1. Введение
В настоящее время одним из перспективных методов изготовления изделий сложной формы является 3D-печать металлами.
Применение аддитивных технологий становится все более актуальным для промышленности ввиду снижения общей себестоимости получаемых изделий. Существует ряд технологий аддитивного выращивания (АВ) изделий, среди которых наибольшее развитие получили технологии SLM (лазерное спекание порошков) и WAAM (электродуговая наплавка). Метод SLM обеспечивает получение более высокоточных заготовок изделия, чем метод WAAM, однако стоимость сварочной проволоки дешевле порошка в 2-10 раз. Несмотря на преимущества АВ, практически во всех случаях требуется постобработка – как минимум, это термообработка для снятия напряжений.
Метод WAAM является наиболее производительным (до 15 кг/ч), позволяет изготавливать крупногабаритные изделия и наиболее знаком для отечественного производства, т.к. электродуговая наплавка и сварка применяются практически на любом предприятии, где работают с металлами. Металлургическое качество получаемых изделий с помощью наплавки проволокой заметно выше всех популярных на сегодняшний день аддитивных технологий. Проволока, в отличие от порошка, имеет гомогенную структуру без оставшихся при его производстве газов, включений частиц с неудовлетворительной морфологией и формой, проблем с недостаточной или избыточной температурой сплавления, и т.п. Высокотемпературная ванна расплава получается достаточно большой и однородной. Удается достичь относительно низкой пористости наплавленного металла на уровне 0,9-2%, без трещин и несплавлений в зоне термического влияния и с единичными порами.
2. Научная проблема. Цель работы
Исследование эволюции процесса деформационного упрочнения и разрушения металлов является предметом многочисленных работ. В последние годы развиваются новые представления о процессах деформации и разрушения металлических материалов, в основу которых положено использование положений теории синергетики [1], [3], [4], [5]. В работе [3] твердое тело при деформировании рассматривается как многоуровневая самоорганизующаяся система, в которой механизмы деформации на разных масштабных уровнях органически взаимосвязаны в соответствии с принципом масштабной инвариантности. В процессе механического нагружения эта система эволюционизирует и адаптируется к приложенным воздействиям, а элементы ее внутреннего строения (микроструктура) способны к саморегуляции.
В этой связи, актуальной задачей, является разработка таких методик исследования структурных изменений в материалах в процессе деформации, которые могли бы фиксировать эволюционные переходы структурных изменений с более низкого масштабного уровня на более высокий, с количественной оценкой устойчивости структурного состояния.
Одним из методов, представляющих такую возможность, на наш взгляд, является метод акустической эмиссии (АЭ), возможности которого последнее время существенно возросли, благодаря бурному развитию вычислительной техники.
Несмотря на то, что метод АЭ не является прямым методом исследования, он позволяет контролировать структурные изменения в материале в режиме реально времени и отличается высокой чувствительностью к зарождению и развитию дефектов различного уровня. Большинство работ [9], [11], [12], [14] в направлении использования метода АЭ в экспериментальной практике исследования процессов деформации и разрушения металлических материалов посвящено выбору наиболее информативных параметров для однозначной идентификации их с реальными физическими процессами, протекающими в материале.
Согласно [14], метод акустической эмиссии является идеальным способом сбора данных о накопленных повреждениях в конструкции в целом, так как позволяет выявить сразу все развивающиеся дефекты одновременно.
На наш взгляд, кооперативное поведение дефектов в процессе силового нагружения позволяет рассматривать систему активно-развивающихся дефектов как единый фрактал дефектов. С другой стороны, для качественной оценки фрактала дефектов, необходимы информационные элементы, характеризующие процессы структурных перестроений, происходящих под действием внешних условий.
В процессе внешнего силового воздействия металл теряет структурную устойчивость. Параметрами, характеризующими устойчивость структурного состояния металлов, на основе подходов нелинейной динамики, являются DF фрактальная размерность. В частности, в ряде работах [6], [7], [8] показана связь механических свойств различных металлов с величиной DF фрактальной размерности.
Таким образом, с позиций современных представлений о процессах деформации и разрушения, твердое тело рассматривается как многоуровневая система, а для анализа структурных изменений используются фрактальные представления.
Отсутствие критериев оценки масштабного уровня деформации и ПО для их расчета по сигналам АЭ, сдерживает ее применения для решения вышеуказанных задач.
В НГТУ им. Р.Е. Алексеева, получило развитие новое научное направление – цифровое материаловедение, включающее подходы нелинейной динамики, искусственного интеллекта и фрактального анализа. В этой связи структуру металла следует рассматривать как динамическую систему.
Параметр DF фрактальная размерность, по отношению к металлам, будет определять их структурную устойчивость. В частности, он будет определять число степеней свободы, т.е. возможных перемещений зерен структуры в процессе деформации металла. Обычно он ниже двух. Причем, чем ниже фрактальная размерность структуры, тем она устойчивее. Изрезанные границы зерен также фрактальны [7] и обусловливаются дробной размерностью от 2 ≤DF≤ 3. Указанные высокие значения фрактальной размерности границ зерен свидетельствуют об их неустойчивости
В настоящей работе рассматривается экспериментальный подход к идентификации структурных перестроек в деформируемом твердом теле на основе подходов нелинейной динамики и фрактального анализа сигналов акустической эмиссии, составляющих основу нового научного направления – цифрового материаловедения на примере исследования структурных изменений в металле заготовок из нержавеющей стали 07Х25Н13, полученного методом WAAM, до и после термообработки, обеспечивающей повышение механических свойств.
Необходимо отметить, что структурные изменения в металле напечатанных заготовок, из рассматриваемой аустенитной стали 07Х25Н13, в процессе упруго-пластической деформации, изучена недостаточно. Следовательно, исследование структурообразования в аустенитных сталях, полученных методом электродуговой наплавки (WAAM) при деформации растяжением и с последующей термической обработкой, является актуальными.
3. Методика исследований
Для исследования эволюции динамики и устойчивости структуры металла образцов из нержавеющих стали 07Х25Н13, полученных аддитивным выращиванием, были проведены экспериментальные исследования. В качестве оборудования для растяжения образцов была применена разрывная машина Tinius Olsen H100 KU. В ходе каждого эксперимента, синхронно с процессом деформации образца при растяжении, регистрировались сигналы АЭ с помощью высокоточных датчиков акустической эмиссии GTU200U, GT250, GT350 производства компании Глобал Тест, закрепленных на образцах. Использовались аналого-цифровые преобразователи 4431 и 6356 производства компании National Instruments и персональный компьютер со специально разработанным нами ПО [11].
Для этой цели берется временной ряд сигналов ВАЭ, снятый в процессе деформации образцов. Однако временной ряд, полученный непосредственно с датчиков, помимо полезной информации несет значительную долю шума. Следовательно, перед использованием этого сигнала необходимо выполнить его очистку от шума.
Поскольку в динамике процесса растяжения нас интересует в основном частотно-фазовая характеристика, то очистка сигнала АЭ от шума осуществлялось с помощью алгоритмов, основанных на вейвлет-преобразовании.
На основе полученных сигналов АЭ, используя подходы нелинейной динамики, производилась реконструкция аттракторов динамической системы образцов из металла заготовок, полученных аддитивным выращиванием. Определялась DFфрактальная размерность и λi показатели Ляпунова с использованием специального программного обеспечения [11].
4. Структура и механические свойства металла заготовок из нержавеющей стали, полученные аддитивным выращиванием
На рис. 1 показана структура стали 07Х25Н13, полученная методом WAAM в двух вариантах: без термообработки (ТО) и после аустенизации.
Структура образца после наплавки: а - х100; б - х200
Как следует из рис.1а, в структуре металла заготовки из нержавеющей стали, полученной методом WAAM, выявлена грубая дендритная структура. Дендриты ориентированы нормально к поверхности наплавочного валика, что обусловлено направлением теплоотвода из-за большой толщины слоя.Дендриты, залегающие в глубине наплавленного металла, имеют более развитое строение границ. Однако в целом структура наплавленного металла схожа с микроструктурой, получаемой в результате кристаллизации аустенитной стали. После аустенизации структура металла заготовок размер дендритов в целом уменьшается относительно микроструктуры после наплавки. Данный эффект свидетельствует о более полном протекании диффузионных процессов при аустенитизации. Наблюдается сфероидизация дендритных составляющих с сохранением их общей направленности. Процентное содержание δ-феррита и σ-фазы после данной обработки значительно уменьшается.
В табл. 1 представлены основные механические свойства образцов исследованной стали, в частности, полученной методом WAAM без ТО, и после аустенизации.
Механические свойства стали 07Х25Н13, полученной электродуговой наплавкой, в разных состояниях
| Состояние материала | в МПа | 0,2 Мпа | δ, % |
| Сталь 07Х25Н13, после выращивания методом WAAM | 581,1 | 307 | 47,7 |
| Сталь 07Х25Н13, после выращивания методом WAAM + аустенизация | 503,4 | 240 | 51,3 |
Как видно из табл. 1, термообработка (аустениизация), проведенная после наплавки, повышает пластичность, однако предел прочности снижается.
На рис.2 представлены результаты фрактографического анализа изломов из металла образцов, изготовленных из заготовок после аддитивного выращивания, и из металла образцов, подвергнутых аустенизации (табл. 1), с использованием электронной микроскопии.
Микрофотографии изломов образцов из стали 07Х25Н13: а - после аддитивного выращивания; б - посла аддитивного выращивания+ аустенизация
Как видно из рис.2, разрушение образцов произошло по вязкому механизму, с образованием характерного ямочного рельефа. Однако на поверхности изломов образца из металла заготовок, полученных аддитивным выращиванием, размеры ямок больше (рис.2а), чем на поверхности изломов образца из металла заготовок после аустенизации (рис.1б).
5. Результаты исследований на основе подходов нелинейной динамики и фрактального анализа
Анализ зависимости DF~t при испытании образцов из металла заготовок, полученных электродуговой наплавкой, после реконструкции аттракторов по сигналам АЭ, показывает (рис.3), что на участке упругой деформации динамическая система (структура металла) устойчива.
Диаграмма растяжения (1) и зависимость (2) фрактальной размерности от времени в металле образца из стали 07Х25Н13, полученного методом WAAM
При переходе к площадке текучести, происходит рост фрактальной размерности. Это начало пластической неустойчивости структуры материала, т.е. первичная бифуркация.Затем, чем больше деформация образца, тем выше значения DF. На участке деформационного упрочнения динамическая система металла образца, проявляет наибольшую неустойчивость. Показатель DF резко возрастает и становится больше 1.
Изменения фрактальной размерности при растяжении образцов, подвергнутых аустенизации, происходят иначе (рис.4).
Диаграмма растяжения (1) и зависимость (2) фрактальной размерности от времени в металле образца из стали 07Х25Н13, полученного методом WAAM + аустенизация
На стадии упругой деформации DF также не изменяется. Наблюдается рост DFна площадке текучести.В процессе дальнейшей деформации, он практически не изменяется и лишь перед разрушением образца показатель DF становится близким к 1.
Экспериментальные данные (рис.3 и 4) по оценке фрактальной размерности соответствуют фрактографическим исследованиям (рис.2). В частности, повышение пластичности стали 07Х25Н13 после ТО, приводит к снижению размеров ямок на поверхностях излома образцов.
6. Анализ результатов исследований
Структурные изменения в металлах, порождаемые внешним силовым воздействием, обусловлены движением отдельных частиц. Увеличение при этом числа степеней свободы зерен приводит к качественному изменению их динамики. Оценка DF размерности аттракторов, позволяет определить число переменных мод, формирующих режим пластического течения металла из нержавеющей стали, полученной методом WAAM, при деформации растяжением.
В этой связи можно утверждать, что первичная буфуркация на стадии текучести при растяжении образцов, полученных электродуговой наплавкой из стали 07Х25Н13, обусловлена одномодовым движением частиц металла, т.е. с наименьшим числом степеней свободы (DF<1).
В процессе дальнейшей деформации образцов параметр DF увеличивается. В работе [1], [2] отмечается, что фазовые переходы, сопровождающие образование новых структур при деформации, обусловлены флуктуациями различного уровня. Поэтому можно утверждать, что на фоне однородных флуктуаций, на участке деформационного упрочнения образца (рис.3), имеют место более интенсивные структурные изменения, в частности, перед разрушением образца. Вблизи критических точек всегда наблюдается резкое усиление флуктуации, причем эти флуктуации имеют не только большую амплитуду, но и простираются на большие расстояния. Именно благодаря критическим флуктуациям происходит переход к новым структурам и новым состояниям. Пригожин назвал такой переход «порядок через флуктуации» [1]. Критические структуры, ответственные за разрушение образца, являются крупномасштабными вихревыми структурами [3], т.к. DF>1.
Таким образом, динамика движения частиц на стадии текучести (рис.3 и 4) имеет меньшие временные и пространственные масштабы на фоне их регулярного движения, чем на стадии деформационного упрочнения. В теории турбулентности такой характер движения принято называть перемежаемостью [5].
С позиций подходов нелинейной динамики, структурные перестройки на участке текучести обусловлены развитием «слабого хаоса» в системе [16]. В работах [3], [4], показано также, что неустойчивости субструктуры, соответствует некоторое критическое значение плотности хаотических дислокаций (или оборванных дислокационных стенок) внутри субструктурных элементов.
С позиций термодинамики открытых систем [1], [2], для перехода системы в новое устойчивое состояние с образованием диссипативных структур необходимо снижение энтропии в системе. Согласно И. Пригожину, предпосылкой для формирования в системе упорядоченных структур является существование определенного соотношения между производством энтропии, обменом энтропии с внешней средой и образованием диссипативных структур. Накопленная SИН энтропия в системе:
где: SuMissing Mark : sub0Missing Mark : sup – начальная энтропия;
Величину SuMissing Mark : sub0Missing Mark : sup характеризует начальная плотность дислокаций в металле. Движущиеся дислокации создают деформацию. Диссипация энергии пластической деформации происходит через элементарные акты зарождения и движения дефектов различного уровня, т.е. накопление латентной энергии дефектов, а также через локальное тепловыделение, вызывая рост тепла и энтропии в системе. Так, известно
[17]
где: ε – степень деформации, N – плотность исходных источников дислокаций.
Расчеты температуры при указанной выше критической плотности дислокаций в плоскостях скольжения показали, что она может достигать температуры плавления стали. Рост тепла в системе, в свою очередь, обусловливает и увеличение энтропии.
Структурообразование – это сверхкритическое явление. Поэтому, чтобы в системе началось формирование новой структуры, снижение энтропии в системе должно превысить некоторое критическое значение
[1]
Из термодинамики необратимых процессов известно также
[1][2]
Неустойчивость структуры возникает как коллективный эффект
[1]
Анализ устойчивости динамической системы образца по
λλ
Таким образом, анализ проведенных исследований показывает, что критерием оценки адаптационных свойств структуры металла заготовок, полученного аддитивным выращиванием, и ее устойчивости в процессе силового воздействия, может являться самоподобие фрактальных структур.
7. Заключение
Разработана методика прогнозирования структурных изменений и устойчивости структурного состояния нержавеющей стали при растяжении образцов, полученных аддитивным выращиванием.
Методика позволяет проводить количественную оценку структурных изменений и масштабного уровня деформации в образцах в режиме реального времени по показателю-фрактальная размерность. Определены механизмы потери структурной устойчивости металла заготовок, полученных аддитивным выращиванием и после их термообработки, при деформации растяжением. Вскрыт механизм повышения механических свойств после термообработке металла заготовок, связанный с уменьшением действия вихревых мод в процессе пластического течения частиц металла при деформации.
Таким образом, разработанная методика позволяет проводить количественную оценку структурных изменений и масштабного уровня деформации металла в образцах в режиме реального времени по показателю-фрактальная размерность сигналов АЭ.