Estudio experimental sobre el comportamiento de tracción a alta temperatura de la aleación de aluminio AA5083 con carga oscilante.

Jul 18, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13307 (2023) Citar este artículo

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El comportamiento de flujo de la aleación de aluminio AA5083 a 450 \(^\circ \)C se ha investigado en condiciones de carga cuasiestáticas con y sin una carga oscilante superpuesta. Las muestras se colocaron bajo carga de tracción a velocidades de deformación constantes que oscilaban entre 0,001 y 0,3 s\(^{-1}\). Se diseñó un dispositivo para generar la oscilación de onda sinusoidal requerida y se conectó a la máquina de prueba de tracción MTS junto con una celda de carga secundaria altamente sensible. Las frecuencias de las oscilaciones impuestas variaron de 5 a 100 Hz con una amplitud de 0,02 a 0,5 N. Se observó que la imposición de oscilaciones influye en el comportamiento de deformación del material. Aunque el rendimiento y la resistencia a la tracción permanecen relativamente constantes, el alargamiento total es entre un 8% y un 23% mayor bajo una carga oscilante impuesta. Además, se investigaron los perfiles de distribución de espesores a lo largo de la longitud de referencia de las probetas de tracción y se observó que en presencia de oscilaciones la distribución de espesores es más uniforme. Se concluyó que la presencia de una carga oscilante superpuesta dará como resultado mayores capacidades de deformación antes de la fractura y pospondrá la aparición de daños en comparación con el conformado convencional. Este fenómeno se exploró más a fondo utilizando una subrutina de material definida por el usuario desarrollada para el solucionador de elementos finitos LS-DYNA para simular las pruebas de tracción de carga constante realizadas.

El aluminio AA5083 es ​​una aleación de aluminio no tratable térmicamente con una excelente conformabilidad en frío y puede alcanzar niveles moderados de superplasticidad1. Esta aleación es asequible y tiene una resistencia ambiental razonable y buenas propiedades mecánicas, lo que la hace ideal para aplicaciones aeroespaciales, marinas y automotrices2.

Con la gran demanda y el desarrollo de piezas y productos en las industrias automotriz y aeronáutica, la necesidad de piezas livianas y procesos de conformado mejorados ha aumentado drásticamente. Por lo tanto, se están realizando muchas investigaciones para mejorar las aleaciones ligeras de aluminio como la AA5083 y sus diferentes procesos de conformado. Se dice que un material exhibe un comportamiento superplástico cuando exhibe una deformación plástica significativa (un alargamiento \(> 200\%\)) a temperatura elevada sin estrechamiento antes de la fractura3. Tanto las propiedades mecánicas (alargamiento, UTS, temperaturas óptimas de formación, dependencia de la velocidad de deformación, etc.) como las características microestructurales de las aleaciones de aluminio superplástico se han investigado exhaustivamente4,5,6,7,8,9,10. Hay tres aspectos principales necesarios para lograr la superplasticidad: altas temperaturas de formación (aproximadamente la mitad del punto de fusión del material), tamaño de grano fino y estable (menos de 10 \(\upmu \)m) y un punto de fusión bajo y controlado. tasa de deformación, típicamente entre 10\(^{-4}\) y 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\). Se han realizado muchas investigaciones para optimizar estos aspectos, Hosseinipour realizó pruebas para obtener temperaturas y tasas de deformación óptimas, concluyendo que 450 \(^\circ \)C y tasas de deformación de magnitud 10\(^{-3}\) s\(^{-1}\) logró resultados óptimos11. Yogesha et al.12 informaron combinaciones similares de requisitos de alta temperatura y baja tasa de deformación para deformarse superplásticamente.

De particular interés, las investigaciones publicadas han demostrado la efectividad y los resultados de las láminas AA5083 que se deforman superplásticamente11,13. Las severas deformaciones que ocurren en el conformado superplástico se logran principalmente mediante el deslizamiento del límite de grano (GBS). Además, los altos niveles de deslizamiento de los límites de grano van acompañados de un mecanismo de deformación por acomodación adicional, y los modelos GBS tradicionales se separan en dos categorías: GBS 14 con acomodación difusional y acomodación dislocadora. A pesar de las grandes deformaciones que se pueden lograr, el principal inconveniente del El uso generalizado del conformado superplástico es el importante tiempo necesario para formar una pieza industrial, que oscila entre dos y diez minutos15. Esto limita el número de piezas que se pueden formar, especialmente en la industria del automóvil, lo que aumenta significativamente el coste de la pieza.

