ANDRZEJ GONTARZ, ANNA DZIUBIŃSKA

Transkrypt

1 ANDRZEJ GONTARZ, ANNA DZIUBIŃSKA Politechnika Lubelska, Katedra Komputerowego Modelowania i Technologii Obróbki Plastycznej ul. Nadbystrzycka 36, Lublin a.gontarz@pollub.pl Własności stopu magnezu MA2 (wg GOST) w warunkach kształtowania na gorąco Properties of MA2 magnesium alloy in hot forming conditions Streszczenie W opracowaniu przedstawiono wyniki badań własnych i dane literaturowe dotyczące własności stopu magnezu MA2 (wg GOST). W pierwszej części scharakteryzowano własności wytrzymałościowe i plastyczne w zakresie temperatur 20 C 450 C. Poruszono również aspekty technologiczne procesu kucia na gorąco tego stopu. W drugiej części opracowania przedstawiono wyniki badań krzywych płynięcia przeprowadzonych w temperaturach 250 C, 350 C, 450 C przy prędkościach odkształcenia 0,1 s -1, 1 s -1, 10 s -1. Krzywe doświadczalne uzyskane w próbie ściskania opisano funkcjami stosowanymi w programach przeznaczonych do symulacji procesów kształtowania plastycznego metali. Do wyznaczania współczynników funkcji zastosowano metodę optymalizacji Generalized Reduced Gradient (GRG2) zaimplementowaną w programie Microsoft Excel. Na podstawie uzyskanych rezultatów określono funkcję, która wykorzystana zostanie do analiz teoretycznych w badaniach procesów kształtowania stopu MA2. Abstract The results of worked out research and literature data concerning MA2 (GOST) magnesium alloy are presented. In the first part, strength and plastic parameters in temperature range 20 C 450 C are characterized. The technological aspects of this alloy hot forging process are described. In the second part, the results of flow curves research worked out at temperatures of 250 C, 350 C, 450 C and strain rates of 0,1 s -1, 1 s -1, 10 s -1 are shown. Experimental flow curves obtained in compression test are described by functions applied in specialized software used in metal forming processes calculations. For the determination of function coefficients Generalized Reduced Gradient (GRG2), optimization method implemented in Microsoft Excel was used. Basing on obtained results, the function, which will be applied in theoretical analysis of MA2 alloy forming processes, was determined. Słowa kluczowe: stop magnezu MA2, własności wytrzymałościowe, własności plastyczne, krzywe płynięcia Keywords: MA2 magnesium alloy, strength parameters, plastic parameters, flow curves

2 1. Wstęp. Stopy magnezu ze względu na swoją małą masę właściwą i dobre własności wytrzymałościowe są interesującym materiałem dla producentów lotniczych. W warunkach przemysłu krajowego szereg części produkowanych jest z półfabrykatów wykonanych w większości metodami odlewania. Bardzo rzadko stosowane są odkuwki, m.in. z tego powodu w polskich kuźniach nie są rozwijane technologie kształtowania plastycznego stopów magnezu. Celowym jest zatem prowadzenie badań w zakresie wytwarzania części ze stopów magnezu metodami obróbki plastycznej. Prawidłowe projektowanie procesów kształtowania uwarunkowane jest znajomością własności materiału i wpływu parametrów technologicznych na jakość wyrobu finalnego. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań własnych oraz informacje literaturowe dotyczące technologii kucia i własności stopu magnezu MA2 (wg GOST 14957), którego skład chemiczny podano w tab. 1. Tab.1. Skład chemiczny stopu magnezu MA2 (% mas.). Tab. 1. Chemical composition of MA2 magnesium alloy (%wt). Fe Si Mn Ni Al Cu Be Zn Mg Inne 0,15 do 0,2 94,4 do 0,05 do 0,1 3 4 do 0,05 do 0,02 0,3 0,5 0,005 0,8 97,65 2. Własności stopu MA2 i aspekty technologiczne kucia. Stop MA2 przeznaczony jest do kształtowania plastycznego na gorąco. Stosowany jest do kucia na młotach i prasach części o złożonym kształcie. Gęstość stopu MA2 w temperaturze otoczenia wynosi 1,78 g/cm 3, natomiast temperatura topnienia wynosi 615 C. Maksymalna temperatura pracy ciągłej elementów z tego stopu wynosi 150 C, natomiast okresowo mogą one pracować do 200 C. W temperaturze pokojowej wytrzymałość na rozciąganie wynosi R m = 280 MPa, umowna granica plastyczności R 0,2 = 180 MPa, wydłużenie A 5 =10%. Nagrzewanie stopu powoduje zmniejszenie jego własności wytrzymałościowych, natomiast podwyższenie własności plastycznych, co przedstawiono na rys. 1 [1]. W podwyższonych temperaturach zmieniają się własności fizyczne (tab. 2) a także, pomimo że zachodzi rekrystalizacja, stop charakteryzuje się anizotropią. Własności wytrzymałościowe i plastyczne próbek wyciętych wzdłuż włókien są wyższe od własności próbek wyciętych w poprzek włókien (rys. 1). 2

3 Wydłużenie A, % 5 R, R, MPa Tab. 2. Własności fizyczne stopu MA2 w różnych temperaturach [2] Tab. 2. Physical properties of MA2 alloy at different temperatures [2] Lp. Własność fizyczna Temperatura, C Współczynnik przewodności 1 cieplnej, W m -1 K -1 67,1 72,7 83,9 95,2 101,7 101,2 2 Ciepło właściwe, J kg -1 K Współczynnik rozszerzalności liniowej (przy nagrzewaniu), 10-6 K -1 25, Współczynnik rozszerzalności liniowej (przy chłodzeniu), 10-6 K -1 28, a) m 0,2 b) 200 R m - wzdłuż włókien 150 R m - w poprzek włókien R 0,2 - wzdłuż włókien R 0,2 - w poprzek włókien Temperatura, oc Wzdłuż włókien W poprzek włókien Temperatura, oc Rys. 1. Zależność własności wytrzymałościowych (a) i plastycznych (b) stopu MA2 od temperatury [1] 3

4 R, R, MPa Fig. 1. Dependency of strength properties vs. temperature (a) and plastic properties vs. temperature (b) of MA2 alloy [1] Przy kuciu na gorąco stopu MA2 zakres temperatury kształtowania zależy od maszyny kuźniczej, w której realizowany jest proces. W przypadku młotów temperatura początku kucia wynosi 430 C, a końca 340 C. Przy kuciu na prasach temperatury te wynoszą odpowiednio 420 C i 300 C. Własności wytrzymałościowe odkuwek wykonanych w procesach kucia na gorąco można zwiększyć stosując operację dokucia w temperaturach C z odkształceniem względnym 10 15%. Na rys. 2 przedstawiono własności wytrzymałościowe odkuwek w zależności od temperatury kucia (linia ciągła) oraz własności jakie uzyskuje się stosując operację dokucia po nagrzaniu odkuwki do 230 C (linia przerywana). Jak widać po dokuciu uzyskuje się wzrost własności wytrzymałościowych od kilku do kilkunastu procent [1]. Poza tym następuje rozdrobnienie struktury, co jest również korzystne w aspekcie własności wytrzymałościowych m 0, R m - po kuciu R - po dokuciu w temp. 230 o m C 150 R 0,2 - po kuciu R - po dokuciu w temp. 230 o 0,2 C Temperatura, oc Rys. 2. Własności wytrzymałościowe stopu MA2 po kuciu w różnych temperaturach oraz po operacji dokucia w temperaturze 230 C Fig. 2. Strength properties of MA2 alloy after forging at different temperatures and after final forging at 230 C 3. Badania plastometryczne. Nowoczesne projektowanie technologii związane jest z symulacjami numerycznymi, w których istotnym czynnikiem warunkującym dokładność obliczeń jest model materiałowy. Głównym jego elementem jest natomiast zależność pomiędzy naprężeniami i odkształceniami przy różnych warunkach kształtowania, zwanych krzywymi umocnienia lub krzywymi płynięcia. W związku z prowadzonymi pracami 4

5 badawczymi nad technologią kształtowania stopu MA2, autorzy opracowania uznali za celowe wyznaczenie takich zależności w próbie ściskania na dylatometrze DIL 805 A/D. Do badań zastosowano próbki walcowe o wymiarach 5 10mm. W celu określenia wpływu prędkości odkształcenia na wartość naprężeń uplastyczniających przy uwzględnieniu możliwości technicznych stosowanego urządzenia badawczego zaplanowano trzy prędkości odkształcenia: 1 =0,1 s -1, 2 =1 s -1, 3 =10 s -1. Badania przeprowadzono w temperaturze: t 1 =250 C, t 2 =350 C, t 3 =450 C. Przy każdych parametrach stosowano trzykrotny pomiar, a wyniki uśredniano. W czasie badań w temperaturze 350 C i prędkości odkształcenia 10 s -1 wystąpiły problemy techniczne i w związku z tym danych dla tego zakresu parametrów nie uwzględniono w dalszej analizie. Przebiegi naprężeń uplastyczniających w funkcji odkształcenia dla stosowanych prędkości odkształcenia i temperatur przedstawiono na rys Uzyskane wyniki badań opisano funkcjami uzależniającymi wartość naprężeń uplastyczniających od parametrów odkształcenia. W opisywanym przypadku wybrano dwie funkcje o postaci [3, 4]: oraz gdzie: odkształcenie zastępcze, ε prędkość odkształcenia, s -1, t temperatura badania, C, T temperatura badania, K, B D A exp( C ) p exp( E t) (1) B C T p A exp( D ) A, B, C, D, E, F, G stałe współczynniki. E F T exp( G T) (2) 5

6 Naprężenia uplastyczniające, MPa Naprężenia uplastyczniające, MPa 250 dośw. funkcja 1 funkcja s o C 1 s -1 0,1 s Odkształcenie Rys. 3. Porównanie krzywych doświadczalnych z krzywymi teoretycznymi wyznaczonymi na podstawie funkcji (1)i (2) dla temperatury 250 C Fig. 3. The comparison of flow curves obtained in experiment with theoretical ones determined by function (1) and (2) at temperature 250 C dośw. funkcja 1 funkcja s -1 0,1 s o C Odkształcenie Rys. 4. Porównanie krzywych doświadczalnych z krzywymi teoretycznymi wyznaczonymi na podstawie funkcji (1)i (2) dla temperatury 350 C Fig. 4. The comparison of flow curves obtained in experiment with theoretical ones determined by function (1) and (2) at temperature 350 C 6

7 Naprężenia uplastyczniające, MPa dośw. funkcja 1 funkcja s o C 1 s -1 0,1 s Odkształcenie Rys. 5. Porównanie krzywych doświadczalnych z krzywymi teoretycznymi wyznaczonymi na podstawie funkcji (1) i (2) dla temperatury 450 C Fig. 5. The comparison of flow curves obtained in experiment with theoretical ones determined by function (1) and (2) at temperature 450 C Funkcje (1) i (2) uwzględniają wpływ mierzonych w czasie badań parametrów: odkształcenia, prędkości odkształcenia i temperatury, na wartość naprężeń uplastyczniających. Do wyznaczania współczynników funkcji A G zastosowano metodę optymalizacji Generalized Reduced Gradient (GRG2) zaimplementowaną w programie Microsoft Excel. Funkcja celu zdefiniowana została równaniem: 1 k i k 1 pt pex 2 pex 2 % (3) gdzie: pt wartość naprężeń uplastyczniających obliczonych w oparciu o funkcje (1) i (2), pex doświadczalna wartość naprężeń uplastyczniających, k liczba punktów pomiarowych. Należy zaznaczyć, że krzywe uzyskane dla temperatury 250 C i prędkości 1 s -1 i 10 s -1 wykazują inny charakter przebiegu od pozostałych krzywych (rys. 3). Po początkowym dużym wzroście wartości naprężeń i osiągnięciu maksimum następuje gwałtowny spadek naprężeń wraz ze zwiększeniem odkształcenia. W celu zmniejszenia błędu obliczeń nie uwzględniono ich przy wyznaczaniu współczynników funkcji. Na podstawie wstępnych obliczeń stwierdzono, że na dokładność wyników znacząco wpływa duża liczba punktów pomiarowych dla zakresu małych wartości odkształceń, które z punktu widzenia procesów obróbki plastycznej mają ograniczone znaczenie. Uwzględnienie danych 7

8 dla tego zakresu generuje błędy; powoduje zwiększenie różnicy pomiędzy wartościami zmierzonymi i teoretycznymi wraz ze wzrostem odkształceń. Sprawdzono, że zdecydowanie lepsze dopasowanie (mniejsza wartość funkcji celu) występuje w przypadku wyznaczenia funkcji dla odkształceń większych od 0,1. Z tego powodu w dalszych obliczeniach zakres małych odkształceń został pominięty. Z drugiej strony, przyjęcie takiego założenia spowodowało, że wyznaczone funkcje miały charakter hiperboli tzn. w zakresie odkształceń bliskich zera wartości naprężeń dążyły do nieskończoności. Stwarza to komplikacje w zaimplementowaniu takich funkcji w programach obliczeniowych. Aby uniknąć tych niedogodności stosowano ograniczenia wartości dla odpowiednich współczynników. Przykładowo, dla funkcji (1) założono, że współczynnik B>0. Uwzględniając powyższe uwagi wykonano obliczenia optymalizacyjne, których wyniki przedstawiono w tab. 3 oraz na rys Na podstawie uzyskanych rezultatów stwierdzono, że zastosowanie funkcji (2) powoduje lepszą zgodność z wynikami doświadczalnymi niż zastosowanie funkcji (1). Stąd też przyjęto, że funkcja (2) wykorzystana zostanie do opisu modelu materiałowego przy analizach procesów kształtowania plastycznego stopu MA2. Tab.3. Wyznaczone wartości współczynników funkcji (1) i (2) Tab. 3. Determined values of coefficients of functions given by (1) and (2) Nr funkcji Współczynniki Funkcja celu A B C D E F G, % (1) 765,8 0,212-1,013 0,166-0, ,674 (2) 4087,2 0, 0, ,034 0,408-0, , , Wnioski. Na podstawie przeprowadzonych analiz sformułowano następujące wnioski: 1. Stop MA2 charakteryzuje się anizotropią własności wytrzymałościowych i plastycznych nawet w temperaturach wyższych od temperatury rekrystalizacji. Potwierdzają to wyniki badań statycznych próbek wyciętych wzdłuż i w poprzek włókien. 2. Stop MA2 wykazuje dużą czułość na prędkość odkształcenia w całym zakresie temperatur stosowanych w badaniach plastometrycznych. Najwyraźniej jest to widoczne w temperaturze 250 C, w której przy prędkości odkształcenia =10 s -1 naprężenia uplastyczniające przekraczają wartość 200 MPa, natomiast przy prędkości odkształcenia =0,1 s -1 są one ponad dwukrotnie mniejsze. Procesy kształtowania badanego stopu korzystniej jest więc realizować przy zastosowaniu maszyn kuźniczych o małych prędkościach ruchu narzędzi. 8

9 3. Wyniki badań plastometrycznych wykazały, że w temperaturze 250 C stop MA2 ulega stosunkowo dużemu umocnieniu odkształceniowemu, w szczególności przy dużych prędkościach odkształcenia. Wyniki te są zgodne z podawanymi w literaturze specjalistycznej zakresami temperatur kucia, zawierającymi się w przedziale 300 C 430 C. Jest to niekorzystne z technologicznego punktu widzenia, ze względu na trudność utrzymania temperatury odkształcanego materiału w tak wąskim zakresie. Należy zatem przypuszczać, że odpowiednim procesem kształtowania badanego stopu może być kucie izotermiczne. Badania realizowane w ramach Projektu "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. 5. Literatura [1] Kornijev N. I. i in.: Kovka i sztampovka cvetnych metallov. Spravocznik. Izdatielstvo Masinostrojenije, Moskva [2] [3] Hadasik E., Ploch A., Schindler I., Machulec B.: Wykorzystanie technik komputerowych do realizacji badań plastometrycznych. Materiały III Konferencji nt. Zastosowanie Komputerów w Zakładach Przetwórstwa Metali KomPlasTech 96, Koninki, 8-10 stycznia 1996, s [4] Gałkin A.M.: Badania plastometryczne metali i stopów. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa