MECHANICKÉ VLASTNOSTI VYBRANÝCH OCELÍ ZA VYŠŠÍCH RYCHLOSTÍ DEFORMACE (Databáze materiálových modelů k predikci chování materiálů v tvářecím procesu)

Transkript

1 Úvd k databázím Název: MECHANICKÉ VLASTNOSTI VYBRANÝCH OCELÍ ZA VYŠŠÍCH RYCHLOSTÍ DEFORMACE (Databáze materiálvých mdelů k predikci chvání materiálů v tvářecím prcesu) Autři: Frejt Milan, Krejčí Jan, Buchar Jarslav, Jpek Mirslav, Krejčvá Jitka Abstrakt: Tyt stránky předkládají výsledky experimentálních zkušek a numerických simulací s pužitím dynamických matematických mdelů vybraných celí, které byly vytvřeny na základě kmpresních rázvých testů dle Taylra za definvaných tepltních a rychlstních pdmínek a na základě jejich suběžných simulací prgramem ANSYS/LS DYNA3D. Prjekt: Tyt stránky jsu výstupem výzkumných aktivit za pdpry výzkumnéh záměru ROZVOJ PROGRESÍVNÍCH VYSOCE PŘESNÝCH STROJÍIRENSKÝCH TECHNOLOGIÍ, MSM , pdúklu "Tvrba databáze materiálvých mdelů k predikci chvání materiálů v tvářecím prcesu" - části A v rce Sučasně navazuje na dílčí výsledky grantu GAČR 101/99/0373 "Mdelvání mechanickéh chvání celí při reálných pdmínkách tváření". Vyské učení technické v Brně, Fakulta strjníh inženýrství, Ústav strjírenské technlgie, dbr tváření, Technická 2, Brn Prf.Ing.Milan Frejt Milan, CSc., frejt@ust.fme.vutbr.cz prm.fyz.jan Krejčí, CSc. krejci@ext.fme.vutbr.cz Ing.Mirslav Jpek, Ph.D jpek@ust.fme.vutbr.cz Jitka Krejčvá Ing.Dalibr Krásny Ing.Petr Pejchal

2 Shrnutí: Zvýšení dpru technických materiálů prti vzniku a při rzvji plastické defrmace je vázán na mez kluzu jak pčátek blasti zpevňvání při přetváření. Kvantifikace těcht jevů je zvláště důležitá při matematickém ppisu tvářecí technlgie, především pak při aplikacích vysce přesných technlgií bjemvéh tváření k zajištění kvalitních výlisků. Rvněž i mduly simulačních prgramů tvářecích pchdů vyžadují matematicky ppsané charakteristiky materiálů za reálných fyzikálních pdmínek, zvláště pak za knkrétních rychlstí přetvření, (rychlstí defrmací), včetně mezních pdmínek tvařitelnsti a jejich pužití, neb alespň jejich tabulkvé uspřádání v databázích. Prces tváření lze becně pvažvat za tepelně aktivvaný jev při kterém defrmační dpr je pdmíněn interakcemi mezi phyblivými dislkacemi a překážkami - bariérami, které jsu d sebe krátce vzdálené. Při zpevňvání plykrystalických materiálů se velmi výrazně prjevuje účinek hranic zrn, které blkují phyb dislkací. Mezi vlivy na defrmační zpevňvání lze především zahrnut vliv: intersticiálních atmů na phyb dislkací, jemných dispergvaných částic jiné fáze, substruktury, vrstevné chyby, změny teplty a zvláště rychlsti přetvření (rychlsti defrmace). Chvání tvařitelných materiálů, především pak celí d rychlsti přetvření ϕ& 1 s -1 ) je dstatečně ppsán a existuje celá řada pdkladů, např. [ ]. Značná rzdílnst defrmačníh chvání materiálů při bjemvém tváření za tepla a za studena na autmatických strjích vyžaduje věřit křivky defrmačních dprů tvářených materiálů za reálných pdmínek rychlsti přetvření ϕ& ( 1 až 10 3 ) s -1 a phybu plastické vlny (tzv. medium rate, dynamic lw), kdy se prjevují setrvačné síly a mechanické resnance, viz např. br.1. Pr ještě vyšší rychlsti defrmace (tzv. high rate, dynamic high) ϕ& ( 10 3 až 10 4 až 10 5 ) s -1 autři vychází z terie šíření elastické a plastické vlny [2 ]. Obr.1 Vliv rychlsti přetvření na dynamicku mez kluzu dle ASM

3 Knstitutivní rvnice K matematickému ppisu závislsti defrmačníh dpru (defrmační napětí, flw stress) na efektivním přetvření (true plastic strain), rychlsti přetvření (high strain rate) a na tepltě je pužit svědčený knstitutivní vztah dle Jhnsn-Cka (7) pr BCC materiály, který zahrnuje základní fyzikální parametry. Tent knstitutivní vztah je mj. vhdný pr dynamické kmpresní testy s vlivem setrvačných sil a mechanických resnancí (medium rate, dynamic lw). σ = σ + B ϕ n ϕ& 1+ C ln ϕ & m 1 T * kde σ, B, C, n, m, představuje 5 experimentálně a simulací stanvených vstupních parametrů a hmlgická teplta je definvána pdílem T je teplta materiálu, [ K ] T * = T T T m T T je referenční teplta (teplta klí) při statické mezi kluzu σ = σ, [ K ] T m je teplta tavení, [ K ] σ představuje mez kluzu stanvenu z kvazistatických kmpresních testů, [MPa] n je expnent zpevnění,. ϕ je referenční rychlst přetvření, 1 s -1 ϕ& je efektivní rychlst přetvření (rychlst defrmace), [s -1 ], m je expnent citlivsti na rychlst přetvření (rychlst defrmace.) C parametr, který určuje citlivst na rychlst přetvření B pevnstní parametr Experimentální zkušky K získání parametrů knstitutivní rvnice Jhnsn-Cka byly prvedeny následující experimentální práce: Příprava vzrků Válcvé vzrky rzměrech φ 5 x 25 mm s brušenými čely jsu vyrbeny z pltvarů ( tyčí neb svitků), které jsu pužívány v bjemvém tváření dílců a jsu v různém výchzím stavu p tepelném zpracvání. nejčastěji nrmalizací neb žíháním na měkk. Pr účely kmpresních testů TAT byly před brušením připraveny předepsaným pstupem žíhání na měkk. Označení vzrků byl prváděn elektrjiskrvu ppisvací jehlu. Výchzí tvrdst HV 10 byla měřena na dvráceném brušeném čele (3 vpichy).

4 Kmpresní rázvý test Obr.2 Taylrův test Taylrův test-tat, br.2 byl prváděn na pneumatickém kannu br.3, v rzsahu úsťvých rychlstí vzrku 40 až 250 ms- 1. Válcvý zkušební vzrek (z vybrané celi husttě ρ ) je vlžen d speciálníh nsiče z plystyrénu [ ] a urychlen v kanónu při expanzi vzduchu směrem k dpadlišti - tuhé kalené desce. Rychlst dpadu je stanvena výpčtem z měřené dby průletu ústím kannu mezi dvěma ftdidami. Vzrek se před dpadem na tuhu desku ddělí d nsiče a p dpadu plasticky přetváří (defrmuje) d typickéh tvaru jak je zřejmé z br.2. Obr 3 Experimentální pneumatický kann pr Taylrův test-tat

5 Zpracvání vzrků p TAT P Taylrvě testu byly na přetvřených vzrcích prvedeny následující expertízy: 1) Obrazvá analýza tvaru vzrku p TAT za účelem získání grafické závislsti změny vnějšíh průměru vzrku na jeh výšce. Tvar vzrku v svém řezu byl snímán kameru a digitálně zpracván prgramem LUCIE, br.4. 2) Osvé řezy vzrků drátvu řezačku Obr.4 Tvar vzrku p kmpresním testu TAT 3) Metalgrafické výbrusy svých řezů, leptání 4) Snímání struktur na světelném mikrskpu NEOPHOT 32 v místě největší defrmace u čela a v místě bez defrmací při zvětšení 100 x a 500 x 5) Metalgrafické hdncení Na svých řezech válcvých vzrků byly prvedeny metalgrafické výbrusy, leptání a snímání struktur na světelném mikrskpu NEOPHOT 32. Pdle ptřeby byla prvedena sledvání i na elekrnvém řádkvacím mikrskpu PHILIPS. 6) Měření mikrtvrdstí HV 1 na svém řezu a jejich grafické zpracvání prgramem SURFER, např. Obr.5 Obr.5 Rzlžení tvrdstí HV 1 na svém řezu

