от первого участка заготовки охлаждаемой частью, поддерживается ниже температуры искусственного старения для сохранения неизменным структурного состояния второго участка заготовки.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом и высокой прочностью.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом и высокой прочностью.

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.

Изобретение относится к области металлургии высокопрочных материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок, таких как детали летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, детали спортинвентаря и др.
Изобретение относится к способу получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава, включающему постепенную плавку части пластины из алюминиевого сплава под воздействием источника тепла с использованием водорода в качестве порообразующего газа и постепенное отверждение металла.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термомеханической обработки алюминиевого сплава с содержанием магния не более 6 вес.% для изготовления деформированных полуфабрикатов и легковесных изделий из него, предназначенных для использования в авиакосмической, судостроительной и автомобильной отраслях промышленности. Способ получения заготовок из высокопрочного и коррозионно-стойкого алюминиево-магниевого сплава с содержанием магния не более 6 вес.% включает литье сплава и термомеханическую обработку отливок с получением заготовок. Термомеханическую обработку отливок проводят путем прокатки со скоростью 0,4 мм/с при комнатной температуре до достижения в полученных заготовках общей истинной степени деформации е=1,3, а затем путем отжига при температуре 300-325°С в течение 30 мин обеспечивают формирование однородной структуры заготовок со средним размера зерна 0,4-0,5 мкм. Повышаются прочность и коррозионная стойкость. 2 з.п. ф-лы, 2 пр.

Изобретение относится к области пластической обработки металлов, таких как алюминий и его сплавы, и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для глубокого формования металлических материалов. Способ пластической деформации алюминия и его сплавов включает механическое нагружение при высокой температуре и ультразвуковом воздействии, причем ультразвуковое воздействие осуществляют в виде волнового пакета синхронно с естественным деформационным скачком при равных длительностях пакета ультразвуковых колебаний и естественного деформационного скачка. Изобретение направлено на повышение ресурса пластичности металла. 2 табл., 6 ил. 4 пр.

Наверх