МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО СЖАТИЯ АМКМ В95/10% SIC В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Крючков, Д.И.; Нестеренко, А.В.; Залазинский, А.Г.

doi:10.15593/perm.mech/2023.4.07

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО СЖАТИЯ АМКМ В95/10% SIC В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Д.И. Крючков, А.В. Нестеренко, А.Г. Залазинский

Сведения об авторах

Д.И. Крючков
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Российская Федерация
А.В. Нестеренко
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Российская Федерация
А.Г. Залазинский
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Российская Федерация

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.4.07

Для получения изделий из алюмоматричных композиционных материалов (АМКМ) с требуемым уровнем механических свойств необходима обработка посредством интенсивной деформации. Для моделирования деформационного поведения в нестационарных условиях термодеформационной обработки идентификация модели АМКМ остается актуальной задачей. Один из подходов к описанию текучести материала это использование модели Г.Р. Джонсона и В. Кука. В предлагаемой работе объектом исследования является АМКМ, изготовленный из гранулированного высокопрочного алюминиевого сплава В95 системы Al–Zn–Mg–Cu, армированный 10 % по массе частицами SiC. Целью работы является определение влияния нестационарных термомеханических (давление на заготовку и температура нагрева) условий деформирования на истинную деформацию и скорость деформации композитного материала, а также идентификация модели материала и проверка возможности ее применения для исследования процессов формоизменения в исследуемом диапазоне давлений и температур. Проведено экспериментальное исследование процесса осадки при одноосном сжатии спечённых цилиндрических образцов АМКМ в диапазоне начальных давлений 5,65–7,81 МПа при нагреве до 510, 530 и 550°С. В данном диапазоне получены зависимости степени деформации и средней за процесс скорости деформации. Осуществлена идентификация реологической модели материала. Предложен режим предварительной термомеханической обработки и изготовлен опытный образец. Приведенный режим обеспечил относительно равномерное заполнение композитным материалом полостей штампа. Для подтверждения возможности применения результатов параметрической идентификации модели материала осуществлено имитационное моделирование технологического процесса изготовления опытного образца.

Ключевые слова

композиционный материалалюминийSiCмоделированиенестационарные условиятемпературадеформирование.

Литература

1.Исследование структуры и свойств металлического композиционного материала системы Al-Zn-Mg-Cu/SiC / Е.И. Курбаткина, Д.В. Косолапов, А.В. Гололобов, А.А. Шавнев // Цветные металлы. – 2019. – № 1. – С. 40–45. DOI: 10.17580/tsm.2019.01.06 Scholar
2.Čadek J., Kuchařova K., Zhu S.J. High temperature creep behaviour of an Al–8.5Fe–1.3V–1.7Si alloy reinforced with silicon carbide particulates // Mater. Sci. Eng. A. – 2000. – Vol. 283, № 1–2. – P. 172–180. Scholar
3.Ma Z.Y., Tjong S.C. High-temperature creep behaviour of SiC particulate reinforced Al–Fe–V–Si alloy composite // Mater. Sci. Eng. A. – 2000. – Vol. 278, № 1–2. – P. 5–15. Scholar
4.Phase Stability and Interface Reactions in the Al-SiC System / D. Lee, M.D. Vaudin, C.A. Handewerker, U.R. Katter // Mater. Res. Symp. Proc. – 1988. – Vol. 120. – P. 357–365. Scholar
5.Пугачева Н.Б., Мичуров Н.С., Быкова Т.М. Структура и свойства композиционного материала Al/SiC // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117, № 6. – С. 654. DOI: 10.7868/S0015323016060115 Scholar
6.Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 2001. – 416 с. Scholar
7.Влияние всесторонней ковки в условиях кратковременной ползучести на структуру и механические свойства алюмоматричного композита Al7075/10SiCp / Д.И. Крючков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2021. – Т. 122, № 10. – С. 1054–1064. DOI: 10.31857/S0015320211000065 Scholar
8.Shen Q., Lee T.C., Lau W.S. A finite-element analysis of temperature distributions in spade drilling // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 66, № 1–3. – P. 76–84. Scholar
9.Investigation of compression of SiCw/6061Al composites around the solidus of the matrix alloy / G.S. Wang, L. Geng, Z.Z. Zheng, D.Z. Wang, C.K. Yao // Materials Chemistry and Physics. – 2001. – Vol. 70, № 2. – P. 164–167. DOI: 10.1016/S0254-0584(00)00487-9. Scholar
10.Sun W., Duan C., Yin W. Development of a dynamic constitutive model with particle damage and thermal softening for Al/SiCp composites // Composite Structures. – 2020. – Vol. 236. – P. 111856. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.111856 Scholar
11.Constitutive flow behavior and hot workability of powder metallurgy processed 20 vol.%SiCP/2024Al composite / J.C. Shao, B.L. Xiao, Q.Z. Wang, Z.Y. Ma, Y. Liu, K. Yang // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527, № 29– 30. – C. 7865–7872. DOI: 10.1016/j.msea.2010.08.080 Scholar
12.Hot deformation behaviors of 35% SiCp/2024Al metal matrix composites / S.M. Hao, J.P. Xie, A.Q. Wang, W.Y. Wang, J.W. Li, H.L. Sun // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2014. – Vol. 24, № 8. – P. 2468–2474. DOI: 10.1016/S1003-6326(14)63372-0 Scholar
13.Constitutive flow behavior and microstructural evolution of 17 vol% SiCp/7055Al composite during compression at elevated temperature / B. Tang, Wang H., Jin P., X. Jiang // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, № 3. – P. 6386–6396. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.04.010 Scholar
14.Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation // Acta Mater. – 1966. – Vol. 14. – P. 1136–1138. DOI: 10.1016/0001-6160(66)90207-0 Scholar
15.Constitutive flow behaviour and finite element simulation of hot rolling of SiCp/2009Al composite / L. Zhou, Z.Y. Huang, C.Z. Wang, X.X. Zhang, B.L.Xiao, Z.Y. Ma // Mechanics of Materials. – 2016. – Vol. 93. – P. 32–42. DOI: 10.1016/j.mechmat.2015.10.010 Scholar
16.Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proc. 7th Int. Symp. on BuNistics. – Netherlands, 1983. – P. 541–547 Scholar
17.Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures // Engng Fract. Mech. – 1985. – Vol. 21, № 1. – P. 31–48. Scholar
