Математические методы наблюдения волновых процессов при деформации изделий 3D-технологии

Целью настоящей работы является разработка и применение математических методов (Фурье-интерполирования) для фиксации наличия и оценки механизмов волновых процессов, развивающихся в изделиях из порошковых нержавеющих и жаропрочных сплавов аддитивных технологий (SLM) в ходе их деформации.

Методы. Для фиксации наличия волновых процессов пластической деформации в нагруженных изделиях 3D-технологий использовали образцы порошковой нержавеющей стали 03Х18Н12М2 (аналог AISI 316L) и порошкового жаропрочного сплава 08ХН53БМТЮ (аналог Inconel 718), изготовленные по SLM-технологии на 3D-принтере SLM280 2.0HL. Образцы подвергали одноосному растяжению (ГОСТ 1497-84) с постоянной скоростью захватов на воздухе при комнатной температуре. С использованием цифровой видеозаписи процесса нагружения размеченной поверхности образцов проводили измерения длин размеченных участков. Строили графики зависимостей локальной относительной деформации по длине образца и в выделенные моменты испытаний. Математическое обоснование наличия волнового характера фиксируемых функций как периодических проводили путём разложения их в ряд Фурье с последующей интерполяцией.

Результаты. Экспериментально установлено, что в объёме исследованных образцов порошковых нержавеющей стали типа 316L и жаропрочного сплава типа Inconel 718, полученных по технологии SLM, при их растяжении существует многостадийный характер волновой деформации, отражающий развитие и перемещение локальных микрообъёмов повышенной пластичности (очагов локализованной деформации). Процедура Фурье-интерполяция комплекса экспериментально полученных кусочно-линейных функций размеров разметочной сетки и их локальных деформаций подтвердила их явную периодичность, то есть наличие волнового характера.

Заключение. Разработанная методика фиксации и математической обработки волновых деформационных спектров может применяться для анализа изменяющихся параметров поверхностной разметки (накатной сетки) 3D-изделий как по их длине, так и в фиксированные моменты времени нагружения, а также при построении многомерных зависимостей параметров разметки от геометрии образцов и времени испытаний.

1. Шестопалов Л. М. Деформирование металлов и волны пластичности в них. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1958. 268 с.

2. Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Эстрин Ю. З. Элементарные процессы пластической деформации кристаллов. Киев: Наукова думка, 1978. С. 93–112.

3. Алехин В. П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. 280 с.

4. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации / В. А. Лихачев, В. Е. Панин, Е. Э. Засимчук [и др.]. Киев: Наукова думка, 1989. 320 с.

5. Кольский Г., Рейдер Д. Волны напряжений и разрушение // Разрушение. М.: Мир, 1973. Т. 1. С. 570–608.

6. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / В. Е. Панин, Ю. В. Гриняев, В. И. Данилов [и др.]. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1990. 255 с.

7. Зуев Л. Б., Данилов В. И. Медленные автоволновые процессы при деформации твёрдых тел // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, № 1. С. 75–94.

8. Чуканов А. Н. Влияние ориентации изделий аддитивных технологий на их анизотропию деформации // Механические свойства современных конструкционных материалов: cборник материалов научных чтений им. чл.-корр. РАН Ивана Августовича Одинга. М.: ИМЕТ РАН, 2020. С. 79–80.

9. Чуканов А. Н. Анизотропия деформации при послойном лазерном синтезе изделий // Перспективные технологии и материалы: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Севастополь: СевГУ, 2020. С. 169–174.

10. Чуканов А. Н. Анизотропия физико-механических свойств при послойном лазерном синтезе // Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов: сборник научных статей Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика А. А. Байкова. Курск: Университетская книга, 2020. С. 244–247.

11. Чуканов А. Н., Терёшин В. А., Цой Е. В. Свойства изделий, полученных селективным лазерным синтезом. 1. «Сплошные» изделия // Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2021): сборник статей XIII Международной научно-технической конференции. Курск: Университетская книга, 2021. С. 341–346.

12. Машинное зрение в анализе волновых спектров деформации аддитивных изделий SLM-технологии / А. Н. Чуканов, В. А. Терёшин, Е. В. Цой, А. В. Матвеева // Перспективные материалы науки, технологий и производства: сборник научных статей Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2022. С. 325–329.

13. Волновой характер деформации при растяжении изделий послойного лазерного синтеза / А. Н. Чуканов, В. А. Терёшин, Е. В. Цой, А. В. Матвеева // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении (МТО-62): сборник научных статей 7-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Курск: Университетская книга, 2022. С. 206–210.

14. Машинное зрение в анализе волновой деформации в анизотропных металлах / А. Н. Чуканов, В. А. Терёшин, Е. В. Цой, А. В. Матвеева // Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства: сборник научных статей 2-й Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2022. С. 397–404.

15. Структура волнового спектра пластической деформации изделий SLM-технологии / А. Н. Чуканов, В. А. Терёшин, Е. В. Цой, А. В. Матвеева // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: cборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2022. С. 369–372.

16. Чуканов А. Н., Яковенко А. А., Цой Е. В. Математический анализ волновых деформационных спектров в аддитивных сплавах // Современные материалы, техника и технологии. 2023. № 3(48). С. 30–34.

17. Математический анализ в изучении волновой деформации в металлах / А. Н. Чуканов, Н. Н. Добровольский, Е. В. Цой, С. С. Гончаров // Прогрессивные технологии и процессы» (МТО-66): сборник научных статей 9-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Курск: Университетская книга, 2022. С. 151–156.

18. Цифроаналоговое преобразование кусочно-линейных и периодических функций волновой деформации в металлах / А. Н. Чуканов, Н. Н. Добровольский, Е. В. Цой, С. С. Гончаров // Современные материалы, техника и технологии. 2022. № 4(43). С. 44–49.

19. Чуканов А. Н., Яковенко А. А., Цой Е. В. Возможности механической спектроскопии в оценке состояния предразрушения материала // Современные материалы, техника и технологии. 2022. № 5(44). С. 34–41.

20. Многомерная теоретико-числовая Фурье интерполяция / Н. М. Добровольский, А. Р. Есаян, О. В. Андреева, Н. В. Зайцева // Чебышевский сборник. 2004. Т. 5, вып. 1. C. 122–143.