Модель деформационного поведения аддитивных алюминиевых сплавов

Автор: Екатерина Дымнич

Соавторы: Е.С. Емельянова, В.А. Романова

Организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Технологические особенности получения аддитивных материалов приводят к образованию сложной микроструктуры, характеризующейся наличием границ раздела разного типа и геометрии, механической и кристаллографической текстур. Поскольку в рамках макромеханического подхода анализ деформационного поведения аддитивных материалов весьма затруднителен, разумным является использование многоуровневого моделирования с явным учетом микроструктуры материала [1]. В рамках подхода многоуровневого моделирования характеристики, полученные на нижележащих масштабах, использовались в качестве входных данных на более крупном масштабном уровне (рис. 1).

Согласно литературным данным зерна исследуемого сплава представляют собой дендриты, ветви которых отделены тонкой эвтектической прослойкой. Для определения свойств эвтектики (Al+Si) было проведено двумерное моделирование для фрагментов эвтектики, полученных путем графической обработки экспериментальных изображений (рис. 1а). Осредненные по объему характеристики были заданы в качестве кривой нагружения для эвтектической фазы на масштабе дендритной структуры зерна. На этом масштабе структура представляла собой ячейки дендритов, отделенные каркасной прослойкой эвтектической фазы (рис. 1б). Осредненные на этом масштабе характеристики деформационного отклика были использованы для описания упрочнения зерен трехмерной структуры на мезоуровне (рис. 1в). 

Трехмерная модель поликристаллической структуры аддитивного алюминиевого сплава была сгенерирована методом пошагового заполнения. В соответствии с данными EBSD анализа модельный поликристалл содержал два характерных типа зерен – равноосные зерна по границам областей, имитирующих ванны расплава, и радиально направленные вытянутые зерна в их центральных частях (рис. 1в). Для описания деформационного отклика зерен были использованы определяющие соотношения физической теории пластичности для ГЦК кристаллов. 

Для модельной трехмерной зеренной структуры в масштабе нескольких ванн расплава, была проведена серия расчетов растяжения вдоль, поперек направления сканирования и в направлении наращивания слоев. Проанализирована эволюция полей напряжений и пластических деформаций на мезоуровне. Показано, что на мезоуровне картины локализации пластической деформации и распределения напряжений коррелируют с областями равноосных и вытянутых зерен. Наибольшее отклонение локальных характеристик напряженно-деформированного состояния от среднего уровня наблюдалось для случаев растяжения вдоль направления сканирования и в направлении роста слоев. 

1.       Micromechanical Model of Deformation-Induced Surface Roughening in Polycrystalline Materials, Phys. Mesomech., 20, No. 3 (2017) 81.