Моделирование воздействия высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля на микротрещины в поликристаллическом металле
Автор: Кукуджанов К.В.
Статья в выпуске: 4, 2015 года.
Бесплатный доступ
Статья посвящена изучению электропластического эффекта с точки зрения гипотезы о залечивании дефектов в материале под воздействием высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля. Рассматриваются процессы, протекающие в материале при обработке металлических образцов кратковременными импульсами электрического тока большой плотности. Изучаются изменения электрического, температурного полей, напряженно-деформированного состояния и фазовые трансформации в окрестности микродефектов с линейными размерами порядка 10 мкм. Такие дефекты всегда имеются между зернами в поликристаллическом металле после отливки или возникают в нем в процессе его деформирования при технологической обработке. Предлагается связанная квазистационарная модель кратковременного воздействия интенсивным электромагнитным полем на предварительно поврежденный упругопластический материал с упорядоченной системой дефектов. Модель учитывает плавление и испарение металла, а также зависимость всех его физико-механических свойств от температуры. Решение получающейся системы уравнений ищется численно методом конечных элементов на подвижных сетках с использованием смешанного эйлеро-лагранжева метода. Краевая задача решается для представительного элемента материала с микродефектом в случае плоской деформации. Рассматриваются микродефекты в форме плоских трещин с закругленными кончиками. Наличие микротрещин приводит к неоднородности всех изучаемых физических полей в материале. Моделирование показало, что в окрестности микродефектов возникают высокие значения плотности тока с большими градиентами поля. Это вызывает быстрый локальный нагрев в окрестности кончика микротрещины, сопровождаемый тепловым расширением, а впоследствии и плавлением материала. Неоднородный нагрев приводит к большим сжимающим напряжениям и интенсивному пластическому течению материала в окрестности микротрещины. Возникающее при этом поле напряжений вызывает не только смыкание берегов микротрещины, но и уменьшение ее длины и выброс металла в трещину. Выброс металла происходит посредством формирования струи расплавленного материала, направленной внутрь трещины. Эти процессы могут сопровождаться не только плавлением в окрестности кончика, но и испарением металла в трещину для микротрещин, расположенных вблизи внешних границ образца.
Электропластичность, численное моделирование, микродефекты, высокоэнергетическое электромагнитное поле, воздействие импульсом тока, локализация, фазовые переходы, плавление, испарение
Короткий адрес: https://sciup.org/146211580
IDR: 146211580 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.09
Modeling the treatment of high-energy pulsed electromagnetic field of the micro-cracks in a polycrystalline metal
The paper studies electroplastic effect in terms of the hypothesis of the healing of defects in the material under the influence of high-energy pulsed electromagnetic fields. The processes occurring in the metallic samples under the impact of electrical current of high density are considered. The electric, temperature fields, stress-strain state and phase transformations in the vicinity of micro-defects with line size 10 microns are studied. Such defects are always present between the grains in a polycrystalline metal after metallurgical casting or appear in it during its deformation under processing. The coupled quasi-stationary model of the impact of high-energy electromagnetic field on the pre-damaged electroplastic material with an ordered system defects are proposed. The model accounts for melting and evaporation of the metal and the dependence of its physical and mechanical properties on the temperature. The problem is solved numerically by finite elements method with adaptive mesh using on the base of alternative Euler-Lagrange’s method. The boundary value problem is solved for a representative element material with a micro-defect in the case of plane strain. The micro-defects in the form of flat cracks with rounded tips are considered. The presence of micro-cracks leads to inhomogeneous physical and mechanical fields in the material. Numerical modeling has shown that in the vicinity of the micro-defects intensive electromagnetic field and current with large fields gradients arise. This causes rapid local heating in the vicinity of the tip of the micro-crack, followed by thermal expansion of metal, and subsequently melting the material. The inhomogeneous heating results in a high compressive stresses and intense plastic flow of the material in the vicinity of micro-crack. The resulting stress field is not only closing the shores of micro-crack, but also reducing its length and ejecting the metal into the crack. Ejection occurs through the formation of the metal jet of molten metal directed into the crack. These processes may be accompanied not only by melting in the vicinity of the tip, but also evaporation of the metal to crack for the micro-cracks located near the outer boundaries of the sample. The simultaneous reduction in the length, the ejection of the molten metal into the cracks and closing of micro-crack shores leads to the fact that the shores of the crack come into contact with the jet stream and finally the jet material completely jams shores cracks. It is the welding of the crack and healing of the micro-defects which takes place.
Список литературы Моделирование воздействия высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля на микротрещины в поликристаллическом металле
- Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. -М.: Наука, 1985. -160 с.
- Климов К.М., Новиков И.И. Влияние градиента температуры и электрического тока высокой плотности на пластическую деформацию при растяжении металлических проволок//Изв. АН СССР. Металлы. -1978. -№ 6. -С. 175-179.
- Беклемишев Н.Н. Пластичность и прочность металлических материалов с учетом импульсного воздействия высокоэнергетического электромагнитного поля: дис. … д-ра физ.-мат. наук. -М., 1986. -305 с.
- Пластичность и прочность металлических материалов с учетом импульсного воздействия высокоэнергетического электромагнитного поля: препринт № 372 Ин-та прикладной механики АН СССР/Н.Н. Беклемишев, В.Н. Кукуджанов, В.А. Порохов . -М., 1989. -56 с.
- Conrad H. Electroplasticity in metals and ceramics//Materials Science and Engineering: A. -2000. -Vol. 287. -No. 2. -Р. 276-287. DOI: DOI: 10.1016/S0921-5093(00)00786-3
- Production of TiNi amorphous/nanocrystalline wires with high strength and elastic modulus by severe cold drawing/K. Tsuchiya, Y. Hada, T. Koyano, K. Nakajima, M. Ohnuma, T. Koike, Y. Todaka, M. Umemoto//Scripta Materialia. -2009. -Vol. 60. -Р. 749-752.
- Enhancement of ductility, weakening of anisotropy behavior and local recrystallization in cold-rolled Ti-6Al-4V alloy strips by high-density electropulsing treatment/Ye Xiaoxin, Yang Yanyang, Song Guolin, Tang Guoyi//Appl. Phys. A. -2014. -Vol. 117. -No. 4. -Р. 2251-2264. DOI: DOI: 10.1007/s00339-014-8655-1
- Effect of Electric Current Density on the Mechanical Property of Advanced High Strength Steels under Quasi-Static Tensile Loads/Min-Sung Kim, Nguyen Thai Vinh, Hyeong-Ho Yu, Sung-Tae Hong, Hyun-Woo Lee, Moon-Jo Kim, Heung Nam Han, John T. Roth//International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. -2014. -Vol. 15. -No. 6. -Р. 1207-1213. DOI: DOI: 10.1007/s12541-014-0458-y
- Степанов Г.В., Бабуцкий А.И., Мамеев И.А. Нестационарное напряженно-деформированнное состояние в длинном стержне, вызванное импульсом электрического тока высокой плотности//Проблемы прочности. -2004. -№ 4. -С. 60-67. DOI: DOI: 10.1023/B:STOM.0000041538.10830.34
- Дубинко В.И., Клепиков В.Ф. Кинетический механизм электропластичности металлов//Изв. РАН. Серия физическая. -2008. -Т. 72, № 9. -С. 1257-1258. DOI: DOI: 10.3103/S1062873808090037
- Троицкий О.А. Электропластический эффект в процессах обработки металлов давлением//Металлургия машиностроения. -2010. -№ 4. -С. 45-48.
- Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков А.А. О возможности торможения быстрых трещин импульсами тока//Докл. АН СССР. -1976. -Т. 227, № 4. -С. 848-851.
- Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков А.А. Разрушение вершины трещины силовым электромагнитным полем//Докл. АН СССР. -1977. -Т. 237, № 2. -С. 325-327.
- Song Hui, Wang Zhong-jin, Gao Tie-jun. Effect of high density electropulsing treatment on formability of TC4 titanium alloy sheet//Trans. Nonferrous Soc. China. -2007. -Vol. 17. -P. 87-92.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. -1-е изд. -М.: Гл. изд-во физ.-мат. лит., 1959. -532 с.
- Салганик Р.Л. Термоупругое равновесие тела с трещинами при разогреве, вызванном пропусканием тока перпендикулярно трещинам//Изв. АН СССР. МТТ. -1978. -№ 5. -С. 141-152.
- Салганик Р.Л. Разогрев материала с эллипсоидальной неоднородностью вследствие электрических потерь//Изв. АН СССР. МТТ. -1980. -№ 6. -С. 98-109.
- Кудрявцев Б.А., Партон В.З., Рубчинский Б.Д. Электромагнитное и температурное поле в пластине с разрезом конечной длины//Изв. АН СССР. МТТ. -1982. -№ 1. -С. 110-118.
- Партон В.З., Кудрявцев Б.А., Рубчинский Б.Д. Распространение трещины под действием сильного электрического поля//Докл. АН СССР. -1981. -Т. 250, № 5. -С. 1096-1100.
- Клюшников В.Д., Овчинников И.В. Плоская задача о воздействии мгновенного точечного источника тепла//Изв. АН СССР. МТТ. -1988. -№ 4. -С. 118-122.
- Овчинников И.В. Влияние воздействия электротока на пластичность металлов: дис. … канд. физ.-мат. наук. -М., 1989. -123 с.
- Овчинников И.В. Определение ресурса пластичности при воздействии тока//Проблемы прочности. -1993. -№ 6. -С. 54-59.
- Кукуджанов В.Н., Коломиец-Романенко А.В. Исследование влияния динамического воздействия электрического тока на механические свойства материалов с упорядоченной структурой дефектов//Изв. РАН. МТТ. -2010. -№ 3. -С. 188-199. DOI: DOI: 10.3103/S0025654410030167
- Кукуджанов В.Н., Коломиец-Романенко А.В. Модель термоэлектропластичности изменения механических свойств металлов на основе реорганизации структуры дефектов под воздействием импульсного электрического тока//Изв. РАН. МТТ. -2011. -№ 6. -С. 6-21. DOI: DOI: 10.3103/S0025654411060021
- Коломиец А.В., Кукуджанов В.Н., Кукуджанов К.В. О переходе неоднородных упругопластических материалов с дефектами в макроразрушенное состояние: препринт № 1053 Ин-та проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН. -М., 2013. -42 с.
- Моделирование неупругого разрушения неоднородных материалов при электродинамическом и термомеханическом воздействиях: препринт № 1054 Ин-та проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН/А.В. Коломиец, В.Н. Кукуджанов, К.В. Кукуджанов, А.Л. Левитин. -М., 2013. -35 с.
- Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. Процессы деформирования упругопластического материала с дефектами при электродинамическом нагружении//Вестник ПНИПУ. Механика. -2015. -№ 1. -С. 106-120. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2015.1.07
- Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals (6ed.). -Elsevier, 2005.
- Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. -М.: Наука, 1970. -492 с.
- Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. -М.: Физматлит, 2014. -544 с.
- Бураго Н.Г., Кукуджанов В.Н. Численное решение упругопластических задач методом конечных элементов: препринт № 326 Ин-та проблем механики АН СССР. -М., 1988. -С. 1-63.
- Бураго Н.Г., Кукуджанов В.Н. Решение упругопластических задач методом конечных элементов. Пакет программ АСТРА//Вычислительная механика твердого деформируемого тела. -Вып. 2. -М.: Наука, 1991. -С. 78-122.
- Aravas N, Aifantis E.C. On the Geometry of Slip and Spin in Finite Plastic Deformation//Int. J. of Plasticity. -1991. -Vol. 7. -P. 141-160.
- Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. -М.: Физматлит, 2008. -656 с.
- Лычев С.А., Манжиров А.В., Юбер С.В. Замкнутые решения краевых задач связанной термоупругости//Изв. РАН. МТТ. -2010. -№ 4. -С. 138-154.
- Sprecher A.F., Mannan S.L., Conrad H. On the mechanisms for the electroplastic effect in metals//Acta Metall. -1986. -Vol. 34. -P. 1145-1153.
- Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). Т. 1/О.А. Троицкий, Ю.В. Баранов, Ю.С. Авраамов, А.Д. Шляпин; Институт компьютерных исследований. -М.-Ижевск, 2004. -590 с.
- Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т. 3. Электричество. -М.: Физматлит, 2004. -656 с.
- Hodowany J., Ravichandran G., Rosakis A.J., Rosakis P. Partition of plastic work into heat and stored energy in metals//Exp. Mech. -2000. -Vol. 40(2). -P. 113-123.
- Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов/Владимир. гос. ун-т. -Владимир, 2000. -260 с.
- Пикунов М.В. Металлургия расплавов: курс лекций/Моск. ин-т стали и сплавов. -М., 2005. -286 с.
- Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок/Моск. ин-т стали и сплавов. -М., 1997. -374 с.