Los procesos de conformación por soplado pueden aprovechar los materiales superplásticos para formar plásticamente piezas complejas que tienen una distribución de espesor relativamente uniforme. En este proceso, se puede precalentar una pieza metálica y luego colocarla en una matriz que se calienta a la temperatura de formación prescrita. Se utiliza una curva de presión versus tiempo para controlar la presión de la lámina caliente contra la superficie de la cavidad de la matriz; con aire o gas argón, lo que obliga a la pieza en bruto a adoptar su forma final 16. Este proceso ha reducido con éxito el peso de varias piezas utilizadas en las industrias automotriz y aeroespacial.

Si se pudiera lograr la superplasticidad a velocidades de deformación más rápidas que las de las velocidades de deformación típicamente lentas de formación de superplásticos, se podrían mejorar los procesos de formación industrial. La superplasticidad de alta tasa de deformación (HSR) ha sido el objetivo de muchas investigaciones para aumentar las tasas de formación de superplásticos. Como resultado de la correlación entre el aumento del alargamiento máximo y la reducción del tamaño del grano, la investigación de HSR se ocupa principalmente del refinamiento de los granos en la microestructura. Para refinar los granos y demostrar teóricamente la superplasticidad a altas velocidades de deformación, es necesario examinar procesos severos de deformación plástica. Aunque eficiente, este procedimiento puede resultar costoso y tiene una aplicación industrial limitada. Yan et al.17 realizaron pruebas de tracción uniaxial en muestras de AA5083 que fueron procesadas termomecánicamente para lograr un tamaño de grano \(< 8 \,\,\upmu \)m (en comparación con el AA5083 disponible comercialmente que normalmente tiene un tamaño de grano \( > 10 \,\,\upmu \)m) y lograron un alargamiento máximo del 530%. Ma et al.18 lograron un alargamiento superior al 1000% utilizando una aleación de aluminio que había sido procesada mediante agitación por fricción para lograr un tamaño de grano \(< 2 \,\,\upmu \)m. Jin et al. 19 utilizaron el refinamiento del grano mediante soldadura por fricción y agitación para lograr superplasticidad a velocidades de deformación elevadas de hasta 10\(^{-2}\) s\(^{-1}\).

La eficacia de la superposición de una carga oscilante para optimizar tanto la deformación plástica del metal como varios procesos de conformación del metal se ha investigado durante décadas, como se observa en la soldadura ultrasónica20,21. La soldadura ultrasónica utiliza vibraciones de alta frecuencia para soldar dos componentes sujetos y el resultado es una soldadura altamente repetible y de alta resistencia. Además, también se ha investigado la superposición de oscilaciones ultrasónicas en ensayos de tracción para mejorar la deformación22,23,24,25,26,27. Las oscilaciones superpuestas hipotéticamente mejoran la efectividad de la deformación debido a que la tensión oscilatoria genera una tensión media menor que la de la curva de tensión-deformación para una carga de tracción estática.

La efectividad de imponer oscilaciones ultrasónicas sobre un metal que está deformado plásticamente puede relacionarse con la efectividad del calor en lo que respecta al ablandamiento térmico. Sin embargo, los resultados en la literatura indican una mayor efectividad en comparación con el ablandamiento térmico porque la energía se absorbe preferentemente en áreas localizadas que normalmente impiden la deformación; vacantes, dislocaciones y límites de grano, mientras que todo el volumen del material absorbe la energía térmica. Debido a su eficacia para optimizar las capacidades de deformación, se han estado desarrollando investigaciones sobre la aplicación de energía de oscilación durante la fabricación. Langenecker et al.27 investigaron el uso de energía ultrasónica durante la formación de metales, lo que resultó en una reducción de la fuerza aplicada a las carcasas de hierro y cobre de 220 a 70 lb. En otros procesos de formación de metales, se atribuyó el éxito de inducir oscilaciones ultrasónicas. a las oscilaciones reduciendo la fricción entre la pieza y las herramientas de conformado. Reducir los efectos de fricción en los procesos de conformado superplástico es de gran valor para reducir los costos de posconformado y los procesos para mejorar los acabados superficiales posformados, que tradicionalmente se ven afectados negativamente por el deslizamiento durante el conformado. El consenso sobre la capacidad de las oscilaciones/vibraciones para ayudar en la deformación es que la energía se absorbe preferentemente en los sitios de dislocación, lo que les permite superar los obstáculos de deslizamiento. Esto es especialmente valioso para una pieza que se deforma superplásticamente para ayudar en el deslizamiento de los límites de grano acomodados a la dislocación. Además, se ha demostrado que la vibración ultrasónica ayuda a refinar la microestructura del material y, a su vez, mejora las propiedades del material. El efecto de la introducción de vibraciones ultrasónicas como medio de refinamiento del grano se investigó en un proceso de recalcado asistido por ultrasonidos y luego se comparó con un proceso de recalcado convencional25. Este proceso produjo resultados similares a los de los procesos de refinamiento de granos por deformación plástica severa y también podría ser un mecanismo subyacente que ocurre durante la conformación del metal. Paralelamente se han llevado a cabo investigaciones sobre el diseño y utilización de un oscilador fluídico supersónico capaz de utilizarse en condiciones superplásticas28. En conjunto, la posible mejora del comportamiento de tracción junto con un oscilador fluídico incrustado en una matriz superplástica puede ampliar en gran medida la incorporación de piezas formadas superplásticamente debido al tiempo de formación y la posible reducción de la temperatura de formación. Anaraki et al han investigado recientemente la eficacia de un proceso de formación de presión oscilante, lo que ha dado como resultado un dominio de formación ampliado al implementar un procedimiento de formación de presión oscilante 29.

Debido al uso de presión variable en el tiempo en procesos industriales SPF, es de gran valor desarrollar modelos constitutivos de la tensión de flujo que puedan usarse para simular el proceso de formación superplástica. Así, el objetivo de esta investigación es realizar pruebas experimentales y utilizar los datos obtenidos para desarrollar un modelo constitutivo de deformación superplástica con y sin oscilaciones.

La deformación superplástica se considera un proceso de fluencia que se encuentra dentro de la región II de la curva sigmodal de tensión versus tasa de deformación. Esta región a menudo se define por un índice de sensibilidad a la velocidad de deformación (\(m={\Delta (\log {\sigma })}/{\Delta (\log {\dot{\varepsilon }})}\)) que excede 0.4. Además, la energía de activación en la Región II es cercana a la requerida para que se produzca la difusión en el límite del grano. Como resultado, la ductilidad máxima ocurre dentro de la Región II, por lo que a menudo se la caracteriza como región Superplástica. La importancia del índice de sensibilidad a la velocidad de deformación se ve aún más con su uso en todas las ecuaciones constitutivas viscoplásticas más citadas. Estos modelos constitutivos incluyen la ley potencial, la ley sinh, la ecuación de Bird-Mukherjee-Dorn y el modelo constitutivo unificado30. A pesar de que los modelos anteriores utilizan un valor m constante, estudios recientes han indicado que esto es inexacto y puede sesgar negativamente las predicciones. Además, a pesar de que la ley de potencia se utiliza con frecuencia en simulaciones de EF debido a su simplicidad, tiene limitaciones debido a su incapacidad para predecir los comportamientos de ablandamiento o daño que normalmente ocurren durante la conformación superplástica.

Este estudio tiene como objetivo mejorar el marco actual mediante el desarrollo de un modelo constitutivo que tenga en cuenta el comportamiento de ablandamiento y daño del material, así como el cambio constante en la sensibilidad a la tasa de deformación del material. Además, también se desarrolla la simulación de un material que se forma superplásticamente potenciado por oscilaciones.

Las muestras se fabricaron a partir de láminas AA5083 de 1,4 mm de espesor, cuya composición química se muestra en la Tabla 1 proporcionada por el proveedor del material. Se cortaron muestras de tamaño inferior a una geometría específica adoptada de la literatura11, que consta de una longitud de calibre de 18 mm y un ancho de calibre de 8 mm. Como se recomendó en estudios anteriores, se prepararon muestras 31 utilizando electroerosión por hilo de modo que el eje de tensión principal fuera siempre paralelo a la dirección de laminado de la lámina. Esta geometría de muestra de tamaño reducido es ventajosa porque garantiza que la muestra se fracturará antes de que la longitud del calibre se extienda fuera de los límites del horno disponible. Esta geometría del espécimen también facilitó la comparación de los resultados con datos publicados por otros investigadores.