6 Simulace kmpresníh testu Na základě vstupních hdnt gemetrie vzrku p kmpresním testu TAT za různých rychlstí dpadu vzrku, statické meze kluzu σ z pěchvacích zkušek a statních fyzikálních parametrů předmětnéh materiálu byla prvedena pčítačvá simulace kmpresníh testu prgramem MKP LS DYNA 3D. Psuzení shdy tvaru vzrků p TAT s výsledky simulací Obr.6 Příklad prvnání gemetrie vzrku p TAT s výsledky simulace Výsledkem simulace je stanvení parametrů B, C, n, m, knstitutivní rvnice Jhnsn- Cka, Obsah databáze materiálu 1.Název databáze 2.Klasifikace materiálu 3.Označení, zahraniční ekvivalenty, pužitý pltvar 4.Chemické slžení dle nrmy a aktuální tavby 5.Mechanické vlastnsti a pevnstní a fyzikální knstanty -dle ČSN -dle ddanéh stavu -dle aktuálníh stavu 6.Hllmnva aprximace tahvé zkušky 7.Výchzí struktura ddanéh materiálu 8. Aktuální struktura p tepelném zpracvání 9.Parametry knstitutivní rvnice Jhnsna-Cka 10.Křivky defrmačních dprů pr rychlsti přetvření 0, s Vybrané struktury p kmpresním testu TAT a jejich hdncení.

7 Seznam pužité a suvisející literatury [1] HOLMQUIST,TJ.-JOHNSON,G.R.: Determinatin f cnstants and cmparisn f results fr varius cnstitutive mdels. In:. J.Phys. Cllque. C3, Supplement au Jurnal de Physique III, Vl.1 ctber 1991, p [2] MAYERS, Marc.A.: Dynamic Behaviur f Materials. A Wiley-Interscience Publicatin. ISBN X. Jhn Wiley & Sns, Inc. New Yrk, Trnt, 1994, pp 668 [3] MIMURA,K.,TANIMURA,S.: A practical and phenmenlgical rate-sensitive cnstitutive relatin with a unified set f parameters fr varius metallic materials. In: Prceedings f the Asia -Pacific Sympsin n Advances in Engineering Plasticity and its Applicatins -AEPA 96, Hirshima, Japan. Edited by T.Abe and T.Tsuta, Elsevier Science Ltd., Pergamn, Oxfrd, Tky 1996, p [4] VALENTIN,T.,- MAGAIN,M. and all.: Validatin f Cnstitutive Equatins fr Steel. J.Phys. IV France 7 (1997). Cllque. C3, Supplement au Jurnal de Physique III d aut 1997, p [5] BUCHAR,J.-KREJČÍ,J.-FOREJT,M.: Material mdels used in the numerical simulatin f the Penetratin. In. Prceedings PAM 97, Engineering System Internatinal, Pam System Internatinal, ESI Grup CD ROM, pp 11 [6] MEYER,L.W.-SEIFERT,K.-MAEK,S.Ab.: Behaviur f Quenched and Tempered Steels under High Strain Rate Cmpressin Lading. Jurnal Physique III, Cllquia C3, France 1997, pp [7] FOREJT,M.-JOPEK,M.-BUCHAR,J.: Cnstitutive Equatins fr the Behaviur f BCC Steels at High Strain Rates. In.: 9 th Internatinal Metallurgical Cnference METAL 2000 Ostrava, Sympsium B. CD ROM, ISBN TANGER s.r.. Ostrava May , pp 214/1-214/6 [8] HUML, P.: Flw stress under cld frming cnditins. In 9 th Internatinal Metallurgical Cnference METAL2000, Htel ATOM Ostrava, Publisher TANGER spl. s r.. Ostrava n CD ROM, ISBN , p. B2-/1-B2- /10. [9] FOREJT,M., BUCHAR,J. JOPEK,M., KREJČÍ,J.. Parametric numerical studies f the Taylr test. In METAL 2002 Hradec nad Mravicí. Prceedings f the 11 th Internatinal Metalurgical & Materials Cnference, Sympsium B. 1 st ed. Ostrava, TANGER, TU-VŠB and CSNMT, Ostrava, May Vlume 1. p 80/1-80/7. CD ROM, ISBN [10] FOREJT,M., KREJČÍ,J., JOPEK,M., BUCHAR,J, PERNICA,Z.: Dynamic mdels f frmed mar terials. Acta Mechanica Slvaca. 2002, Rčník 6. Čísl 2, pp ISSN