18.Simulation of anisotropic load transfer and stress distribution in sicip/Al composites subjected to tensile loading / J.F. Zhang, X.X. Zhang, Q.Z. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Mechanics of Materials. – 2018. – Vol. 122. – P. 96–103. DOI: 10.1016/j.mechmat.2018.04.011. Scholar
19.Three-dimensional multi-particle FE model and effects of interface damage, particle size and morphology on tensile behavior of particle reinforced composites / L. Weng, T. Fan, M. Wen, Y. Shen // Composite Structures. – 2019. – Vol. 209. – P. 590–605. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.11.008 Scholar
20.A Computational Model of V95/sicp (7075/ Sicp) Aluminum Matrix Composite Applied to Stress-Strain State Simulation under Tensile, Compressive and Shear Loading Conditions / S.V. Smirnov, A.V. Konovalov, M.V. Myasnikova, Yu.V. Khalevitsky, A.S. Smirnov, A.S. Igumnov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 6. – P. 16–27. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.016-027 Scholar
21.Simulations of deformation and damage processes of SiCp/Al composites during tension / J.F. Zhang, X.X. Zhang, Q.Z. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Journal of Materials Science & Technology. – 2018. – Vol. 34, iss. 4. – P. 627–634. DOI: 10.1016/j.jmst.2017.09.005 Scholar
22.3D Microstructure-based finite element modeling of deformation and fracture of SiCp/Al composites / J. Zhang, Q. Ouyang, Q. Guo, Z. Li, G. Fan, Y. Su, L. Jiang, E.J. Lavernia, J.M. Schoenung, D. Zhang // Composites Science and Technology. – 2016. – Vol. 123. – P. 1–9. DOI: 10.1016/j.compscitech.2015.11.014 Scholar
23.Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites / Y. Su, Q. Ouyang, W. Zhang, Z. Li, Q. Guo, G. Fan, D. Zhang // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 597. – P. 359–369. DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.024 Scholar
24.Смирнов А.С., Коновалов А.В. Моделирование реологического поведения и формирования микроструктуры металломатричных композитов системы Al-SIC в условиях высоких температур деформаций // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. – Уфа, 2019. – С. 1458–1460. Scholar
25.Using the Instrumented Indentation Technique to Determine Damage in Sintered Metal Matrix Composites after High-Temperature Deformation / A.S. Smirnov, E. Smirnova, A. Konovalov, V. Kanakin // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11(22). – 10590. DOI: 10.3390/app112210590 Scholar
26.Структура и теплофизические свойства алюмоматричных композитов / Н.Б. Пугачева, Н.С. Мичуров, Е.И. Сенаева, Т.М. Быкова // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117. – С. 1188–1195. Scholar
27.Effect of Heat Treatment on the Structure and Phase Composition of Aluminum Matrix Composites Containing Silicon Carbide / N.B. Pugacheva, I.Yu. Malygina, N.S. Michurov, E.I. Senaeva, N.P. Antenorova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 6. – P. 28-36. DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036 Scholar
28.Исследование кратковременной высокотемпературной ползучести алюмоматричного композита Al-6Zn-2.5Mg- 2Cu/10SiCp / Н.Б. Пугачева [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 2021. – Т. 122, № 8. – С. 838–844. DOI: 10.31857/S0015323021080118 Scholar
29.Smirnov A.S., Konovalov A.V., Muizemnek O.Y. Simulating the rheological behaviour of an AlMg6/10% SiC metal matrix composite under high-temperature deformation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020. – Vol. 709, № 3. – P. 033114. DOI: 10.1088/1757-899X/709/3/033114 Scholar
30.Журавлев В.Ф. 500 лет истории закона сухого трения // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Естественные науки. – 2014. – № 2(53). – С. 21–31. Scholar
31.Экспериментальное исследование кратковременной неустановившейся ползучести алюмоматричного композита в условиях одноосного сжатия / С.В. Смирнов [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – № 4. – С. 98–105. Scholar

