Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Строение материи \ Механика деформируемых тел. Упругость. Деформация

Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций

Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций

Автор: Баяндин Ю.В., Дудин Д.С., Ильиных А.В., Пермяков Г.Л., Чудинов В.В., Келлер И.Э., Трушников Д.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 1, 2023 года.

Бесплатный доступ

Для выбора рациональных параметров процесса гибридного аддитивного производства конструкций из конструкционных металлических сплавов и нержавеющих сталей определялись механические характеристики, способные служить показателями качества материала. Использованы самые прогрессивные технологии аддитивного производства проволочно-дуговой наплавкой (плазменной, плазменно-дуговой с плавящимся электродом, в том числе с холодным переносом металла) с послойной проковкой пневматическим ударным инструментом и последующей термообработкой. Исследованы алюминиево-магниевый сплав АМг5, титановый сплав ВТ6, аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н10Т и AISI 308LSi. Из созданных аддитивным производством заготовок вырезаны образцы - лопатки для стандартных испытаний на статическое одноосное растяжение и цилиндры для высокоскоростных испытаний на сжатие методом Кольского на разрезном стержне Гопкинсона. По зарегистрированным и обработанным кривым «напряжение - деформация» для всех материалов определялись стандартные характеристики прочности и пластичности и закон деформационного и скоростного упрочнения Джонсона - Кука. Для корректной оценки механических свойств аддитивно произведенных материалов указанные испытания также проводились для каждого из них в виде отожженного проката. Установлено, что для сравнения эффективности различных технологических параметров аддитивного производства целесообразно использовать статический предел прочности и равномерное удлинение до разрыва, имеющие наименьший статистический разброс. Также была найдена приемлемой аппроксимация законом Джонсона - Кука деформационных кривых каждого из исследуемых материалов по осредненным данным, включающим различные технологические режимы. Определенные механические характеристики представляются необходимыми для поиска эффективных режимов гибридного аддитивного производства и численного расчета различных упругопластических задач в динамической постановке для исследованных материалов для конструкторских и технологических нужд.

Еще

Аддитивное производство, проволочно-дуговая наплавка, послойная проковка, алюминиевые сплавы, титановые сплавы, аустенитные нержавеющие стали, статические испытания, динамические испытания

Короткий адрес: https://sciup.org/146282651

IDR: 146282651   |   УДК: 539.374+621.791.927.55+620.172.2+620.178.73   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.04

Strength and ductility characteristics of metal alloys and stainless steels created by wire-arc surfacing in a wide range of strain rates

To select rational parameters of the process of hybrid additive manufacturing of structures made of structural metal alloys and stainless steels, mechanical characteristics capable of serving as indicators of material quality were determined. The most advanced technologies of additive manufacturing by wire-arc surfacing (plasma, plasma arc with a melting electrode, including cold metal transfer) with layer-by-layer forging with a pneumatic impact tool and subsequent heat treatment were used. Aluminum-magnesium alloy AlMg5, titanium alloy Ti-6Al-4V, austenitic stainless steels 12Cr18Ni10Ti (AISI 321) and AISI 308LSi have been studied. Samples were cut from the blanks created by additive manufacturing - blades for standard tests for static uniaxial tension and cylinders for high-speed compression tests by the Kolsky method on a Hopkinson split bar. According to the registered and processed stress-strain curves for all materials, standard strength and ductility characteristics and the Johnson - Cook law of deformation and speed hardening were determined. For a correct assessment of the mechanical properties of additively produced materials, these tests were also carried out for each of them in the form of annealed rolled products. It is established that to compare the efficiency of various technological parameters of additive manufacturing, it is advisable to use static tensile strength and uniform elongation to rupture, having the smallest statistical variation. It was also found acceptable to approximate the Johnson - Cook law of the deformation curves of each of the studied materials according to averaged data, including various technological modes. Certain mechanical characteristics seem to be necessary for the search for effective modes of hybrid additive manufacturing and numerical calculation of various elastic-plastic problems in a dynamic formulation for the studied materials for design and technological needs.

Еще

Список литературы Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций

  • A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, J. Xu, J. Norrish // J. Manuf. Process. -2018. - Vol. 35. - P. 127-139. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001
  • Microstructure and Residual Stress Improvement in Wire and Arc Additively Manufactured Parts through High-Pressure Rolling / P.A. Colegrove, H.E. Coules, J. Fairman, F. Martina, T. Kashoob, H. Mamash, L.D. Cozzolino // J. Mater. Process. Technol. - 2013. - Vol. 223. - P. 1782-1791. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012
  • Deformation Microstructures and Strengthening Mechanisms for the Wire+ Arc Additively Manufactured Al-Mg4.5Mn Alloy with Inter-Layer Rolling / J. Gu, X. Wang, J. Bai, J. Ding, S.W. Williams, Y. Zhai, K. Liu // Mater. Sci. Eng. -2018. - Vol. A722. - P. 292-301. DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.113
  • Control of Residual Stress and Distortion in Aluminium Wire + Arc Additive Manufacture with Rolling / J.R. Honnige, P.A. Colegrove, S. Ganguly, E. Eimer, S. Kabra, S.W. Williams // Addit. Manuf. - 2018. - Vol. 22. - P. 775-783. DOI: 10.1016/j.addma.2018.06.015
  • Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement / A.R. McAndrew, M.A. Rosales, P.A. Colegrove, J.R. Hönnige, A. Ho, R. Fayolle, K. Eyitayo, I. Stan, P. Sukrongpang, A. Crochemore, Z. Pinter // Additive Manufacturing. - 2018. -Vol. 21. - P. 340-349. DOI: 10.1016/j.addma.2018.03.006
  • Karunakaran K.P., Kapil S., Negi S. Multi-Station Multi-Axis Hybrid Layered Manufacturing System // Indian Patent. -2018. - Application Number: 201821038516
  • Karunakaran K.P., Kapil S., Kulkarni P. In-situ Stress Relieving Process for Additive Manufacturing // Indian Patent. -2016. - Application Number: 201621028306
  • Influence of surfacing technologies on structure formation of high-temperature nickel alloys / E.A. Krivonosova, Yu.D. Schitsin, D.N. Trushnikov, S.N. Myshkina, A.V. Akulova, S.D. Neulybin., A.Yu. Dushina // Metallurgist(Metallurg). - 2019. - Vol. 63, no. 1-2. - P. 197-205. DOI: 10.1007/s11015-019-00810-1
  • Use of CMT-Surfacing for Additive Formation of Titanium Alloy Workpieces / Y.D. Shchitsyn, E.A. Krivonosova, D.N. Trushnikov, T.V. Olshanskaya, M.F. Kartashov, M.F. Karta-shov, S.D. Neulybin // Metallurgist (Metallurg). - 2020. - Vol. 64, no. 1-2. - P. 67-74. DOI: 10.1007/s11015-020-00967-0
  • Structure and properties of aluminium magnesium scandium alloy resultant from the application of plasma welding with by-layer deformation hardening / Y.D. Shchitsyn, Е.А. Krivonosova, T.V. Olshanskaya, S.D. Neulybin // Tsvetnye Metally [Electronic resource]. - 2020. - No. 2. - P. 89-94. DOI 10.17580/tsm.2020.02.12.
  • Formation of Structure and Properties of Two-Phase Ti-6Al-4V Alloy during Cold Metal Transfer Additive Deposition with Interpass Forging / Y. Shchitsyn, M. Kartashev, E. Krivo-nosova, T. Olshanskaya, D. Trushnikov // Materials. - 2021. -Vol. 14, no. 16. - Art. 4415. - 18 p. DOI 10.3390/ma14164415.
  • Improving VT6 Titanium-Alloy Components Produced by Multilayer Surfacing / D.N. Trushnikov, M.F. Kartashev, T.V. Olshanskaya, M.R. Mindibaev, Y.D. Shchitsyn, F.R. Sau-cedo-Zendejo // Russian Engineering Research. - 2021. - Vol. 41, no. 9. - P. 848850. DOI: 10.3103/S1068798X21090264
  • Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.А. Жирков, О.Н. Федонин, С.О. Федонина, А.В. Хандожко // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. -№ 4 (52). - С. 151-160. DOI: 10.12737/23204
  • Федонина С.О. Повышение качества синтезированных из проволоки деталей волновым термодеформационным упрочнением: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 05.02.08 - Брянск: Брянский государственный технический университет, 2021. - 186 с.
  • Controlling the microstructure and properties of wire arc additive manufactured Ti-6Al-4V with trace boron additions / M.J. Bermingham, D. Kent, H. Zhan, D.H. StJohn, M.S. Dargusch // Acta Materialia. - 2015. - Vol. 91. - P. 289-303. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.03.035
  • Reducing arc heat input and obtaining equiaxed grains by hot-wire method during arc additive manufacturing titanium alloy / Z. Li, C. Liu, T. Xu, L. Ji, D. Wang, J. Lu, S. Ma, H. Fan // Materials Science and Engineering: A. - 2019. - Vol. 742. -P. 287-294. DOI: 10.1016/j.msea.2018.11.022
  • Development of electron-beam equipment and technology for additive layer-wise wire cladding / V.V. Fedorov, V.A. Klimenov, A.V. Batranin, P. Ranga // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2019. - Vol. 2167, no. 1. -P. 020097. DOI: 10.1063/1.5131964
  • Structure and Phase Composition of Ti-6Al-4V Alloy Obtained by Electron-Beam Additive Manufacturing / V.R. Utya-ganova, A.V. Vorontsov, A.A. Eliseev, K.S. Osipovich, K.N. Kalashnikov, N.L. Savchenko, V.E. Rubtsov, E.A. Kolu-baev // Russian Physics Journal. - 2019. - Vol. 62, no. 8. -P. 1461-1468. DOI: 10.1007/s11182-019-01864-z
  • ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: Стандартинформ, 2008. - 24 с.
  • ASTM E6-09. Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing. - ASTM International, 2010. - 10 p.
  • ASTM E8-04. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. - ASTM International, 2010. - 24 p.
  • Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading // Proceedings of the Physical Society. Section B. - 1949. - Vol. 62, no. 11. - P. 676700. DOI: 10.1088/0370-1301/62/11/302
  • Kolsky H. Stress waves in solids // Journal of sound and Vibration. - 1964. - Vol. 1, no. 1. - P. 88-110. DOI: 10.1016/0022-460X(64)90008-2
  • Nicholas T. Tensile testing of materials at high rates of strain // Experimental Mechanics. - 1981. - Vol. 21, no. 5. -P. 177-185. DOI: 10.1007/BF02326644
  • Bragov A.M., Lomunov A.K. Methodological aspects of studying dynamic material properties using the Kolsky method // International Journal of Impact Engineering. - 1995. - Vol. 16, no. 2. - P. 321-330. DOI: 10.1016/0734-743X(95)93939-G
  • Effects of high strain rate and self-heating on plastic deformation of metal materials under fast compression loading / A. Bragov, L. Igumnov, A. Konstantinov, A. Lomunov, E. Rusin // Journal of Dynamic Behavior of Materials. - 2019. - Vol. 5, no. 3. - P. 309-319. DOI: 10.1007/s40870-019-00214-x
  • Экспериментальное исследование локализации пластической деформации в сплаве АМг5 при различных видах динамического воздействия / М.А. Соковиков, В.А. Оборин, B.В. Чудинов, С.В. Уваров, О.Б. Наймарк // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2021. - № 3. - С. 154-162. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.14
  • Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. The Hague, Netherlands. 19-21 April 1983. - Vol. 21. -P. 541-547.
  • Forming process, microstructure, and mechanical properties of thin-walled 316L stainless steel using speed-cold-welding additive manufacturing / W. Wu, J. Xue, L. Wang, Z. Zhang, Y. Hu, C. Dong // Metals. - 2019. - Vol. 9, no. 1. -P. 109. DOI: 10.3390/met9010109
  • Microstructure and compressive behavior of Ti-6Al-4V alloy built by electron beam free-form fabrication / V.A. Klimenov, V.V. Fedorov, M.S. Slobodyan, N.S. Pushilina, I.L. Strel-kova, A.A. Klopotov, A.V. Batranin // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2020. - Vol. 29, no. 11. -P. 7710-7721. DOI: 10.1007/s11665-020-05223-9
  • Anisotropy of the tensile properties in austenitic stainless steel obtained by wire-feed electron beam additive growth / E.V. Melnikov, E.G. Astafurova, S.V. Astafurov, G.G. Maier, V.A. Moskvina, M.Y. Panchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Letters on Materials. - 2019. - Vol. 9, no. 4. -P. 460-464. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-460-464
  • Advanced high-strength AA5083 welds by high-speed hybrid laser-arc welding / A. Vorontsov, A. Zykova, A. Chuma-evskii, K. Osipovich, V. Rubtsov, E. Astafurova, E. Kolubaev // Materials Letters. - 2021. - Vol. 291. - P. 129594. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.129594
  • The microstructure, phase composition and tensile properties of austenitic stainless steel in a wire-feed electron beam melting combined with ultrasonic vibration / A. Vorontsov, S. Astafurov, E. Melnikov, V. Moskvina, E. Kolubaev, E. Astafurova // Materials Science and Engineering: A. - 2021. -Vol. 820. - P. 141519. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141519
  • Микроструктура и механические свойства малоуглеродистой стали, полученной методом электронно-лучевого аддитивного производства / Е.Г. Астафурова, Е.В. Мельников, С.В. Астафуров, М.Ю. Панченко, К.А. Реунова, В.А. Москвина, Г.Г. Майер, Е.А. Колубаев // Письма о материалах. - 2021. -Т. 11, № 4. - С. 427-432. DOI: 10.22226/2410-3535-2021-4-427-432
  • Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties / S. Astafurov, E. Astafurova, K. Reunova, E. Melnikov, M. Panchenko, V. Moskvina, G. Maier, V. Ruttsov, E. Kolubaev // Materials Science and Engineering: A. - 2021. - Vol. 826. - P. 141951. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141951
  • Microstructure and mechanical properties of Nb-alloyed austenitic CrNi steel fabricated by wire-feed electron beam additive manufacturing / M.Y. Panchenko, G.G. Maier, V.A. Moskvina, S.V. Astafurov, E.V. Melnikov, K.A. Reunova, E.A. Kolubaev, E.G. Astafurova // Materials Characterization. - 2022. -Vol. 190. - P. 112063. DOI: 10.1016/j.matchar.2022.112063
  • Fadida R., Rittel D., Shirizly A. Dynamic mechanical behavior of additively manufactured Ti6Al4V with controlled voids // Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME. -2015. - Vol. 82, no. 4. - P. 041004. DOI: 10.1115/1.4029745
  • Dorogoy A., Rittel D. Dynamic large strain characterization of tantalum using shear-compression and shear-tension testing // Mechanics of Materials. - 2017. - Vol. 112. -P. 143-153. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.06.003
  • Fadida R., Shirizly A., Rittel D. The static and dynamic shear-tension mechanical response of AM Ti6Al4V containing spherical and prolate voids // International Journal of Engineering Science. - 2019. -Vol. 141. - P. 1-15. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2019.05.003
  • Goviazin G.G., Shirizly A., Rittel D. Static and dynamic mechanical properties of wire and arc additively manufactured SS316L and ER70S6 // Mechanics of Materials. - 2022. -Vol. 164. - P. 104108. DOI: 10.1016/j.mechmat.2021.104108
  • Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Дудин, Г. Л. Пермяков, М.Ф. Карташев // Вычислительная механика сплошных сред. - 2021. - Т. 14, № 4. - С. 434-443. DOI 10.7242/1999-6691/2021.14.4.36