El equipo hecho a medida utilizado para llevar a cabo los experimentos incluye un horno bien aislado con una ventana de cuarzo de doble capa, un mecanismo de apertura neumático, varillas de titanio y un dispositivo para sujetar la muestra, un generador de formas de onda electromagnéticas mecánicas, un generador de formas de ondas eléctricas, un dispositivo de control y adquisición de datos de National Instruments, y una celda de carga secundaria. Las pruebas se realizaron en una máquina de ensayo de tracción MTS. La Figura 1 muestra un esquema de la configuración de prueba.

Esquemático del montaje experimental.

El horno contiene calentadores eléctricos que rodean sus dos cámaras semicirculares para una distribución uniforme de la temperatura según la norma ASTM E2448-18 para determinar las propiedades superplásticas del aluminio. El elevador neumático se utiliza para subir y bajar el horno al montar la muestra. Dos varillas de acero entran a través de las aberturas en la parte superior e inferior del horno para sostener la muestra y transferir la carga desde la máquina de prueba MTS. Las aberturas del horno se sellan térmicamente con algodón de sílice durante el funcionamiento. Una de las varillas está unida a un par de electroimanes que inducen oscilaciones en la dirección de carga. Las señales de onda sinusoidal se generan mediante un generador de formas de onda y los electroimanes convierten las señales en una carga oscilante que se transfiere mecánicamente a la muestra a través de las varillas de acero. La carga oscilante aplicada se calibró para cada tasa y frecuencia de deformación utilizando la celda de carga MTS. La Figura 2 muestra una onda de oscilación de carga registrada con una amplitud de 0,5 N y una frecuencia de 10 Hz con precarga compensada.

Onda de oscilación registrada para una onda oscilante de amplitud de 0,5 N y frecuencia de 10 Hz.

Los ensayos de tracción se realizaron de acuerdo con la norma ASTM E2448-18, excepto para la geometría de la muestra. Para cada condición, se realizaron 3 pruebas repetidas. Antes de la prueba, la longitud y el ancho del calibre de cada muestra se midieron utilizando calibradores Mitutoyo para mayor precisión. Una vez calibrada la carga oscilante, se cerró el horno y se precalentó a 450 \(^\circ \)C. Y una vez que la temperatura alcanzó los 450 \(^\circ \)C, se elevó el horno y se montó la muestra en los accesorios de agarre. Se colocaron sondas de temperatura en contacto con la parte superior e inferior de la muestra y se mantuvieron en su lugar con alambre de acero. A continuación se bajó el horno y se selló. Se registraron la hora de inicio y la temperatura. Una vez que la temperatura del horno se estabilizó en 450 \(^\circ \)C, la muestra se dejó en remojo durante cinco minutos, según la práctica industrial. Durante este proceso, se ajustó la posición de la cruceta para minimizar la acumulación de tensión debido a la expansión térmica. Luego se activó la carga oscilante y se inició la prueba de tracción. Para las pruebas de velocidad de deformación constante se aplicó una carga monótona constante con una velocidad de cruceta prescrita. Una vez completada la prueba, se retiró la muestra y se precalentó la cámara para la siguiente prueba. Se utilizó un videoextensómetro MTS Advantage (AVX) para registrar y verificar los datos de desplazamiento en la longitud del calibre.

Se utilizó AVX para verificar la exactitud de los datos recopilados de la cruceta. Como se muestra en la Fig. 3. La validez del desplazamiento de la cruceta se confirma, como lo muestra su fuerte correlación con los datos AVX registrados. Estos datos se utilizaron para confirmar el módulo elástico de AA5083 a 450 \(^\circ \)C, y al comparar los datos registrados por AVX y los datos de la cruceta, se estableció una relación entre el desplazamiento medido de la cruceta y el desplazamiento de la longitud del calibre. Esta ecuación se utilizó para procesar los datos de carga-desplazamiento y calcular la tensión plástica efectiva real para cada prueba.

Comparación de los datos de la cruceta registrados con lecturas simultáneas de un extensómetro de vídeo MTS Advantage (AVX) para una prueba con una velocidad de deformación de 0,1 s\(^{-1}\).