1.Kurbatkina E.I., Kosolapov D.V., Gololobov A.V. Shavnev A.A., Issledovaniye struktury i svoystv metallicheskogo kompozitsionnogo materiala sistemy Al-Zn-Mg-Cu/SiC [Study of the structure and properties of a metal composite material of the Al-Zn-Mg-Cu/SiC system]. Tsvetnyye metally, 2019, №1, pp.40-45. Scholar
2.Čadek J., Kuchařova K., Zhu S.J. High temperature creep behaviour of an Al–8.5Fe–1.3V–1.7Si alloy reinforced with silicon carbide particulates. Mater. Sci. Eng. A, 2000, Vol. 283, No 1-2, pp. 172-180. Scholar
3.Ma Z.Y., Tjong S.C. High-temperature creep behaviour of SiC particulate reinforced Al–Fe–V–Si alloy composite. Mater. Sci. Eng. A, 2000, Vol. 278, No 1-2, P. 5-15. Scholar
4.Lee D., Vaudin M.D., Handewerker C.A., Katter U.R. Phase Stability and Interface Reactions in the Al-SiC System. Mater. Res. Symp. Proc., 1988. Vol. 120, pp. 357-365. Scholar
5.Pugacheva, N. B., Michurov, N. S., Bykova, T. M. Structure and properties of the Al/SiC composite material. The Physics of Metals and Metallography, 2016, Vol. 117, No 6, pp. 634-640. Scholar
6.Kolachev B.A., Yelagin V.I., Livanov V.A. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov [Metal science and heat treatment of non-ferrous metals and alloys]. Moscow, MISIS, 2001, 416 p. Scholar
7.Kryuchkov, D.I., Nesterenko, A.V., Smirnov, S.V., Pugacheva, N.B., Vichuzhanin, D.I., & Bykova, T.M. Influence of All-Round Forging under Short-Term Creep Conditions on the Structure and Mechanical Properties of the Al7075/10SiCp Composite with an Aluminum Matrix. Physics of Metals and Metallography, 2021, Vol. 122, No 10, pp. 981-990, doi: 10.1134/S0031918X21100069 Scholar
8.Shen Q., Lee T.C, Lau W.S. A finite-element analysis of temperature distributions in spade drilling. Journal of Materials Processing Technology, 1997, Vol 66, No 1-3, pp.76-84. Scholar
9.Wang G.S., Geng L., Zheng Z.Z., Wang D.Z., Yao C.K. Investigation of compression of SiCw/6061Al composites around the solidus of the matrix alloy. Materials Chemistry and Physics, 2001, Vol. 70, No 2, pp. 164-167, doi: 10.1016/S0254-0584(00)00487-9. Scholar
10.Sun W., Duan C., Yin W. Development of a dynamic constitutive model with particle damage and thermal softening for Al/SiCp composites. Composite Structures, 2020, Vol. 236, No 111856, doi: 10.1016/j.compstruct.2020.111856 Scholar
11.Shao, J. C., Xiao, B. L., Wang, Q. Z., Ma, Z. Y., Liu, Y., Yang, K. Constitutive flow behavior and hot workability of powder metallurgy processed 20 vol.%SiCP/2024Al composite. Materials Science and Engineering: A, 2010, Vol. 527, No. 29-30, pp. 7865-7872, doi:10.1016/j.msea.2010.08.080 Scholar
12.Hao, S. M., Xie, J. P., Wang, A. Q., Wang, W. Y., Li, J. W., & Sun, H. L. Hot deformation behaviors of 35% SiCp/2024Al metal matrix composites. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, Vol. 24, No 8, pp. 2468-2474, doi: 10.1016/S1003-6326(14)63372-0 Scholar
13.Tang, B., Wang, H., Jin, P., Jiang, X. Constitutive flow behavior and microstructural evolution of 17 vol% SiCp/7055Al composite during compression at elevated temperature. Journal of Materials Research and Technology, 2020, Vol. 9, No 3, pp. 6386-6396, doi: 10.1016/j.jmrt.2020.04.010 Scholar
14.Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation. Acta Mater., 1966, Vol. 14, pp.1136-1138, doi: 10.1016/0001-6160(66)90207-0 Scholar
15.Zhou L., Huang Z.Y., Wang C.Z., Zhang X.X., Xiao B.L., Ma Z.Y. Constitutive flow behaviour and finite element simulation of hot rolling of SiCp/2009Al composite. Mechanics of Materials, 2016, Vol. 93, pp. 32-42, doi: 10.1016/j.mechmat.2015.10.010. Scholar
16.Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures. Proc. 7th Int. Symp. on BuNistics. Netherlands, 1983, pp. 541-547 Scholar
17.Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures. Engng Fract. Mech., 1985, Vol. 21, No 1, pp. 31-48. Scholar
18.Zhang J.F., Zhang X.X., Wang Q.Z., Xiao B.L., Ma Z.Y. Simulation of anisotropic load transfer and stress distribution in sicp/Al composites subjected to tensile loading. Mechanics of Materials, 2018, Vol. 122, pp. 96-103, doi: 10.1016/j.mechmat.2018.04.011. Scholar
19.Weng L., Fan T., Wen M., Shen Y. Three-dimensional multi-particle FE model and effects of interface damage, particle size and morphology on tensile behavior of particle reinforced composites. Composite Structures, 2019, Vol. 209, pp. 590-605, doi: 10.1016/j.compstruct.2018.11.008. Scholar
20.Smirnov S.V., Konovalov A.V., Myasnikova M.V., Khalevitsky Yu.V., Smirnov A.S., Igumnov A.S. A Computational Model of V95/sicp (7075/ Sicp) Aluminum Matrix Composite Applied to Stress-Strain State Simulation under Tensile, Compressive and Shear Loading Conditions. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2017, Iss. 6, pp. 16-27, doi: 10.17804/2410-9908.2017.6.016-027 (http://dream-journal.org/ issues/2017-6/2017-6_133.html) Scholar
21.Zhang J.F., Zhang X.X., Wang Q.Z., Xiao B.L., Ma Z.Y. Simulations of deformation and damage processes of SiCp/Al composites during tension. Journal of Materials Science & Technology, 2018, Vol. 34, Iss. 4, pp. 627-634, doi: 10.1016/j.jmst.2017.09.005. Scholar
22.Zhang J., Ouyang Q., Guo Q., Li Z., Fan G., Su Y., Jiang L., Lavernia E.J., Schoenung J.M., Zhang D. 3D Microstructure-based finite element modeling of deformation and fracture of SiCp/Al composites. Composites Science and Technology, 2016, Vol. 123, pp. 1-9, doi: 10.1016/j.compscitech.2015.11.014. Scholar
23.Su Y., Ouyang Q., Zhang W., Li Z., Guo Q., Fan G., Zhang D. Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A., 2014, Vol. 597, pp. 359-369, doi: 10.1016/j.msea.2014.01.024 Scholar
24.Smirnov A.S., Konovalov A.V. Modelirovanie reologicheskogo povedenii i formirovaniia mikrostruktury metallomatrichnykh kompozitov sistemy Al-SIC v usloviiakh vysokikh temperatur deformatsii [Modeling of rheological behavior and microstructure formation of metal matrix composites of the Al-SIC system under high deformation temperatures]. XII Vserossiiskii s"ezd po fundamental'nym problemam teoreticheskoi i prikladnoi mekhaniki (XII All-Russian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics). Ufa, 2019, pp. 1458-1460 Scholar
25.Smirnov A.S., Smirnova E., Konovalov A, Kanakin V. Using the Instrumented Indentation Technique to Determine Damage in Sintered Metal Matrix Composites after High-Temperature Deformation. Applied Sciences, 2021, 11(22), 10590, https://doi.org/10.3390/app112210590 Scholar
26.Pugacheva N.B., Michurov N.S., Senaeva E.I., Bykova T.M. Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites. The Physics of Metals and Metallography, 2016, Vol. 117, No 11. pp. 1144-1151. Scholar
27.Pugacheva N.B., Malygina I.Yu., Michurov N.S., Senaeva E.I., Antenorova N.P. Effect of Heat Treatment on the Structure and Phase Composition of Aluminum Matrix Composites Containing Silicon Carbide. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2017, Iss. 6, pp. 28-36, doi: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036. (http://dream-journal.org/ issues/2017-6/2017-6_161.html) Scholar
28.Pugacheva N.B., Kryuchkov D.I., Nesterenko A.V., Smirnov S.V., Shveikin V.P. Studying the Short-Term High-Temperature Creep in the Al-6Zn-2.5Mg-2Cu/10SiCp Aluminum Matrix Composite. The Physics of Metals and Metallography, 2021, Vol. 122, No 8, pp. 782-788, doi: 10.1134/S0031918X21080111. Scholar
29.Smirnov A.S., Konovalov A.V., Muizemnek O.Y. Simulating the rheological behaviour of an AlMg6/10% SiC metal matrix composite under high-temperature deformation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, Vol. 709. No 3. – P. 033114, doi: 10.1088/1757-899X/709/3/033114 Scholar
30.Zhuravlev V. F. 500 let istorii zakona sukhogo treniya [500 years of history of the dry friction law]. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences, 2014, no. 2(53), pp. 21-31. Scholar
31.Smirnov S.V., Kryuchkov D.I., Nesterenko A.V., Berezin I.M., Vichuzhanin D.I. Experimental study of short-term transient creep of the Al/SiC metal-matrix composite under uniaxial compression. PNRPU Mechanics Bulletin, 2018, no. 4, pp. 98-105. doi: 10.15593/perm.mech/2018.4.09 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 4, 2023)

Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована: 05.10.2023
В выпуске: 05.10.2023
Выпуск: № 4 (2023)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО СЖАТИЯ АМКМ В95/10% SIC В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Ключевые слова

MODELING OF AXIAL COMPRESSION OF V95/10% SiC ALUMINUM MATRIX COMPOSITE UNDER NON-STATIONARY THERMOMECHANICAL CONDITIONS

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕВОГО СЖАТИЯ АМКМ В95/10% SIC В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Ключевые слова

MODELING OF AXIAL COMPRESSION OF V95/10% SiC ALUMINUM MATRIX COMPOSITE UNDER NON-STATIONARY THERMOMECHANICAL CONDITIONS

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье