Когда инженеры проектируют детали для самолётов, автомобилей или энергетического оборудования, они должны знать, как поведёт себя металл при разных условиях — особенно когда речь идёт о высокоскоростной штамповке, где листовой прокат за доли секунды превращается в сложную трёхмерную конструкцию. Учёные из Томского государственного университета решили выяснить, как именно алюминиево-магниевые сплавы АМг2, АМг3 и АМг6 (российские аналоги популярных международных марок 5052, 5154 и 5056) реагируют на растяжение и сжатие при скоростях деформации от 0,1 до 1000 обратных секунд — то есть от медленного прессования до почти взрывного нагружения.
Оказалось, что алюминиевые сплавы ведут себя несимметрично: сопротивление пластической деформации при растяжении и сжатии различается, и это различие не остается постоянным. Оно меняется в зависимости от того, насколько быстро деформируется материал, и от величины накопленной пластической деформации. Проще говоря, сплав, который уверенно держит нагрузку на сжатие, может начать «сдавать» при растяжении, а степень этой «слабости» зависит от скорости процесса.
Испытания проводились при комнатной температуре на специальном сервогидравлическом стенде Instron, способном регистрировать усилия с точностью до 50 кН и временным разрешением в одну десятитысячную секунды. Плоские образцы растягивали, а цилиндрические — сжимали, причём для исключения трения поверхности цилиндров тщательно смазывали. Результаты показали, что с ростом скорости деформации напряжения течения увеличиваются — это ожидаемо, ведь металл не успевает «расслабляться» и перестраивать внутреннюю структуру. Но куда интереснее другое.
При растяжении образцы достигали критической точки потери устойчивости пластического течения — того самого состояния, после которого начинается локализация деформации и материал может разрушиться. При сжатии же эта точка не была достигнута ни при одной из исследованных скоростей: цилиндрические образцы сплющивались, увеличивались в диаметре, но не давали трещин и не разрушались. Фотографии в статье наглядно демонстрируют, как образцы АМг2, АМг3 и АМг6 после сжатия при скорости 1000 с⁻¹ превращаются из высоких цилиндров в низкие «лепешки» с диаметром почти вдвое больше исходного — и при этом остаются целыми.
Чтобы понять механизмы этого поведения и научиться прогнозировать разрушение, исследователи использовали численное моделирование. Они применили модифицированную модель Зерилли–Армстронга, которая описывает пластическое течение металлов с гранецентрированной кубической решёткой (именно такую структуру имеют алюминиевые сплавы), а также модель Гурсона–Твергаарда–Нидлемана, учитывающую зарождение и рост микроповреждений. Важно, что для растяжения и сжатия использовались разные наборы параметров — это позволило точно воспроизвести асимметрию, наблюдаемую в экспериментах. Например, для сплава АМг2 напряжение текучести при растяжении в модели было выше, чем при сжатии, а коэффициент термического разупрочнения — различался в несколько раз.
Ключевой вывод, который важен для практиков: критическая деформация, при которой начинается накопление повреждений, при одноосном растяжении снижается с ростом скорости деформации и оказывается близкой к деформации потери устойчивости пластического течения. Это означает, что при высокоскоростной штамповке или аварийных нагрузках важно заранее знать, где именно деталь начнёт разрушаться — особенно если речь идёт о растягивающих напряжениях. При сжатии же запас прочности значительно выше: образцы выдерживали гораздо большие деформации без разрушения, независимо от скорости.
Коэффициент асимметрии напряжений течения — отношение напряжения при сжатии к напряжению при растяжении — ведет себя по-разному у разных сплавов и на разных стадиях деформационного упрочнения. На второй стадии, где наблюдается параболическое упрочнение, этот коэффициент меняется незначительно и зависит в основном от скорости деформации. А вот на третьей стадии, перед разрушением, он начинает расти — это связано с зарождением микроповреждений, которые снижают напряжение течения при растяжении сильнее, чем при сжатии.
Результаты численного моделирования, подтвержденные экспериментами, позволяют теперь более точно проектировать конструкции из алюминиевых сплавов, которые работают в условиях динамических нагрузок — будь то кузов автомобиля при столкновении, фюзеляж самолёта при посадке или элементы энергетического оборудования при внезапных перегрузках. Учёные показали, что для корректного прогноза недостаточно использовать усреднённые модели — необходимо учитывать не только химический состав и структуру материала, но и асимметрию поведения при растяжении и сжатии, которая зависит от скорости деформации и накопленной пластической деформации.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в престижном научном журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика».
Изображение на обложке: разработано Magnific
