Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса: применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением
Автор: Келлер Илья Эрнстович, Казанцев Александр Владимирович, Дудин Дмитрий Сергеевич, Пермяков Глеб Львович, Карташев Максим Федорович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.14, 2021 года.
Бесплатный доступ
Строится численная модель формирования напряжённо-деформированного состояния в призматическом брусе при его односторонней обработке пластическим деформированием. Подобная модель требуется для выбора рациональных режимов послойной обработки давлением аддитивно наращиваемых линейных металлических сегментов. С помощью проковки или обкатки наплавляемых слоёв металла можно управлять искажениями формы, остаточными напряжениями и характеристиками прочности изделия. Моделируется процесс, состоящий из двух этапов: односторонней поверхностной обработки давлением образца, закреплённого по противоположной грани на плоской поверхности нормальными связями, и освобождения образца от закреплений. По данным эксперимента в численной модели калибруется воздействие пневмомолотка и находится эквивалентная глубина обкатки роликом. Исследуются распределения пластических деформаций и продольных остаточных напряжений по поперечному сечению образца, продольное и поперечное искривление последнего, природа деформаций при разгрузке образца для сплавов АМг6, ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т в зависимости от глубины обкатки роликом. Для каждого из материалов обнаружено существование критической величины обкатки, после которой изменяется знак продольной кривизны образца. Обнаружено антикластическое искривление образцов-полос. Обсуждаются методы экспериментального определения состояния закреплённого образца (сегмента шпангоута) по его разгруженному состоянию. Отмечена приемлемость данных о распределении микротвёрдости по высоте поперечного сечения образца для оценки зоны локализации пластических деформаций и о продольной кривизне образца для оценки остаточных напряжений. Показана сомнительная ценность результатов измерений в вертикальных сечениях образцов остаточных напряжений из-за их существенной неоднородности, а также перераспределения при вырезке.
Аддитивное производство, послойная проковка, локализация пластических деформаций, остаточные напряжения, численный расчёт, эксперимент
Короткий адрес: https://sciup.org/143178062
IDR: 143178062 | УДК: 539.374 | DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.4.36
Shape distortions, plastic strains and residual stresses after one-sided forging/rolling of the beam: application to additive manufacturing of the linear metal segment with layer-by-layer pressure treatment
A numerical model of the formation of a stress-strain state in a prismatic beam during its unilateral processing by plastic strains is developed. Such a model is required to select rational modes of layer-by-layer pressure treatment of additively accreted linear metal segments. Shape distortions, residual stresses and strength characteristics can be controlled through forging or rolling of the deposited metal layers. The process consisting of a stage of unilateral surface pressure treatment of a sample fixed on the opposite face on a flat surface by normal bonds, and a stage of releasing the sample from the fastenings is modeled. According to the experimental data, the impact of a pneumatic hammer is calibrated in the numerical model and the equivalent depth of the roller insertion is determined. The inhomogeneity of the distribution of plastic strains and longitudinal residual stresses along the cross section of the sample, the longitudinal and transverse curvature of the latter, the nature of deformations during unloading of the sample for AMg6 and VT6 alloys and 12X18N10T stainless steel, depending on the depth of the roller insertion, is investigated. For each of the materials, the existence of a critical roller insertion depth was found, after which the sign of the longitudinal curvature of the sample changes. Anticlastic curvature of samples of sufficiently large width was found. Methods of experimental determination of the state of a fixed sample (a linear segment of the frame) based on the state of the unloaded sample are discussed. The acceptability of measurements of the microhardness distribution over the height of the cross-section of the sample to estimate the localization zone size of plastic strains, as well as the acceptability of measurements of the longitudinal curvature of the sample to estimate residual stresses, are established. The questionable value of measurements of longitudinal residual stresses is demonstrated due to their significant heterogeneity, as well as redistribution during cutting layers.
Список литературы Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса: применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением
- Colegrove P.A., Coules H.E., Fairman J., Martina F., Kashoob T., Mamash H., Cozzolino L.D. Microstructure and residual stress improvement in wire and arc additively manufactured parts through high-pressure rolling // J. Mater. Process. Tech. 2013. Vol. 213. P. 1782-1791. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012
- Martina F., Colegrove P.A., Williams S.W., Meyer J. Microstructure of interpass rolled wire + arc additive manufacturing Ti-6A1-4V components // Metall. Mater. Trans. A. 2015. Vol. 46. P. 6103-6118. https://doi.org/10.1007/s11661-015-3172-1
- Gu J., Ding J., Williams S.W., Gu H., Bai J., Zhai Y., Ma P. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al-6.3Cu alloy // Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 651. P. 18-26. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.101
- Gu J., Wang X., Bai J., Ding J., Williams S.W., Zhai Y., Liu K. deformation microstructures and strengthening mechanisms for the wire+arc additively manufactured Al-Mg4.5Mn alloy with inter-layer rolling // Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 712. P. 292-301. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.113
- Hönnige J.R., Colegrove P.A., Ganguly S., Eimer E., Kabra S., Williams S.W. Control of residual stress and distortion in aluminium wire + arc additive manufacture with rolling // Addit. Manuf. 2018. Vol. 22. P. 775-783. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.015
- McAndrew A.R., Rosales M.A., Colegrove P.A., Hönnige J.R., Ho A., Fayolle R., Eyitayo K., Stan I., Sukrongpang P., Crochemore A., Pinter Z. Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement // Addit. Manuf. 2018. Vol. 21. P. 340-349. https://doi.org/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.
- Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Трушников Д.Н., Ольшанская Т.В., Карташов М.Ф., Неулыбин С.Д. Использование СMT-наплавки для аддитивного формирования заготовок из титановых сплавов // Металлург. 2020. № 1. C. 63-68. (English version https://doi.org/10.1007/s11015-020-00967-0)
- Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Ольшанская Т.В., Неулыбин С.Д. Влияние аддитивной плазменной наплавки на структуру и свойства сплава системы алюминий – магний – скандий // Цветные металлы. 2020. № 2. С. 89-94. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.02.12
- Shchitsyn Yu., Kartashev M., Krivonosova E., Olshanskaya T., Trushnikov D. Formation of structure and properties of two-phase Ti-6Al-4V alloy during cold metal transfer additive deposition with interpass forging // Materials. 2021. Vol. 14. 4415. https://doi.org/10.3390/ma14164415
- Трушников Д.Н., Карташов М.Ф., Ольшанская Т.В., Миндибаев М.Р., Щицын Ю.Д., Раймундо Сауседо Зендехо Ф. Повышение качества изделий из сплава ВТ6, получаемых при многослойной наплавке // СТИН. 2021. № 6. С. 12-14. (English version https://doi.org/10.3103/S1068798X21090264)
- Horrocks D., Johnson W. On anticlastic curvature with special reference to plastic bending: A literature survey and some experimental investigations // Int. J. Mech. Sci. 1967. Vol. 9. P. 835-861. https://doi.org/10.1016/0020-7403(67)90011-2
- Tan Z., Li W.B., Persson B. On analysis and measurement of residual stresses in the bending of sheet metals // Int. J. Mech. Sci. 1994. Vol. 36. P. 483-491. https://doi.org/10.1016/0020-7403(94)90050-7
- Khiabani A.C., Sadrnejad S.A. Finite element evaluation of residual stresses in thick plates // Int. J. Mech. Mater. Des. 2009. Vol. 5. P. 253-261. https://doi.org/10.1007/s10999-009-9099-1
- Spoorenberg R.C., Snijder H.H., Hoenderkamp J.C.D. Finite element simulations of residual stresses in roller bent wide flange sections // Journal of Constructional Steel Research. 2011. Vol. 67. P. 39-50. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2010.07.004
- Essa A., Nasr M.N.A., Ahmed M.H. Variation of the residual stresses and springback in sheet bending from plane-strain to plane-stress condition using finite element modeling // Proc. of the 17th Int. AMME Conference. Cairo, Egypt, April 19-21, 2016. P. 37-50.
- Kopp R., Schulz J. Flexible sheet forming technology by double-sided simultaneous shot peen forming // CIRP Annals. 2002. Vol. 51. P. 195-198. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61498-X
- Petukhov D.S., Keller I.E. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications // Acta Mech. 2020. Vol. 231. P. 1849-1866. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02625-7
- Khan A.S., Huang S. Continuum theory of plasticity. John Wiley & Sons, 1995. 421 p.
- LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Version R11.0. LSTC, 2019. 1613 p. https://www.lstc.com/download/manuals
- Глушак Б.Л., Игнатова О.Н., Пушков В.А., Новиков С.А., Гирин А.С., Синицын В.А. Динамическое деформирование алюминиевого сплава АМг6 при нормальной и повышенной температурах // ПМТФ. 2000. Т. 41, № 6. С. 139-143. (English version https://doi.org/10.1023/A:1026662824249)
- Chandrasekaran H., M'Saoubi R., Chazal H. Modelling of material flow stress in chip formation process from orthogonal milling and split Hopkinson bar tests // Machining Science and Technology. 2005. Vol. 9. Р. 131-145. https://doi.org/10.1081/MST-200051380
- Li L., He N. A FEA study on mechanisms of saw-tooth chip deformation in high speed cutting of Ti-6A1-4V alloy // Proc. of the Fifth Int. Conf. on High Speed Machining. Metz, France, March 14-16, 2006. Р. 759-767.
- Maker B.N., Zhu X. Input parameters for springback simulation using LS-DYNA // 6th Int. LS-DYNA Conf. Detroit, USA, April, 2000. 12 p. https://www.dynalook.com/conferences/international-conf-2000/session12-1.pdf/view (дата обращения: 10.12.2021)
- Maker B.N., Zhu X. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA // 3rd European LS-DYNA Conf. Paris, France, June, 2001. 10 p. https://www.dynalook.com/conferences/european-conf-2001/58.pdf/view (дата обращения: 30.10.2021)
- ASTM E384-17 Standard test method for microindentation hardness of materials. ASTM International, 2017. 40 p.