  • Моделирование распределения остаточной пористости металлического изделия при аддитивном производстве с послойной проковкой / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Дудин, Г. Л. Пермяков, Д.Н. Трушников // Проблемы прочности и пластичности. - 2022. - Т. 84, № 2. - С. 247-258. DOI 10.32326/1814-9146-2022-84-2-247-258
  • Моделирование рекристаллизации сплава АМг5 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гибридного аддитивного производства / Н.К. Салихова, Д.С. Дудин, И.Э. Келлер, А.А. Осколков, А.В. Казанцев, Д.Н. Труш-ников // Вычислительная механика сплошных сред. - 2022. -Т. 15, № 2. - С. 234-246. DOI 10.7242/1999-6691/2022.15.2.18
  • Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. -М.: Мир, 1969. - Т. 2. - 863 с.
  • Cowper G.R., Symonds P.S. Strain hardening and strain rate effects in the impact loading of cantilever beams. Division of Applied Mathematics, Brown University, 1957. - 46 p. DOI: 10.21236/ad0144762
  • Bodner S., Partom Y. Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials // Journal of Applied Mechanics. - 1975. - Vol. 42, no. 2. - P. 385-389. DOI: 10.1115/1.3423586
  • Zerilli F.J., Armstrong R.W. Dislocation-mechanics-based constitutive relations for material dynamics calculations // Journal of Applied Physics. - 1987. - Vol. 61, no. 5. - P. 18161825. DOI: 10.1063/1.338024
  • Steinberg D.J., Cochran S.G., Guinan M.W. A constitutive model for metals applicable at high-strain rate // Journal of applied physics. - 1980. - Vol. 51, no. 3. - P. 14981504. DOI: 10.1063/1.327799
  • LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Ver. R13. LSTC, 2021. 1993 p. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.dynamore.de/en/downloads/ manuals/ls-dyna-manuals/ls-dyna_manual_volume_ii_r13 .pdf (дата обращения: 20.10.2022).
  • Кузькин В.А., Михалюк Д.С. Применение численного моделирования для идентификации параметров модели Джонсона - Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычислительная механика сплошных сред. -2010. - Т. 3, № 1. - С. 32-43. DOI: 10.7242/19996691/2010.3.1.4
  • Бузюркин А.Е., Гладкий И.Л., Краус Е.И. Определение параметров модели Джонсона-Кука для описания процессов деформирования и разрушения титановых сплавов // Прикладная механика и техническая физика. - 2015. - Т. 56, № 2. - С. 188-195. DOI: 10.15372/PMTF20150219
  • Abaqus. Инженерные программы. ТЕСИС [Электронный ресурс]. - URL: https://tesis.com.ru/cae_brands/abaqus (дата обращения: 20.10.2022).
  • Шалимов А.С. Ташкинов М.А. Моделирование деформирования и разрушения пористых сред с учетом особенностей их морфологического строения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - №. 4. - С. 175-187. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.15
  • Ключевые обновления COMSOL Multiphysics® 5.5. Модель Джонсона - Кука для пластичности, зависящей от скорости деформации [Электронный ресурс]. - URL: https://www.comsol.ru/release/5.5/nonlinear-structural-materials-module (дата обращения: 20.10.2022).
  • ЛОГОС Прочность. Модели материального деформирования для динамического анализа [Электронный ресурс]. -URL: http://logos.vniief.ru/products/strength (дата обращения: 20.10.2022).
  • Pham M.S., Dovgyy B., Hooper P.A. Twinning induced plasticity in austenitic stainless steel 316L made by additive manufacturing // Materials Science and Engineering. - 2017. -Vol. A704. - P. 102-111. DOI: 10.1016/j.msea.2017.07.082
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp