Исследования реологических свойств сталей 20 и 45 с объемной наноструктурой

Для оценки однородности НДС при проведении пластометрических исследований сталей 20 и 45 с объемной наноструктурой производились расчет и оценка величины отклонения от среднего значения скорости деформации в установившемся режиме процесса осадки, а также симметричность кривых изменения скорости деформации от экстремальных значений. Распределения скоростей деформации при пластометрических испытаниях образцов из наноструктурной стали 20 и 45, полученных в процессе РКУП с предварительным улучшением (см. п. 1.3) приведены на рисунке. 2.9 (а, б) соответственно.

Как следует из рисунка 2.9, а также проведенных расчетов, кривые распределения скоростей деформации не имеют существенного (статистически значимого) отклонения от среднего значения скорости деформации и являются унимодальными (в установившемся режиме процесса осадки) практически для всех образцов исследуемых сталей и для всех диапазонов скоростей деформации. Максимальное суммарное возмущение не превышает 25%, что является приемлемым для их введения в массив оценочных данных и свидетельствует об однородности НДС при испытаниях.

Диаграммы деформирования, построенные без учета упругости для сталей 20 и 45 с объемной наноструктурой приведены на рисунках 2.10 и 2.11 соответственно. При построении диаграмм деформирования, использовался весь массив экспериментальных значений без дифференциации по уровням скоростей деформации.

Как и в случае исследования влияния скоростей деформации на сопротивление деформации для сталей 20 и 45 находящихся в исходном состоянии, для наноструктурных материалов также характерны низкий разброс экспериментальных значений. Об этом свидетельствуют также специально проведенные исследования о выявлении вязких свойств в рассматриваемых наноструктурных сталях.

При проведении исследований использовались два подхода, а именно: решение задачи «в среднем» и дифференциальный подход, которые достаточно подробно рассмотрены в предыдущем разделе. Группировка по диапазонам скоростей деформации осуществлялась в интервалах 0...5 с^-1; 5…10 с^-1; 10…15 с^-1; 15…20 с^-1и 20…25 с^-1, при этом в каждом из указанных диапазонах экспериментальные значения группировались по степеням деформаций в интервалах 0…10%; 10…20%; 20…30%; 30…40%; 40…50%; 50…60%; 60…70% и 70…80%.

Результаты исследований наличия вязких свойств в наноструктурных сталях 20 (а) и сталях 45 (б) по первому и второму методам представлены на рисунках 2.12 и 2.13 соответственно.

а

б

Рис. 2.9. Распределения скоростей деформации по образцам наноструктурных сталей 20 (а) и 45 (б), полученных в процессе РКУП с предварительным улучшением

Рисунок 2.10 - Диаграммы деформирования по образцам наноструктурной стали 20, полученной в процессе РКУП с предварительным улучшением

Рисунок 2.11 - Диаграммы деформирования по образцам наноструктурной стали 45, полученной в процессе РКУП с предварительным улучшением

а	б

Рисунок 2.12 - Влияние средних значений скоростей деформации по образцам на средние значения сопротивления деформации для наноструктурных сталей 20 (а) и 45 (б)

а

б

Рисунок 2.13 - Зависимость сопротивления деформации от степени деформации по диапазонам скоростей для наноструктурных сталей 20 (а) и 45 (б)

Как следует из приведенных рисунков, максимальное (7%) увеличение сопротивления деформации наблюдается для наноструктурных сталей 45 при изменении скорости деформации с 4 до 14 с^-1. Для наноструктурной стали 20, прослеживается тенденция к снижению сопротивлению деформации (менее 2% от начального уровня ) при изменении скорости деформации в более широком диапазоне с 3 до 27 с^-1. Причем, если для исследуемых сталей находящихся в исходном состоянии наиболее значимое влияние скорости деформации на сопротивление деформации наблюдалось при больших степенях обжатия (превышающих 50%), то для наноструктурных материалов данная тенденция не прослеживается. Следовательно, существенного (статистически значимого) влияния скорость деформации на значения сопротивления деформации для рассматриваемой группы наносталей при комнатной температуре не оказывает и при проектировании технологических процессов калибрования и волочения вязкой составляющей можно пренебречь.

Для наноструктурных сталей сохраняется закономерность более интенсивного упрочнения материалов с более высоким содержанием углерода, при этом их сопротивление деформации также выше, чем у наносталей с меньшим содержанием углерода. Такой характер поведения исследуемых наноструктурных материалов был получен в ходе проведения пластометрических исследований, о чем свидетельствуют результаты, сопоставленные на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Поля экспериментальных значений зависимости сопротивления деформации от степени деформации для наноструктурных сталей 20 (светлые треугольники) и 45 (темные квадраты), после РКУП с предварительным улучшением

Как следует из рисунка 2.14, увеличение дисперсии значений сопротивления деформации (а, следовательно, переход в режим неоднородной деформации) для наносталей начинается со значений относительной деформации 45% (для стали 20) и 55% (для стали 45). Соответствующие данной относительной деформации значения сопротивления деформации можно считать временным сопротивлением , которое для стали 20 находится в диапазоне 837…901 МПа. Среднее значение временного сопротивления составляет для данного материала 871 МПа. Для стали 45 диапазон значений временного сопротивления соответствует 979…1194 МПа, а среднее значение временного сопротивления составляет 1061 МПа. Деформационный предел прочности для наносталей 20 и 45 находится на уровне 76% и 74%, соответственно.

Предельное значение прочности для рассматриваемых групп наноматериалов составила в среднем 1139 МПа (для наностали 20) и 1392 МПа (для наностали 45).

Результаты линеаризации по характерным областям кривых деформационного упрочнения представлены на рисунке 2.15, а значения модулей упрочнения по рассматриваемым областям для исследуемых марок сталей с объемной наноструктурой представлены в таблице 2.2.

Рисунок 2.15 - Линейная аппроксимация характерных участков диаграмм

деформирования для наносталей 20 и 45 после РКУП с предварительным улучшением

Формализованные с помощью метода наименьших квадратов в программе Microsoft Excel уравнения состояния, которые строились путем аппроксимации полей точек экспериментальных данных полиномами 3-го порядка и имеют вид (2.9) и (2.10) для наносталей 45 и 20 соответственно:

, (2.9)

. (2.10)

Результаты аппроксимации представлены на рисунке 2.16.

Таблица 2.2 - Значения модулей упрочнения по характерным областям кривых деформационного упрочнения наносталей 20 и 45 после РКУП с предварительным улучшением

Марка стали	Значения модулей упрочнения по областям
Наносталь 20	1,558	-0,64	1,45
Наносталь 45	1,553	1,03	1,53

Рисунок 2.16 - Уравнения состояния и аппроксимация кривых деформационного

упрочнения для наносталей 20 и 45 после РКУП с предварительным улучшением

Приведенные уравнения имеют достаточную статистическую значимость (ошибка по критерию R² не превышает 30%) и могут быть использованы для проведения дальнейших расчетов маршрутов калибрования и волочения, а также прогнозирования свойств готовой проволоки и металлопродукции.