Деформационные свойства никелевого сплава ХН55МВЦ в условиях одноосного сжатия и их математическое моделирование

В целях развития методик расчета аварийных ситуаций теплонапряженного оборудования исследована реология сплава ХН55МВЦ при конечных квазистатических деформациях и температурах — эксплуатационных и повышенных. Установлены основные закономерности деформирования сплава и выявлены ответственные за них физические механизмы. Предложены математические модели для описания наиболее значимых при расчете конструкций эффектов. Реологические свойства сплава исследованы в условиях одноосного изотермического сжатия при температурах 24 – 1150 °C, степенях логарифмической деформации до 1,0 и скоростях 0,001 – 0,125 с^–1. Основные механизмы деформирования установлены методами оптической микроскопии. Предложена математическая модель, описывающая форму кривых деформирования сплава (модификация дислокационной модели жесткопластичности Бергштрёма), развитием которой стали скоростные и температурные зависимости механических характеристик. На кривых деформирования обнаружен протяженный участок линейного упрочнения с насыщением и выходом на плато или разупрочнением. Максимумы (пиковые значения) напряжений немонотонно зависят от режима деформации, пределы текучести слабо зависят от скорости, линейное упрочнение практически не зависит от режима. Исследования микроструктуры выявили отсутствие связи стадии разупрочнения с началом процесса динамической рекристаллизации. Микротрещины не обнаружены. При температурах 24 – 900 °C наблюдали прерывистое течение и акустическую эмиссию, объяснимые динамическим старением (свыше 500 °C), деформационным двойникованием и автоволновыми эффектами при локализации пластической деформации. Предложенные модели реологических эффектов отличаются от существующих дислокационных моделей теоретически более широким диапазоном применения — по скоростям деформации (10^–8 – 1,0 с^–1) и температурам (0 – 80 % от температуры плавления). Обнаруженные в экспериментах реологические эффекты, анализ их физической природы и математическое описание применимы для совершенствования методик расчета аварийных ситуаций теплонапряженного оборудования.

1. Bao Y., Wierzbicki T. On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiality space / Int. J. Mech. Sci. 2004. Vol. 46. Issue 1. P. 81 – 98. DOI:10.1016/j.ijmecsci.2004.02.006

2. Bennett C. J., Leen S. B., Williams E. J., et al. A critical analysis of plastic flow behaviour in axisymmetric isothermal and Gleeble compression testing / Comput. Mater. Sci. 2010. Vol. 50. Issue 1. P. 125 – 137. DOI:10.1016/j.commatsci.2010.07.016

3. Rasti J., Najafizadeh A., Meratian M. Correcting the stress-strain curve in hot compression test using finite element analysis and Taguchi method / Int. J. ISSI. 2011. Vol. 8. N 1. P. 26 – 33. https://www.sid.ir/FileServer/JE/103520110105.pdf

4. Гохфельд Д. А., Гецов Л. Б., Кононов К. М. и др. Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении: Справочник. — Екатеринбург: УрО РАН, 1996. — 408 с.

5. Ребяков Ю. Н., Чернявский О. Ф. Деформационные свойства материалов при сочетании знакопеременного течения и формоизменения / Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». 2012. № 6. С. 47 – 51. http://mi.mathnet.ru/vyurm106

6. Dragunov Yu. G., Evropin S. V., Gadenin M. M., et al. Stress-Strain Kinetics in Calculations of High-Temperature Strength and Longevity of Reactor Structures / At Energy. 2016. Vol. 119. N 3. P. 177 – 189. DOI:10.1007/s10512-015-0046-y

7. Барахтин Б. К., Васильева Е. А., Маркова Ю. М. и др. Структурные изменения в горячедеформированном никелевом сплаве в отображении карт процесса диссипации механической энергии / Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 9. С. 931 – 935. DOI:10.1134/S001532301909002X

8. Кудрявцев А. С., Охапкин К. А. Влияние металлургических дефектов на механические свойства сплава ХН55МВЦ (ЧС57) / Металлург. 2016. № 9. С. 95 – 100.

9. Лебедева Н. В., Маркова Ю. М., Зиза А. И., Анисимов Д. М. Исследование микроструктуры сталей мартенсито-бейнитного класса и никелевых сплавов при моделировании режимов термообработки дилатометрическим методом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 6. С. 30 – 36. DOI:10.26896/1028-6861-2019-85-6-30-36

10. Охапкин К. А., Кудрявцев А. С., Груздев Д. А., Рерих Г. К. Анализ физико-математической модели и разработка рекомендаций по схеме деформирования крупногабаритных поковок из сплава марки ХН55МВЦ-ИД / Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 238. Вып. 1. С. 122 – 128. DOI:10.5862/JEST.238.12

11. Miner R. V., Castelli M. G. Hardening Mechanisms in a Dynamic Strain Aging Alloy, HASTELLOY X, During Isothermal and Thermomechanical Cyclic Deformation / Metall. Trans. A. 1992. Vol. 23. P. 551 – 561. DOI:10.1007/BF02801173

12. Бернштейн М. Л., Добаткин С. В., Капуткина Л. М., Прокошкин С. Д. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей: Справ. изд. — М.: Металлургия, 1989. — 544 с.

13. Ibrahim O. H., Ibrahim S. I. Temperature and Strain Rate Effects on Dynamic Strain Aging Behaviour of Hastelloy X / IJES. 2018. Vol. 7. Issue 5. P. 65 – 70. https://www.theijes.com/papers/vol7-issue5/Version-2/H0705026570.pdf. DOI:10.9790/1813-0705026570

14. Maj P., Zdunek J., Mizera J., et al. Microstructure and Strain-Stress Analysis of the Dynamic Strain Aging in Inconel 625 at High Temperature / Met. Mater. Int. 2017. Vol. 23. Issue 1. P. 54 – 67. DOI:10.1007/s12540-017-6264-1

15. de Oliveira M. M., Couto A. A., Almeida G. F. C., et al. Mechanical Behavior of Inconel 625 at Elevated Temperatures / Metals. 2019. Vol. 9. Issue 3. N 301. P. 1 – 13. DOI:10.3390/met9030301

16. Ziaja W., Motyka M., Poręba M. Plasticity of Nickel-Based Superalloy 625 at Elevated Temperature / Adv. Manufact. Sci. Technol. 2017. Vol. 41. Issue 4. P. 41 – 49. http://advancesmst.prz.edu.pl/pdfy/10264-Volume41-Issue4-paper_04.pdf. DOI:10.2478/amst-2017-0021

17. Ivanchenko M., Yagodzinskyy Yu., Ehrnstén U., et al. Manifestations of DSA in Austenitic Stainless Steels and Inconel Alloys / In: SMiRT 20: Book of abstracts. N 1 / S. Vuori, R. Rintamaa, Eds. — Espoo, Finland: VTT, 2009. P. 57 – 59. https://www.academia.edu/18856745/Manifestations_of_DSA_in_austenitic_stainless_steels_and_inconel_alloys

18. Лунёв А. Г., Надежкин М. В. Тепловой признак смены стадий деформационного упрочнения в аустенитной нержавеющей стали / Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 10. С. 1116 – 1120. DOI:10.1134/S0015323019080114

19. Никонова А. М., Ли Ю. В., Баранникова С. А. Локализации пластической деформации в нержавеющей стали / В сборнике тезисов международного междисциплинарного симпозиума «Иерархические материалы: разработка и приложения для новых технологий и надежных конструкций». — Томск: Издательство ТГУ, 2020. С. 96 – 97. DOI:10.17223/9785946219242/59

20. Park W. S., Yoo S. W., Kim M. H., Lee J. M. Strain-rate effects on the mechanical behavior of the AISI 300 series of austenitic stainless steel under cryogenic environments / Materials and Design. 2010. Vol. 31. Issue 8. P. 3630 – 3640. DOI:10.1016/j.matdes.2010.02.041

21. Зуев Л. Б., Баранникова С. А. Автоволновая механика пластичности металлов / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. ¹ 1. С. 49 – 63. DOI:10.15593/perm.mech/2019.1.05

22. Bergström Y., Hallén H. An improved dislocation model for the stress-strain behaviour of polycrystalline α Fe / Mater. Sci. Eng. 1982. Vol. 55. Issue 1. P. 49 – 61. DOI:10.1016/0025-5416(82)90083-0

23. Гохфельд Д. А., Садаков О. С. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях. — М.: Машиностроение, 1984. — 256 с.

24. Kocks U. F., Mecking H. Physics and phenomenology of strain hardening: The FCC case / Prog. Mater. Sci. 2003. Vol. 48. Issue 3. P. 171 – 273. DOI:10.1016/S0079-6425(02)00003-8

25. Nes E., Marthinsen K. Modeling the evolution in microstructure and properties during plastic deformation of f.c.c.-metals and alloys — an approach towards a unified model / Mater. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 322. Issue 1 – 2. P. 176 – 193. DOI:10.1016/S0921-5093(01)01130-3

26. Самойлов С. П. Реологическая модель, применяемая для расчета нормальных и аварийных условий эксплуатации конструкций, и ее реализация в пакете МКЭ Ansys / В сборнике тезисов XXIX Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках». — Пермь: ПНИПУ, 2020. С. 109. http://mmsp.pstu.ru/userfiles/MMEN/MMEN2020/mmen2020_thesis.pdf

27. Miller A. K. An Inelastic Constitutive Model for Monotonic, Cyclic, and Creep Deformation: Part I — Equations Development and Analytical Procedures / J. Eng. Mater. Technol. 1976. Vol. 98. Issue 2. P. 97 – 105. DOI:10.1115/1.3443367

28. Sherby O. D., Lytton J. L., Dorn J. E. Activation Energies for Creep of High-Purity Aluminum / Acta Metall. 1957. Vol. 5. Issue 4. P. 219 – 227. DOI:10.1016/0001-6160(57)90169-4

29. Tiamiyu A. A., Szpunar J. A., Odeshi A. G. Strain rate sensitivity and activation volume of AISI 321 stainless steel under dynamic impact loading: Grain size effect / Mater. Characteriz. 2019. Vol. 154. P. 7 – 19. DOI:10.1016/j.matchar.2019.05.027

30. Cheng L., Xue X., Tang B., et al. Deformation behavior of hot-rolled IN718 superalloy under plane strain compression at elevated temperature. Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 606. P. 24 – 30. DOI:10.1016/j.msea.2014.03.075