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   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.04

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
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp