ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ МОДЕЛИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ ПОРОШКА СПЛАВА ВТ-22

Предложен расчетно-экспериментальный способ определения модели среды для описания механических свойств частиц порошка из высокопрочного титанового сплава ВТ-22, полученного распылением плазмой в струе инертного газа. Метод основан на косвенном определении диаграммы деформационного упрочнения σs ~ ε (зависимость сопротивления деформации от степени пластической деформации). Для натурных испытаний подготовлен образец, представляющий шлиф из залитых в специальную смолу частиц порошка. Приведены результаты вдавливания индентора Виккерса в частицы порошка ВТ-22 и данные компьютерного моделирования этого процесса методом конечных элементов. Среднее значение максимальной глубины индентирования составило hmax = 6,56 мкм при наибольшей величине нагружения 2 Н. При компьютерном моделировании для рассматриваемого элемента объема применялась упругопластическая модель материала с нелинейным упрочнением Джонсона–Кука. Для идентификации параметров искомого уравнения предложен алгоритм поиска коэффициентов путем многоступенчатого планирования вычислительного эксперимента. В качестве критериев отбора выбраны оценки максимального совпадения экспериментальных и расчетных данных, в частности по величине максимальной глубины индентирования. В результате исследования из возможной совокупности значений коэффициентов модели материала выбраны наиболее удовлетворяющие условиям поиска. По предложенному алгоритму удалось достичь результата через 4 расчетных цикла. Проведено металлографическое исследование порошка. Установлено, что его частицы имеют грубое внутризеренное строение с преобладанием β-фазы, образованное при плазменном распылении. Вероятно, это привело к снижению сопротивления деформации сплава ВТ-22 в частицах порошка.

частицы порошка, титан, метод конечных элементов, индентирование, диаграмма деформационного упрочнения

1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1980.

2. Алехин В.П., Булычев С.И. Расчет механических характеристик при испытании на вдавливание с учетом упругих деформаций // Физика и химия обработки материалов. 1978. No. 3. С. 134-138.

3. Bulychev S.I., Alekhin V.P. Method of kinetic hardness and microhardness in testing impression by an indentor // Industrial Laboratory. 1988. Vol. 53. No. 11. P. 1091-1096.

4. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990.

5. Булычев С.И. О корреляции диаграмм вдавливания и растяжения // Зав. лаборатория. 2001. T. 67. No. 11. C. 33-41.

6. Булычев С.И., Кравченков А.Н. Новые параметры подобия при переходе от диаграмм вдавливания к диаграммам растяжения // Зав. лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. No. 2. С. 49-54.

7. Федосов С.А., Пешек Л. Определение механических свойств материалов микроиндентированием: Современные зарубежные методики. М.: Физический факультет МГУ, 2004.

8. Федосов С.А. Индентирование материалов // Наноинженерия. 2014. No. 10 (40). С. 35-48.

9. Смирнов С.В., Смирнов В.К., Солошенко А.Н., Швейкин В.П. Определение сопротивления деформации по результатам внедрения конического индентора // Кузн.-штамп. пр-во. 2000. No. 3. С. 3-6.

10. Коновалов Д.А., Смирнов С.В., Коновалов А.В. Определение кривых деформационного упрочнения металлов по результатам вдавливания конических инденторов // Дефектоскопия. 2008. No. 12. С. 55-63.

11. Смирнова Е.О. Определение диаграмм деформационного упрочнения поверхностных слоев метал лических материалов по результатам испытаний на вдавливание и царапание индентора Берковича // Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов: Вестник НГУ им. Н.И. Лобачевского. 2011. No. 4 (2). С. 533-534.

12. Васаускас С.С., Жидонис В.Ю. Диаграмма твердости и ее применение для определения характеристики прочности металлов // Зав. лаборатория. 1962. No. 5. С. 605-608.

13. Atkins A.G., Tabor D. Plastic indentation in metals with cones // J. Mech. Phys. Solids. 1965. No. 13. Р. 149-164.

14. Cheng Y.-T., Li Z. Hardness obtained from conical indentation with various cone angles // J. Mater. Res. 2000. Vol. 15. No. 12. Р 2830-2835.

15. Bucaille J.L., Stauss S., Felder E., Michler J. Determination of plastic properties of metals by instrumented indentation using different sharp indenters // Acta Mater. 2003. Vol. 51. P. 1663-1678.

16. Dean J., Clyne T.W. Extraction of plasticity parameters from a single test using a spherical indenter and FEM modelling // Mechanics of Materials. 2017. Vol. 105. P. 112-122. https://doi.org/dx.doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.11.014.

17. Olsson E., Larsson P.-L. A numerical analysis of cold powder compaction based on micromechanical experiments // Powder Technology. 2013. No. 243. P. 71-78. https://doi.org/dx. https://doi.org/doi.org/10.1016/j.powtec.2013.03.040.

18. Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K.J., Venkatesh T.A., Suresh S. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation // Acta Mater. 2001. Vol. 49. P. 3899-3918.

19. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. 2006. Т. 9. No. 3. С. 9-22.

20. Abaqus/CAE User’s Manual (Version 6.10) Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. 2009.

21. Wang F., Zhao J., Zhu N., Li Z. A comparative study on Johnson-Cook constitutive modeling for Ti-6Al-4V alloy using automated ball indentation (ABI) technique // J. Alloys and Compnd. 2015. Vol. 633. No. 5. P. 220-228. https://doi.org/dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.284.

22. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Eng. Fract. Mech. 1985. Vol. 21. No. 1. P. 31-48.

23. Fujii H. Strengthening of alpha+beta titanium alloys by thermomechanical processing // Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 243. No. 1. P. 103-108.

24. Birta A.M., Champagne Jr. V.K., Sisson Jr. R.D., Apeliana D. Microstructural analysis of Ti-6Al-4V powder for cold gas dynamic spray applications // Adv. Powder Technol. 2015. Vol. 26. No. 5. P. 1335-1347.

25. Илларионов А.Г., Попов А.А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: Учеб. пос. Екатеринбург: УрФУ, 2014.