Artykuł naukowy

ANDRZEJ GONTARZ, ANNA DZIUBIŃSKA
Politechnika Lubelska, Katedra Komputerowego Modelowania i Technologii Obróbki Plastycznej
ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin
[email protected]
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
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
do 0,05
do 0,1
Mn
Ni
0,15÷
do
0,5
0,005
Al
Cu
3÷4
Be
do 0,05 do 0,02
Zn
Mg
0,2÷
94,4÷
0,8
97,65
Inne
0,3
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/cm3,
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 Rm = 280 MPa, umowna
granica plastyczności R0,2 = 180 MPa, wydłużenie A5=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
Tab. 2. Własności fizyczne stopu MA2 w różnych temperaturach [2]
Tab. 2. Physical properties of MA2 alloy at different temperatures [2]
Własność fizyczna
Lp.
Temperatura, °C
20
100
200
300
400
450
67,1
72,7
83,9
95,2
101,7
101,2
980
1027
1076
1113
1139
1147
25,8
-
-
-
28,1
-
-
-
Współczynnik przewodności
1
cieplnej, W m-1 K-1
Ciepło właściwe, J kg-1K-1
2
Współczynnik rozszerzalności
3
liniowej (przy nagrzewaniu), 10-6 K-1
Współczynnik rozszerzalności
4
liniowej (przy chłodzeniu), 10-6 K-1
a)
R m , R 0,2 , MPa
300
250
200
R m - wzdłuż włókien
R m - w poprzek włókien
150
R0,2 - wzdłuż włókien
R0,2 - w poprzek włókien
100
300
350
400
Temperatura, o C
450
b)
Wydłużenie A 5 , %
25
20
15
10
Wzdłuż włókien
5
W poprzek włókien
0
300
350
400
Temperatura, o C
450
Rys. 1. Zależność własności wytrzymałościowych (a) i plastycznych (b) stopu MA2 od
temperatury [1]
3
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 230÷250°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.
350
R m , R 0,2 , MPa
300
250
200
R m - po kuciu
R m - po dokuciu w temp. 230 o C
150
R0,2 - po kuciu
R0,2 - po dokuciu w temp. 230 oC
100
250
300
350
400
Temperatura, o C
450
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
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: t1=250°C,
t2=350°C, t3=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. 3÷5. Uzyskane wyniki badań
opisano funkcjami uzależniającymi wartość naprężeń uplastyczniających od parametrów
odkształcenia. W opisywanym przypadku wybrano dwie funkcje o postaci [3, 4]:
p
B
exp(C
)  D exp( E t )
(1)
B CT
exp( D
) E
(2)
A
oraz
p
A
gdzie:
– odkształcenie zastępcze,
ε – prędkość odkształcenia, s-1,
t – temperatura badania, C,
T – temperatura badania, K,
A, B, C, D, E, F, G – stałe współczynniki.
5
FT
exp(G T )
Naprężenia uplastyczniające, MPa
dośw.
funkcja 1
funkcja 2
250
200
150
10 s-1
100
1 s-1
0,1 s-1
50
250 o C
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Odkształcenie
0.6
0.7
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
Naprężenia uplastyczniające, MPa
dośw.
funkcja 1
funkcja 2
100
80
1 s-1
60
0,1 s-1
40
20
350 o C
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Odkształcenie
0.6
0.7
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
Naprężenia uplastyczniające, MPa
dośw.
funkcja 1
funkcja 2
100
80
60
10 s-1
40
1 s-1
0,1 s-1
20
450 o C
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Odkształcenie
0.6
0.7
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
2
k
pt
i 1
pex
2
100%
(3)
pex
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
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. 3÷5. 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)
Współczynniki
Nr funkcji
Funkcja celu
A
B
C
D
E
F
G
,%
(1)
765,8
0,212
-1,013
0,166
-0,00496
-
-
0,674
(2)
4087,2
0,100
0,000175
-1,034
0,408
-0,00034
-0,00538
0,631
4. 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
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.0101.02-00-015/08 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 1972.
[2] www.metagran.com
[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.41-48.
[4] Gałkin A.M.: Badania plastometryczne metali i stopów. Wydawnictwo Politechniki
Częstochowskiej, Częstochowa 1990.
9