УДК 539.52

DOI 10.24411/1683-805X-2019-12001

 

Для развития технологий изготовления металлических деталей сложной формы перспективным представляется использование режимов сверхпластического деформирования, предоставляющего возможность получения деталей без сварных швов, снижения числа технологических операций, проведения процесса формовки при малых усилиях с уменьшением износа инструментов. Для установления рациональных режимов обработки эффективным является применение математических моделей, центральным элементом которых являются определяющие соотношения. Однако описание даже простейшего (одноосного) испытания с выходом в режим сверхпластичности связано со значительными трудностями в силу сложного сценария реализации процесса деформирования. В материале действуют и оказывают взаимное влияние несколько физических механизмов, меняется их роль, существенным образом эволюционирует структура материала. Аналогичная ситуация характерна и для технологических процессов, базирующихся на использовании сверхпластичности. Поэтому для совершенствования технологий требуются математические модели материалов, позволяющие описывать изменение структуры и зависящих от ее состояния физико-механических свойств. Наиболее перспективным для решения указанной задачи представляется многоуровневый подход, базирующийся на введении внутренних переменных, физических теориях пластичности, явном описании структуры материала и физических механизмов деформирования. Предложена многоуровневая модель для описания поведения поликристаллических металлов и сплавов, учитывающая ключевые механизмы пластического и сверхпластического деформирования: внутризеренное дислокационное скольжение, развороты кристаллических решеток зерен, изменение зеренной структуры. Особое внимание уделено описанию зернограничного скольжения, лидирующего при сверхпластическом деформировании и переходе к нему, и сопровождающих его аккомодационных механизмов - зернограничной диффузии и динамической рекристаллизации. При описании зернограничного скольжения явно рассматриваются вязкопластические сдвиги по границам кристаллитов, подмодель выделяется в отдельный структурный уровень. В модели учитывается взаимодействие механизмов зернограничного и внутризеренного скольжения: приток внутризеренных дислокаций в границу делает ее более дефектной (неравновесной), повышает энергию границы и способствует зернограничному скольжению. Реализация зернограничного скольжения приводит к уменьшению дефектов в границе и, как следствие, снижению сопротивления внутризеренному скольжению. Полученные результаты численных экспериментов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, что позволяет считать предложенную многоуровневую модель перспективной для описания различных режимов неупругого деформирования и переходов между ними.

Ключевые слова: многоуровневая модель для описания деформирования металлов и сплавов, структурная сверхпластичность, эволюция структуры, физические механизмы деформирования, зернограничное скольжение

Multilevel model for the description of plastic and superplastic deformation of polycrystalline materials

Superplastic deformation regimes seem promising for the manufacturing of complex-shaped metal parts and components. Such conditions make it possible to produce parts without welds, reduce the number of technological operations and forces involved in the forming process, thus decreasing tool wear. Optimal processing modes can be determined using mathematical models based on constitutive equations. However, there are serious difficulties in describing even the simplest uniaxial testing with the achievement of superplasticity due to a high complexity of the deformation scenario, in which several physical mechanisms act and influence each other, their role changes, and the material structure evolves significantly. A similar situation is observed in technological processes based on the use of superplasticity. Therefore, in order to improve technologies, mathematical models of material deformation must be able to describe changes in the structure and structure-dependent physicomechanical properties. The most promising approach to solving this problem is a multilevel crystal plasticity approach based on the introduction of internal variables and an explicit description of the material structure and physical deformation mechanisms. Here we propose a multilevel model for describing the behavior of polycrystalline metals and alloys, with account for key plastic and superplastic deformation mechanisms, such as intragranular dislocation slip, crystal lattice rotation, and changes in the grain structure. Special attention is paid to the description of grain boundary sliding, which is the leading mechanism in superplastic deformation, and accompanying accommodation mechanisms, such as grain boundary diffusion and dynamic recrystallization. When describing grain boundary sliding, viscous-to-plastic transitions along crystallite boundaries are considered explicitly, and the submodel is attributed to a separate structural level. The model takes into account the interaction between grain boundary sliding and intragranular slip. The influx of intragranular dislocations into the boundary increases the amount of defects in it (making it nonequilibrium), increases the boundary energy, and promotes grain boundary sliding. On the other hand, grain boundary sliding leads to a decrease in the amount of grain boundary defects and hence in resistance to intragranular slip. The results of numerical experiments agree well with the experimental data, showing that the proposed multilevel model is suitable for describing various inelastic deformation modes and transitions between them.

Keywords: multilevel model for deformation description in metals and alloys, structural superplasticity, structure evolution, physical deformation mechanisms, grain boundary sliding

 

 

 

П.В. Трусов, Э.Р. Шарифуллина, А.И. Швейкин  Многоуровневая модель для описания пластического и сверхпластического деформирования поликристаллических материалов // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 2. - С. 5-23