SIMULACE PROTLAČOVÁNÍ SLITIN Al NÁSTROJEM ECAP S UPRAVENOU GEOMETRIÍ A POROVNÁNÍ S EXPERIMENTY Abstrakt Jan Kedroň, Stanislav Rusz, Stanislav Tylšar VŠB Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical engineering, 17. Listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, Czech Republic Příspěvek se zabývá matematickou simulací procesu protlačování upraveným nástrojem ECAP ve 3D prostoru a porovnáním s vlastními experimenty. Matematickou simulací lze řešit i velmi složité technologické operace, které jsou neřešitelné nebo obtížně řešitelné analytickými metodami, popř. kde by použití analytického řešení bylo příliš zjednodušující. V příspěvku jsou prezentovány provedené matematické simulace a stanovení velikosti deformačně-napěťového stavu u slitin Al v programu Simufact.forming 9.0. Současně byly provedeny experimentální zkoušky v laboratoři pomocí hydraulického lisu DP 1600 za studena a při teplotě 150 C a následné vyhodnocení struktur metodami TEM a SAED. Dále je představen směr vývoje v oblasti konstrukčního řešení nástrojů pro technologii vícenásobného tváření za účelem zvýšení stupně deformace po prvním a více průchodech nástrojem. Finálním záměrem je dosažení velmi jemnozrnné (UFG) struktury ve tvářeném polotovaru. Keywords: UFG, ECAP, plastická deformace 1. ÚVOD Technologie ECAP, neboli protlačování pravoúhlým rovnostranným kanálem, využívá k vytvoření UFG struktury deformaci střihem. Cílem dané metody je vytvoření extrémní plastické deformace v materiálu bez změny průřezu vzorku. Díky tomu, že vzorek nemění svůj průřez je možno využít kumulace mechanismů deformačního zpevnění po jednotlivých průchodech nástrojem [1]. Dosažení extrémní plastické deformace je možné pouze opakovaným protlačováním vzorků nástrojem. Protlačování je realizováno průchodem vzorků nástrojem, ve kterém se protínají dva kanály svírající úhel obvykle 90, daný úhel se může měnit. Právě při průchodu vzorku oblastí, kde se kanály protínají, dochází ke střihovému namáhání s intenzitou deformace po jednom průchodu obvykle rovnu 1. Tato hodnota je závislá na vnitřním a vnějším úhlu kanálu nástroje viz. vztah 1. 2 n φ ψ 1 ε = cot + + ψ (1) VM 3 2 2 φ ψ sin + 2 2 Z výše uvedeného vztahu vyplývá, že dosažením většího stupně deformace po jednom průchodu lze docílit úpravou geometrie kanálu. Optimální geometrie kanálu byla zkoumána v mnoha pracích, z výsledků se jeví jako optimální úhly Φ = 90 a Ψ = 20. N ve vztahu zohledňuje počet průchodů nástrojem, čímž se počítá s kumulací intenzity deformace po jednotlivých průchodech. Dalším parametrem, který ovlivňuje výslednou strukturu a tím i mechanické vlastnosti je vhodná volba cesty deformace.
2. KONSTRUKCE ECAP SE ŠROUBOVICÍ V HORIZONTÁLNÍ ČÁSTI KANÁLU Nástroj se šroubovicí v horizontální části kanálu s pootočením o 10 má poloměry kanálu R1 = 2,5 mm, R2 = 0,5 mm a úhly kanálu φ = 90, ψ = 90, λ = 10. Hlavním cílem využití šroubovice je simulování zpětného tlaku a tím zvýšení protlačovací síly. Takto modifikovaný nástroj ECAP se šroubovicí 10 je zobrazen na obrázku 1. Na obrázku 2 je zobrazeno celé pracoviště pro provedení experimentálních zkoušek na hydraulickém lisu DP 1600. Předpoklad zvýšení stupně deformace změnou cesty deformace ve vzorku po jednotlivých průchodech kanálem s touto upravenou geometrií byl správný. Uvedený konstrukční návrh bude předmětem dalšího vývoje. Obr. 1 Nástroj ECAP se šroubovicí v horizontálním kanálu s pootočením 10 Obr. 2 Pracoviště pro ověřování nového nástroje ECAP 3. MATEMATICKÁ SIMULACE TECHOLOGIE ECAP S NOVOU GEOMETRIÍ NÁSTROJE a) b) Obr. 3 Velikost intenzity deformace dosažená po a) 1. průchodu, b) 5. průchodu Tab. 1 Dosažené hodnoty intenzity deformace slitiny AlMn1Cu Typ průchodu Materiál Simulační program Počet průchodů 1. 2. 3. 4. 5. Klasický kanál AlMn1Cu Simufact.forming 1.1 2,0 2,8 3,5 4,3 Šroubovice 10 AlMn1Cu Simufact.forming 1,15 2,15 3,1 4 5 Výsledky matematické simulace, pomocí softwaru Simufact.forming, jednoznačně potvrdily přínos nově navržené geometrie nástroje ECAP ke zvýšení efektivity procesu SPD.
4. EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ SIMULACÍ Z dosažených výsledků byl jednoznačně prokázán velký vliv změny konstrukce nástroje ECAP na nárůst přetvárného odporu a tímto i zpevnění dané slitiny v jednotlivých průchodech. Důležitým poznatkem experimentu je nárůst přetvárného odporu u nástroje se šroubovicí v 5. průchodu, jenž zároveň predikuje dosažení vysokého stupně deformace a vede k podstatnému zjemnění zrna a zefektivnění procesu ECAP. a) b) Obr. 4 Naměřené hodnoty přetvárného odporu po a) 1. průchodu, 5. Průchodu 4.1 Metalografická analýza Metalografická analýza výsledné struktury slitiny AlMn1Cu byla provedena metodou TEM a pomocí metody SAED. Analýzy se týkají počátečního stavu a stavu po 5. průchodu vzorku upraveným nástrojem ECAP se šroubovicí 10. Zkušební destičky o tloušťce 3mm byli použity ze vzorku po 5. průchodu. Destičky byli dále broušeny a leštěny do konečné tloušťky 0,13 0,15 mm. Takto připravené vzorky byli použity pro metalografickou analýzu na TEM mikroskopu Philips Tecnai 20 (zrychlující napětí 200kV). Struktura je tvořena zrny o přibližně stejné velikosti. Tyto zrna obsahují krystaly Mn, Cu a na obr. 5 a 6 jsou zbarveny šedě nebo černě. V základní matrici Al se chovají jako precipitáty, které zpevňují daný materiál a zamezí sekundárnímu růstu zrn. Existence precipitátu je velmi důležitá, protože čistý hliník má po procesu ECAP tendenci hrubnutí zrna a ztráty dosažených mechanických vlastností. Počáteční velikost zrna dosahovala hodnot řádově 150-200 mm. Podstatné zjemnění bylo dosaženo z výchozí průměrné velikosti 150 µm na 250 nm. Obr. 5 Metalogragická analýza počáteční stav získaný metodami TEM a SAED
Obr. 6 Metalografická analýza stav po 5. průchodu nástrojem ECAP získaný metodami TEM a SAED 5. ÚPRAVA NÁSTROJE S CÍLEM ZVÝŠENÍ INTENZITY DEFORMACE Nástroj se šroubovicí v horizontální části kanálu s pootočením o 30 má poloměry kanálu R1 = 2,5 mm, R2 = 0,5 mm a úhly kanálu φ = 90, ψ = 90, λ = 30. Schéma šroubovice je zobrazeno na obrázku 7. Obr. 7 Schéma nástroje ECAP se šroubovicí v horizontálním kanálu s pootočením o 30 Nový konstrukční návrh tvářecího nástroje ECAP (kombinace ECAP s Twist extrusion) dává velmi dobrý předpoklad zvýšení efektivity procesu SPD s ohledem na zvýšení stupně deformace v protlačovaném vzorku už v prvním i v dalších průchodech tvářecím nástrojem. Teoreticky je předpoklad až 30 % zvýšení stupně deformace v jednotlivých průchodech (ověřeno matematickou simulací). V dalším vývoji nástroje ECAP budeme vycházet právě z této nové koncepce. 6. ZÁVĚR Pro zvýšení stupně deformace je důležitým faktorem úprava geometrie nástroje. Cílem je snížení počtu průchodů nástrojem ECAP. Po prvním průchodu nástrojem ECAP s upravenou geometrií nástroje je stupeň deformace vyšší než při použití nástroje bez úpravy geometrie. Výsledkem je zvýšení stupně deformace vedoucí k vyššímu zjemnění zrna a tím k celkovému zvýšení efektivity procesu vícenásobné plastické deformace.
Daný předpoklad byl ověřen a potvrzen. V průběhu matematické simulace dochází k nárůstu maximálních hodnot intenzity deformace a také intenzity napětí v závislosti na dráze průtlačníku. Daný průběh byl potvrzen experimentálními zkouškami (slitina AlMn1Cu). 7. PODĚKOVÁNÍ Práce byla vytvořena za podpory Grantové agentury České republiky (grant č. GA 101/08/1110). LITERATURA [1] SHAORIU, Z., CHANG, O., Peng, Y. Numerical analysis of nano-crystalline materials during ECAP by dislocation evoluetion method. Rev. Adv. Material Science and Forum, July 2007, vol. 558, ISSN 0255-5476, p. 687 690. [2] VARYUKHIN,V., SYNKOV, S., ORLOV, D. Aplication of twist extrusion. Rev. Adv. Materials Science and Forum, January 2006, vol. 504, ISSN 0255-5476, p. 335 338. [3] ORLOV, D., at. al. Materials Transactions, Vol. 49, 2008, No. 1., ISSN 1345-9678, p. 2-6. [4] STOLYAROV, V. V., at. al. The Physics of Metals and Metallography, Vol. 99, 2005, No. 2, ISSN 0031-918X, p. 204 211. [5] DOBRZAŃSKI, L. A., at. al. Structure changes and mechanical properities of laser alloyed magnesium cast alloys. Archieves of Materials Science and Engineering, Vol. 35, 2009, ISSN 1897-2764, 77-82. [6] HAGA, T., at. al. Roll casting of 5182 aluminium alloy, Journal of Achievements of Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 34, 2009, ISSN 1897-2764, 172-179.