V. P. Shveikin, I. S. Kamantsev, N. B. Pugacheva, S. M. Zadvorkin, E. I. Senaeva, A. V. Razinkin, T. V. Maltseva, N. A Kalinina, T. M. Bykova, P. A. Skorynina, E. A. Putilova
APPLICATION OF MICROINDENTATION TO THE EVALUATION OF STRAIN DISTRIBUTION OVER THE SECTION OF EXTRUDED ALUMINUM ALLOY BARS
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.045-064 The paper proposes to supplement the monitoring of strain uniformity over the cross-section of extruded aluminum alloy bars, based on the macro- and microstructure in the central part, at ½ radius, and in the surface zone in several cross-sections along the length of press products, with microindentation of these sections. For this purpose, the microstructure, the loading diagram, and the pattern of the distribution of micromechanical properties across the cross-section of extruded bars made of the AD33 and D16 aluminum alloys are comparatively analyzed. These alloys differ in that in one alloy, AD33, the alloying elements strengthen the aluminum-based solid solution without forming independent phases, and in the other, D16, they form strengthening intermetallic compounds Al2CuMg. The microhardness of the AD33 alloy is ~55 HV 0.1, that of the D16 alloy being 120 HV 0.1. The alloys differ in the distribution of micromechanical properties over both the transverse and longitudinal sections of the extruded bars. It has been found that maximum homogeneity is characteristic of the central part of the rods made of both alloys. The microindentation data correlate with the changes in the microstructure and the results of assessing the distribution of microstrains in the crystal lattice of an aluminum-based solid solution over the cross-section of extruded products by EBSD using recrystallization maps. This makes it possible to recommend the microindentation method for assessing the distribution of strains over the cross-section of extruded aluminum alloy bars.
Acknowledgements: The work was performed under the state assignment for the IES UB RAS. The equipment of the Plastometriya shared research facilities at the IES UB RAS was used in the research. Keywords: aluminum alloys, compaction, microstructure, instrumented indentation, micromechanical properties, deformation, recrystallization, strength, moldability Bibliography:
- Livanov, V.A., ed. Struktura i svoystva polufabrikatov iz alyuminievykh splavov [Structure and Properties of Semi-Finished Products from Aluminum Alloys, series Aluminum Alloys: Handbook]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1974, 432 p. (In Russian).
- Gun, G.Ya., Yakovlev, V.I., and Prudkovsky, B.A. Pressovanie alyuminievykh splavov [Pressing of Aluminum Alloys]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1974, 362 p. (In Russian).
- Ermanok, M.Z., Feigin, V.I., and Sukhorukov, N.A. Pressovanie profiley iz alyuminievykh splavov [Extrusion of Aluminum Alloy Profiles]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1977. (In Russian).
- Kuzmenko, V.A. Pressovanie alyuminievykh splavov [Pressing of Aluminum Alloys]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1986, 108 p. (In Russian).
- Raitbarg, L.Kh. Proizvodstvo pressovannykh profiley [Production of Pressed Profiles]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1984, 264 p. (In Russian).
- Perlin, I.L. and Reitbarg, L.Kh. Teoriya pressovaniya metallov [Theory of the Pressing of Metals]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1975, 448 p. (In Russian).
- Kolachev, B.A., Elagin, V.I., and Livanov, B.A. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov [Metallurgy and Heat Treatment of Non-Ferrous Metals and Alloys, 4th ed.]. MISiS Publ., Moscow, 2005, 432 p. (In Russian).
- Teleshov, V.V., Snegireva, L.A., and Zakharov, V.V. On the influence of some processing factors on the structure and properties of large-sized extruded semiproducts. Tekhnologiya Legkikh Splavov, 2022, 1, 10–21. DOI: 10.24412/0321-4664-2022-1-10-21. (In Russian).
- Loginov, Yu.N. and Degtyareva, O.F. Influence of the stage of pressing out of a hollow aluminum alloy ingot on the process of subsequent pressing. Kuznechno-Shtampovochnoye Proizvodstvo. Obrabotka Materialov Davleniyem, 2007, 7, 37–42. (In Russian).
- Loginov, Yu.N., Razinkin, A.V., Shimov, G.V., Maltseva, T.V., Bushueva, N.I., Dymshakova, E.G., and Kalinina, N.A. Structure and strain state of aluminum bars at the initial phase of extrusion. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya, 2023, 29 (2), 29–37. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-2-29-37. (In Russian).
- Loginov, Yu.N. and Antonenko, L.V. Study of the stress-strain state to prevent the formation of longitudinal cracks in pressed pipes. Tsvetnyye Metally, 2010, 5, 119–122. (In Russian).
- Danilin, A.V., Danilin, V.N., and Romantsev, B.A. Predicting the type of structure after pressing in products made of hard-to-form aluminum alloys based on the results of mathematical modeling. Kuznechno-Shtampovochnoye Proizvodstvo. Obrabotka Materialov Davleniyem, 2019, 1, 26–38. (In Russian).
- Berndt, N., Frint, P., Bohme, M., Muller, S., and Wagner, M.F.-X. On radial microstructural variations, local texture and mechanical gradients after cold extrusion of commercially pure aluminum. Materials Science and Engineering: A, 2022, 850, 143496. DOI: 10.1016/j.msea.2022.143496.
- Hambli, R. and Badie-Levet, D. Damage and fracture simulation during the extrusion processes. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2000, 186, 1, 109–120. DOI: 10.1016/S0045-7825(99)00109-7.
- Golovin, Yu.I. Nanoindentirovanie i ego vozmozhnosti [Nanoindentation and Its Capabilities]. Mashinostroenie Publ., Moscow, 2009, 312 p. (In Russian).
- Petrzhik, M.I. and Levashov, E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing. Crystallography Reports, 2007, 52, 966–974. DOI: 10.1134/S1063774507060065.
- Smirnov, S.V., Pugacheva, N.B., Tropotov, A.V., and Soloshenko, A.N. Resistance to deformation of structural constituents of a high-alloy brass. Physics of Metals and Metallography, 2001, 91 (2), 210–215.
- ISO 14577-2:2002. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 2 (has been revised by ISO 14577-1:2015).
- Oliver, W.C. and Pharr, J.M. Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research, 1992, 7 (6), 1564–1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.
- Smirnov, S.V. and Smirnova, E.O. A technique for determining coefficients of the “stress–strain” diagram by nanoscratch test results. Journal of Materials Research, 2014, 29, 1730–1736. DOI: 10.1557/jmr.2014.188.
- Golovin, Yu.I. Zondovye nanotekhnologii [Probe Nanotechnologies, ch. 5]. In: D.L. Merson, ed. Advanced Materials. Structures and Methods of Study, TGU, MISiS Publ., Moscow, 2006, pp. 149–246. (In Russian).
- Leyland, A. and Matthews, A. On the significance of the H/E Ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimized tribological behavior. Wear, 2000, 246 (1–2), 1–11. DOI: 10.1016/S0043-1648(00)00488-9.
- Makarov, A.V., Korshunov, L.G., Malygina, I.Yu., and Osintseva, A.L. Effect of laser quenching and subsequent heat treatment on the structure and wear resistance of a cemented steel 20KhN3A. Physics of Metals and Metallography, 2007, 103 (5), 507–518. DOI: 10.1134/S0031918X07050110.
- Savrai, R.A., Skorynina, P.A., Makarov, A.V., and Osintseva, A.L. Effect of liquid carburizing at lowered temperature on the micromechanical characteristics of metastable austenitic steel. Physics of Metals and Metallography, 2020, 121 (10), 1015–1020. DOI: 10.1134/S0031918X20100105.
- Pugacheva, N.B., Nikolin, Y.V., Bykova, T.M., and Senaeva, E.I. Structure and properties of a SHS Cu–Ti–C–B composite. Physics of Metals and Metallography, 2022, 123, 43–49. DOI: 10.1134/S0031918X22010100.
- Wilkinson, A.J., Meaden, G., and Dingley, D.J. High resolution elastic strain measurement from electron backscatter diffraction patterns: new levels of sensitivity. Ultramicroscopy, 2006, 106 (4–5), 307–313. DOI: 10.1016/j.ultramic.2005.10.001.
- Davis, A.E., Hönnige, J.R., Martina, F., and Prangnell, P.B. Quantification of strain fields and grain refinement in Ti-6Al-4V inter-pass rolled wire-arc AM by EBSD misorientation analysis. Materials Characterization, 2020, 170, 110673. DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110673.
- Schwarzer, R.A., Field, D.P., Adams, B.L., Kumar, M., and Schwartz, A.J. Present state of electron backscatter diffraction and prospective developments. In: Electron Backscatter Electron Backscatter Diffraction in Materials Science, Springer, Berlin, 2009, pp. 1–20.
- Arsenlis, А. and Parks, D. Crystallographic aspects of geometrically-necessary and statistically-stored dislocation density. Acta Materialia, 1999, 47, 1597–1611. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00020-8.
- Kamaya, M., Wilkinson, A.J., and Titchmarsh, J.M. Quantification of plastic strain of stainless steel and nickel alloy by electron backscatter diffraction. Acta Materialia, 2006, 54 (2), 539–548. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.08.046.
- Maurice, C. and Fortunier, R.A 3D Hough transform for indexing EBSD and Kossel patterns. Journal of Microscopy, 2008, 230, 520–529. DOI: 10.1111/j.1365-2818.2008.02045.x.
- Rusakov, A.A. Rentgenografiya metallov [Radiography of Metals]. Atomizdat Publ., Moscow, 1977, 480 p. (In Russian).
- Mirkin, L.I. Rentgenostrukturnyi kontrol mashinostroitelnykh materialov: spravochnik [X-Ray Structural Control of Machine-Building Materials]. MGU Publ., Moscow, 1976, 134 p. (In Russian).
- ISO 14577-2:2015. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 2: Verification and calibration of testing machines. – 2015.
- Maltsev, V.M. Metallografiya promyshlennykh tsvetnykh metallov i splavov [Metallography of Industrial Non-Ferrous Metals and Alloys]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1970, 364 p. (In Russian).
- Samsonov, G.V., ed. Svoystva elementov. Fizicheskie svojstva [Properties of Elements. Physical Properties, part 1: reference book]. Metallurgiya Publ. Moscow, 1976, 600 p. (In Russian).
- Gorelik, S.S., Dobatkin, S.V., and Kaputkina, L.M. Rekristallizatsiya metallov i splavov [Recrystallization of Metals and Alloys]. MISiS Publ., Moscow, 2005, 432 p. (In Russian).
В. П. Швейкин, И. С. Каманцев, Н. Б. Пугачева, С. М. Задворкин, Е. И. Сенаева, А. В. Разинкин, Т. В. Мальцева, Н. А. Калинина, Т. М. Быкова, П. А. Скорынина, Е. А. Путилова
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ПО СЕЧЕНИЮ ПРЕССОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Предложено дополнить текущий контроль степени однородности деформации по сечению прессованных заготовок из алюминиевых сплавов, выполняемый по макро- и микроструктуре в центральной части, на 1/2 радиуса и в поверхностной зоне в нескольких поперечных сечениях по длине пресс-изделий, микроиндентированием этих участков. Для этого проведен сравнительный анализ микроструктуры, диаграммы нагружения и характера распределения показателей микромеханических свойств по сечению прессованных заготовок из алюминиевых сплавов АД33 и Д16. Эти сплавы отличаются тем, что в одном (АД33) легирующие элементы упрочняют твердый раствор на основе алюминия и не образуют самостоятельных фаз, а в другом (Д16) образуют упрочняющие интерметаллиды Al2CuMg. Микротвердость сплава АД33 составила ~55 HV 0,1, а сплава Д16 – 120 HV 0,1. Исследованные сплавы отличаются распределением показателей микромеханических свойств как по поперечному, так и по продольному сечению прессованных заготовок. Установлено, что максимальная однородность характерна для центральной части прутков из обоих сплавов. Данные микроиндентирования коррелируют с изменениями микроструктуры и результатами оценки распределения микродеформаций кристаллической решетки твердого раствора на основе алюминия по сечению пресс-изделий методом дифракции отраженных электронов по картам рекристаллизации, что позволяет рекомендовать метод микроиндентирования для оценки распределения деформаций по сечению прессованных заготовок из алюминиевых сплавов.
Благодарности: Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН в соответствии с государственным заданием ИМАШ УрО РАН. Ключевые слова: алюминиевые сплавы, прессование, микроструктура, инструментальное индентирование, микромеханические свойства, деформация, рекристаллизация, прочность, пластичность Библиография:
- Елагин В. И., Ливанов В. А. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов : справочник. – М. : Металлургия, 1974. – 432 c.
- Гун Г. Я., Яковлев В. И., Прудковский Б. А. Прессование алюминиевых сплавов. – М. : Металлургия, 1974. – 362 с.
- Ерманок М. 3., Фейгин В. И., Сухоруков Н. А. Прессование профилей из алюминиевых сплавов. – М. : Металлургия, 1977. – 263 с.
- Кузьменко В. А. Прессование алюминиевых сплавов. – М. : Металлургия, 1986. – 108 с.
- Райтбарг Л. Х. Производство прессованных профилей. – М. : Металлургия, 1984. – 264 с.
- Перлин И. Л., Райтбарг Л. Х. Теория прессования металлов. – М. : Металлургия, 1975. – 448 с.
- Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. ‒ М. : МИСИС, 2005. ‒ 427 с.
- Телешов В. В., Снегирева Л. А., Захаров В. В. О влиянии некоторых технологических факторов на структуру и свойства крупногабаритных прессованных полуфабрикатов // Технология легких сплавов. – 2022. – № 1. – С. 10–21. – DOI: 10.24412/0321-4664-2022-1-10-21.
- Логинов Ю. Н., Дегтярева О. Ф. Влияние стадии распрессовки полого слитка из алюминиевого сплава на процесс последующего прессования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2007. – № 7. – С. 37–42.
- Структурное состояние и деформации заготовки из алюминиевого сплава в начальной стадии прессования / Ю. Н. Логинов, А. В. Разинкин, Г. В. Шимов, Т. В. Мальцева, Н. И. Бушуева, Е. Г. Дымшакова, Н. А. Калинина // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2023. – Т. 29, № 2. – С. 29–37. – DOI: 10.17073/0021-3438-2023-2-29-37.
- Логинов Ю. Н., Антоненко Л. В. Изучение напряженно-деформированного состояния для предупреждения образования продольных трещин в прессованных трубах // Цветные металлы. – 2010. – № 5. – С. 119–122.
- Данилин А. В., Данилин В. Н., Романцев Б. А. Прогнозирование вида структуры после прессования в изделиях из труднодеформируемых алюминиевых сплавов на основании результатов математического моделирования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2019. – № 1. – С. 26–38.
- On radial microstructural variations, local texture and mechanical gradients after cold extrusion of commercially pure aluminum / N. Berndt, P. Frint, M. Bohme, S. Muller, M. F.-X. Wagner // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 850. – Art. 143496. – DOI: 10.1016/j.msea.2022.143496.
- Hambli R., Badie-Levet D. Damage and fracture simulation during the extrusion processes // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2000. – Vol. 186, iss. 1. – P. 109–120. – DOI: 10.1016/S0045-7825(99)00109-7.
- Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. – М. : Машиностроение, 2009. – 312 с.
- Petrzhik M. I., Levashov E. A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. – 2007. – Vol. 52. – Р. 966–974. – DOI: 10.1134/S1063774507060065.
- Сопротивление пластической деформации структурных составляющих сложнолегированной латуни / С. В. Смирнов, Н. Б. Пугачева, А. В. Тропотов, А. Н. Солошенко // Физика металлов и металловедение. – 2001. – Т. 91, № 2. – С. 106–111.
- ISO 14577–1:2002. Metallic materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Test method. – Part 1. – 2002.
- Oliver W. C., Pharr J. M. Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. – 1992. – Vol. 7, iss. 6. – P. 1564–1583. – DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.
- Smirnov S. V., Smirnova E. O. A technique for determining coefficients of the “stress–strain” diagram by nanoscratch test results // Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 29. – P. 1730–1736. – DOI: 10.1557/jmr.2014.188.
- Головин Ю. И. Зондовые нанотехнологии // Перспективные материалы. Структуры и методы исследования : учеб. пособие / под ред. Д. Л. Мерсона. – ТГУ, МИСиС, 2006. – C. 149–246 с. – Гл. 5.
- Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E Ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimized tribological behavior // Wear. – 2000. – Vol. 246. – P. 1–11. – DOI: 10.1016/S0043-1648(00)00488-9.
- Effect of laser quenching and subsequent heat treatment on the structure and wear resistance of a cemented steel 20KhN3A / A. V. Makarov, L. G. Korshunov, I. Yu. Malygina, A. L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2007. – Vol. 103 (5). – P. 507–518. – DOI: 10.1134/S0031918X07050110.
- Effect of liquid carburizing at lowered temperature on the micromechanical characteristics of metastable austenitic steel / R. A. Savrai, P. A. Skorynina, A. V. Makarov, A. L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2020. – Vol. 121 (10). – P. 1015–1020. – DOI: 10.1134/S0031918X20100105.
- Structure and properties of a SHS Cu–Ti–C–B composite / N. B. Pugacheva, Y. V. Nikolin, T. M. Bykova, E. I. Senaeva // Physics of Metals and Metallography. – 2022. – Vol. 123. – P. 43–49. – DOI: 10.1134/S0031918X22010100.
- Wilkinson A. J., Meaden G., Dingley D. J. High resolution elastic strain measurement from electron backscatter diffraction patterns: New levels of sensitivity // Ultramicroscopy. – 2006. – Vol. 106. – P. 303–313. – DOI: 10.1016/j.ultramic.2005.10.001.
- Quantification of strain fields and grain refinement in Ti-6Al-4V inter-pass rolled wire-arc AM by EBSD misorientation analysis / A. E. Davis, J. R. Hönnige, F. Martina, P. B. Prangnell // Materials Characterization. – 2020. – Vol. 170. – Art. 110673. – DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110673.
- Present state of electron backscatter diffraction and prospective developments / R. A. Schwarzer, D. P. Field, B. L. Adams, M. Kumar, A. J. Schwartz // Electron Backscatter Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. – Berlin : Springer, 2009. – P. 1–20.
- Arsenlis А., Parks D. Crystallographic aspects of geometrically-necessary and statistically-stored dislocation density // Acta Materialia. – 1999. – Vol. 47. – P. 1597–1611. – DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00020-8.
- Kamaya M., Wilkinson A. J., Titchmarsh J. M. Quantification of plastic strain of stainless steel and nickel alloy by electron backscatter diffraction // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54. – P. 539–548. – DOI: 10.1016/j.actamat.2005.08.046.
- Maurice C., Fortunier R. A 3D Hough transform for indexing EBSD and Kossel patterns // Journal of Microscopy. – 2008. – Vol. 230. – P. 520–529. – DOI: 10.1111/j.1365-2818.2008.02045.x.
- Русаков А. А. Рентгенография металлов. – М. : Атомиздат, 1977. – 480 с.
- Миркин Л. И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. – М. : Машиностроение, 1979. – 134 с.
- ISO 14577-2:2015. Metallic materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Verification and calibration of testing machines. – Part 2. – 2015.
- Мальцев В. М. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. – М. : Металлургия, 1970. – 364 с.
- Самсонов Г. В. Свойства элементов : справочник. Ч. 1 : Физические свойства. – М. : Металлургия, 1976. – 600 с.
- Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М. : МИСИС, 2005. – 432 с.
Библиографическая ссылка на статью
Application of Microindentation to the Evaluation of Strain Distribution over the Section of Extruded Aluminum Alloy Bars / V. P. Shveikin, I. S. Kamantsev, N. B. Pugacheva, S. M. Zadvorkin, E. I. Senaeva, A. V. Razinkin, T. V. Maltseva, N. A Kalinina, T. M. Bykova, P. A. Skorynina, E. A. Putilova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2023. - Iss. 6. - P. 45-64. - DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.045-064. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2023-6/2023-6_419.html (accessed: 06.10.2024).
|