ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Прочность соединения разнородных материалов является наиболее важной характеристикой слоистых композитов, определяющей успех их освоения при промышленном производстве. С целью развития теории соединения материалов пластической деформацией в работе предложено выполнение компьютерного моделирования совместной деформации представительных объемов разнородных материалов в микромасштабе и сопоставление параметров напряженно-деформированного состояния с ранее представленным теоретическим механизмом. Цель работы заключается в анализе напряженно-деформированного состояния разнородных материалов при пластической деформации в микромасштабе и установлении месторасположения начала разрушения поверхностных оксидных пленок. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы: 1) исследование поверхностных профилей разнородных материалов, соединяемых пластической деформацией; 2) моделирование методом конечных элементов (КЭ) пластической деформации контактных поверхностей разнородных материалов в микромасштабе; 3) изучение стадий совместной деформации разнородных материалов в микромасштабе и верификация теоретической модели. Методика исследований. Исследование трехмерной топографии и шероховатости выполнено на Veeco Wyko NT1100 Optical Profiling System. В качестве основного инструмента для выполнения исследований выбран пакет КЭ-моделирования Deform-3D. В качестве исследуемых материалов выбраны алюминиевые сплавы АМг3 и Д16. Результаты и обсуждение. В работе выполнено компьютерное КЭ-моделирование совместной деформации поверхностей сплавов АМг3 и Д16 в микромасштабе, проведен анализ поверхностных профилей материалов после различных видов обработки, исследованы параметры напряженно-деформированного состояния и сопоставлены с параметрами теоретического механизма. По результатам сопоставления оценена адекватность предлагаемого теоретического механизма и отмечены практические трудности теоретического моделирования совместной деформации разнородных материалов в микромасштабе. КЭ-моделирование в микромасштабе позволило изучить протекание пластической деформации в приповерхностных слоях материалов, а также выявить области наиболее вероятного разрушения поверхностных оксидных пленок и, следовательно, области первичного соединения разнородных материалов.

1. Joining by forming – A review on joint mechanisms, applications and future trends / P. Groche, S. Wohletz, M. Brenneis, C. Pabst, F. Resch // Journal of Materials Processing Technology. – 2014. – Vol. 214. – P. 1972–1994. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.12.022.

2. Joining by plastic deformation / K.-I. Mori, N. Bay, L. Fratini, F. Micari, A.E. Tekkaya // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 62. – P. 673–694. – DOI: 10.1016/j.cirp.2013.05.004.

3. Jamaati R., Toroghinejad M.R. Cold roll bonding bond strengths: review // Materials Science and Technology. – 2011. – Vol. 27, iss. 7. – P. 1101–1108. – DOI: 10.1179/026708310X12815992418256.

4. Li L., Nagai K., Yin F. Progress in cold roll bonding of metals // Science and Technology of Advanced Materials. – 2008. – Vol. 9. – P. 023001. – DOI: 10.1088/1468-6996/9/2/023001.

5. Rezayat M., Akbarzadeh A. Bonding behavior of Al–Al₂O₃ laminations during roll bonding process // Materials and Design. – 2012. – Vol. 36. – P. 874–879. – DOI: 10.1016/j.matdes.2011.08.048.

6. Tang C., Liu Z., Zhou D. Surface treatment with the cold roll bonding process for an aluminum alloy and mild steel // Strength of Materials. – 2015. – Vol. 47, iss. 1. – P. 150–155. – DOI: 10.1007/s11223-015-9641-3.

7. Arbo S.M., Westermann I., Holmedal B. Influence of stacking sequence and intermediate layer thickness in AA6082-IF steel tri-layered cold roll bonded composite sheets // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 767. – P. 316–322. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.767.316.

8. The effect of surface preparation on the bond strength of Al-St strips in CRB process / C. Gao, L. Li, X. Chen, D. Zhou, C. Tang // Materials and Design. – 2016. – Vol. 107. – P. 205–211. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.05.112.

9. Study of different surface pre-treatment methods on bonding strength of multilayer aluminum alloys/steel clad material / M. Akdesir, D. Zhou, F. Foadian, H. Palkowski // International Journal of Engineering Research & Science. – 2016. – Vol. 2, iss. 1. – P. 169–177.

10. Bagheri A., Toroghinejad M.R., Taherizadeh A. Effect of roughness and surface hardening on the mechanical properties of three-layered brass/IF steel/brass composite // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2018. – Vol. 71, iss. 9. – P. 2199–2210. – DOI: 10.1007/s12666-018-1351-7.

11. Macro- and micro-surface engineering to improve hot roll bonding of aluminum plate and sheet / J. Liu, M. Li, S. Sheu, M.E. Karabin, R.W. Schultz // Materials Science and Engineering A. – 2008. – Vol. 479. – P. 45–57. – DOI: 10.1016/j.msea.2007.06.022.

12. Development of a testing procedure to determine the bond strength in joining-by-forming processes / A. Mikloweit, M. Bambach, M. Pietryga, G. Hirt // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 966–967. – P. 481–488. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.966-967.481.

13. Wang A., Ohashi O., Ueno K. Effect of surface asperity on diffusion bonding // Materials Transactions. – 2006. – Vol. 47, iss. 1. – P. 179–184. – DOI: 10.2320/matertrans.47.179.

14. Zhang Ch., Li H., Li M. Role of surface finish on interface grain boundary migration in vacuum diffusion bonding // Vacuum. – 2017. – Vol. 137. – P. 49–55. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.12.021.

15. Effect of the steel sheet surface hardening state on interfacial bonding strength of embedded aluminum–steel composite sheet produced by cold roll bonding process / Ch. Wang, Y. Jiang, J. Xie, D. Zhou, X. Zhang // Materials Science & Engineering A. – 2016. – Vol. 652. – P. 51–58. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.11.039.

16. Danesh Manesh H., Shahabi H.Sh. Effective parameters on bonding strength of roll bonded Al/St/Al multilayer strips // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 476, iss. 1–2. – P. 292–299. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.08.081.

17. Jamaati R., Toroghinejad M.R. The role of surface preparation parameters on cold roll bonding of aluminum strips // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2011. – Vol. 20, iss. 2. – P. 191–197. – DOI: 10.1007/s11665-010-9664-7.

18. Salikhyanov D. Contact mechanism between dissimilar materials under plastic deformation // Comptes Rendus Mecanique. – 2019. – Vol. 347. – P. 588–600. – DOI: 10.1016/j.crme.2019.07.002.

19. Bogatov A., Salikhyanov D. Development of bonding mechanisms for different materials during forming // Metallurgist. – 2017. – Vol. 60, iss. 11–12. – P. 1175–1179. – DOI: 10.1007/s11015-017-0424-x.

20. Буркин С.П., Бабайлов Н.А., Овсянников Б.В. Сопротивление деформации сплавов Al и Mg: справочное пособие. – Екатеринбург: УрФУ, 2010. – 344 с. – ISBN 978-5-321-01755-5.