РАСЧЁТ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ПОТЕРЬ ПРИ ЛОКАЛЬНО КОНТАКТНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрим расчет гистерезисных потерь при локально контактном деформировании материалов, для разработки способов улучшения эксплуатационных и механических свойств, для различных отраслей техники и производства.

Для эксперимента были отобраны образцы магния, поскольку магний и его сплавы широко применяются в современных технических устройствах, автомобилестроении, авиастроении и ракетостроении. Один из образцов подвергался электропластическому волочению при многоходовой прокатке, включавшей 35 переходов с использованием электропластической деформации. При этом ток пропускался через материал с целью активизации процессов деформации. Для сравнения контрольный образец обрабатывался традиционным методом прокатки без применения электрического тока. [1]

Электропластическая прокатка применяется для создания мелкозернистой и изотропной микроструктуры поверхностного слоя. Это позволяет добиться значительного улучшения физико-механических характеристик материала. Под действием электрического тока происходят энергетические изменения, которые способствуют более эффективной деформации металла. Например, изменяется форма и размер зерен, а деформация становится более равномерной, что в итоге приводит к повышению устойчивости материала к дальнейшим нагрузкам.

Методы морфологического анализа.

Для проведения морфологического анализа использовались современное металлографическое цифровое оборудование.  Изображения обрабатывались с помощью прибора «Пост микроконтроль МК-3» в сочетании с компьютерной программой Autoscan Objects. Эта технология позволила провести классификацию полученных гистограмм по классам и оценить физико-механические свойства образцов. Такой подход обеспечивает детальное понимание влияния обработки на микроструктуру материала.

Методы исследования микроструктуры.

Изучение микроструктуры образцов осуществлялось с применением растровой электронной микроскопии. Аппарат «LEO I4SSVP (Carl Zeiss)» с ускоряющим напряжением 20 кВ позволил получать высококачественные изображения поверхности образца. Регистрируя отраженные электроны, исследователи смогли провести сравнительный анализ деформационных характеристик образцов, обработанных с током и без него, что выявило существенное влияние внешних энергетических воздействий на микроструктурные особенности.

Анализ результатов деформации.

При реализации электропластической деформации наблюдается следующая картина изменений микроструктуры:

• Значительно уменьшается площадь и периметр зерен, что свидетельствует о снижении их размеров.

• Деформационная зона становится более мелкозернистой – зерна приобретают более компактную форму.

• Изменяются показатели длины, ширины и соответствующих проекций зерен, что подтверждает активизацию процессов дробления микроструктуры под воздействием электрического тока.

Эти изменения способствуют улучшению общих деформационных характеристик материала и повышению его пластичности.

Расчет гистерезисных потерь в условиях локально контактного деформирования является важным этапом в разработке новых методов обработки металлов. Полученные результаты указывают на то, что электропластическая деформация значительно влияет на микроструктуру магния, улучшая его эксплуатационные характеристики за счет создания мелкозернистой и более равномерной структуры. Такой подход имеет большое значение для продвижения технологий в авиационно-космической, автомобильной и других высокотехнологичных отраслях.

Влияние электрического тока на прочностные свойства

Под воздействием электрического тока изменяются механические характеристики образца. В частности, наблюдается снижение размера зерен и формирование более мелкозернистой структуры, что благоприятно сказывается на эксплуатационных качествах деформированного магния.

Методика определения размеров зерна.

Существует норматив, регламентирующий методы выявления и определения величины зерна при контрольных испытаниях деформируемых материалов. Этот подход описан, например, в стандарте ГОСТ 5639 82 (CT CЭВ 1959 79). Методика предполагает, что способ отбора образцов, их количество и направление вырезки (поперечное или продольное) зависят от конкретной цели измерений. Для многих видов металлопродукции условия определения зернистости подробно описаны в соответствующих технических условиях и стандартах.

Определение площади шлифа и метод подсчета зерен.

При определении величины зерна важно, чтобы площадь шлифа находилась в пределах 150 мм². В исследовании использовался метод подсчета числа зерен, приходящихся на один мм² поверхности шлифа. Измерения проводятся либо непосредственно с использованием матового стекла камеры микроскопа, либо по фотографиям поверхности при увеличении 200 раза. При таком увеличении окружность с диаметром 79,8 мм имеет площадь около 0,5 мм². Для корректного анализа необходимо, чтобы на данной площади присутствовало не менее 50 зерен. Подсчет проводится минимум на трех характерных участках поверхности. Если на одном участке зерен оказывается недостаточно, то анализ расширяют до большего количества участков.

Расчет общего количества зерен.

На каждом выбранном участке фиксируется количество полностью включенных зерен (обозначим как m1) и количество зерен, пересеченных границами окружности (обозначим как m2). Общее число зерен m в пределах 0,5 мм² рассчитывается по формулам Холла Петча следующим образом:

• Для круга: m = m1 + 0,5·m2

• Для прямоугольника или квадрата: m = m1 + 0,5·m2 – 1

Применяя данный метод, исследования показали, что структура магния, подвергшегося воздействию одиночных импульсов тока, стала значительно более мелкозернистой по сравнению с исходным образцом.

Образец металла (магний), деформированный без тока

Рисунок 1. Микроструктура образца

Количество всех объектов:                                218

Количество классифицированных объектов:    218

Заданное в текущем разбиении

количество классов:                                           20

Сумма площадей всех объектов:                        282.12 мкм²

Обработанная площадь:                                     450.36 мкм²

Отношение площади объектов ко всей обработанной площади: 62.64%

Образец металла (магний), деформированный с током

Рисунок 2. Микроструктура образца

Количество всех объектов:                                272

Количество классифицированных объектов:    272

Заданное в текущем разбиении

количество классов:                                           20

Сумма площадей всех объектов:                        258.86 мкм²

Обработанная площадь:                                     450.36 мкм²

Отношение площади объектов ко всей обработанной площади: 57.48%

Список литературы:

1. Савенко, В.С. Фундаментальные и прикладные исследования электропластической деформации металлов: монография./ О.А. Троицкий, В.С. Савенко. – Минск: ИВЦ Минфина, 2013. – 375с.
2. Савенко, В.С. К вопросу о механизмах электро-пластической деформации металлов / В.С. Савенко, А.И. Пинчук // Известия АНБ. Сер. физ.-техн. наук. - 1993. – № 2. – С. 27-31.
3. Механизмы влияния электромагнитных полей на деформацию металлов / В.С. Савенко [и др.] // Вестник БГУ. Серия 1. - 1995. - № 1. - С. 12.