Para la caracterización del material, se realizó una serie de ensayos de tracción tanto para condiciones de velocidad de deformación constante como de carga de fuerza constante. Utilizando pruebas de fractura a velocidad constante, se podría medir la deformación real hasta la fractura y compararla con un modelo del comportamiento tensión-deformación del material. Luego de desarrollar un modelo de material utilizando los resultados de los ensayos de tracción, se realizó la verificación del modelo mediante los ensayos de tracción de fuerza constante, comparando los resultados previstos con los resultados encontrados experimentalmente. En la Fig. 4 se muestra una recopilación de las curvas de flujo recopiladas para las velocidades de deformación seleccionadas de las pruebas de tracción realizadas.

Curvas de tensión-deformación verdaderas de ensayos de tracción a velocidad constante con y sin oscilaciones.

Para verificar la hipótesis de que se produce una mayor deformación cuando se aplica una carga oscilante inducida, se realizaron pruebas de tracción a velocidades constantes hasta la fractura. Para determinar la efectividad de la carga oscilante, se utilizó el desplazamiento de la cruceta al inicio de la fractura para cuantificar las capacidades de deformación plástica a velocidades de deformación que oscilan entre 0,001 y 0,6 s\(^{-1}\). La efectividad de la carga oscilante se muestra en la Fig. 5, donde las mejoras porcentuales en la deformación plástica en el momento de la fractura varían del 13,4 al 29,4% en el dominio de la tasa de deformación.

Deformación plástica registrada en el momento de la fractura para ensayos de tracción realizados a velocidades de deformación que oscilan entre 0,001 y 0,6 s\(^{-1}\) con y sin oscilación.

Además de una conformabilidad mejorada, la respuesta a la tensión a diferentes deformaciones y velocidades de deformación también permite la expansión del dominio de superplasticidad aplicable. El dominio en el que se puede aplicar el conformado superplástico está representado por una respuesta tensión-deformación estable con una deformación creciente durante el conformado. La estabilidad se puede cuantificar por la presencia limitada de endurecimiento o ablandamiento por deformación significativo. La relación resultante con y sin oscilaciones se muestra en la Fig. 6 para el rango de velocidad de deformación de 0,1 a 0,6 en incrementos de deformación de 0,1. A velocidades de deformación elevadas, se produce una cantidad significativa de ablandamiento de deformación, particularmente sin una carga oscilante. Por el contrario, a velocidades de deformación más bajas, hay una variación de dureza insignificante al aumentar los valores de deformación. En comparación con el comportamiento con y sin oscilación, los valores de tensión generales muestran una gran similitud, siendo la principal diferencia una dispersión general reducida, particularmente a velocidades de deformación \(> 0.05\,\, \hbox {s}^{-1} \) como lo indican sus desviaciones de la región de estado estacionario prescrita y la gran desviación aumenta con los valores de deformación. En general, la presencia de oscilaciones permite una región de formación más extensa donde la tasa de deformación se puede aumentar hasta 0,06 s\(^{-1}\) donde se limita a 0,03 s\(^{-1}\) sin oscilaciones.

Sin oscilaciones y con oscilaciones, tensión de flujo para tasas de deformación que oscilan entre 0,1 y 0,6 en incrementos de deformación de 0,1.

Con el fin de realizar un análisis exhaustivo, se investigó una amplia gama de combinaciones de frecuencia y amplitud en relación con el comportamiento tensión-deformación del AA5083. Las indicaciones en la literatura sugieren un efecto de ablandamiento acústico como resultado de un aumento en la amplitud de la carga oscilante. Esto contrasta con el estudio realizado como se ilustra en la Fig. 6, no hay ningún efecto de suavizado discernible presente como resultado de una amplitud impuesta. En este sentido, aunque se realizaron pruebas para amplitudes que oscilaban entre 0,02 y 0,5 N, se encontró que la magnitud de la amplitud no afecta la efectividad de mejorar la conformabilidad tanto para el comportamiento de tensión como de deformación, como se muestra en la Fig. 7: no discernible La diferencia se ve tanto en la tensión máxima como en la deformación verdadera total hasta la fractura para todas las amplitudes y tasas de deformación aplicadas. De manera similar, se encontró que la frecuencia de la oscilación superpuesta no causa variación en las capacidades de deformación del material en el rango de 5 a 100 Hz.

Efecto de la amplitud de oscilación superpuesta sobre el comportamiento de tensión y deformación del AA5083 durante la prueba de tracción a 450 \(^\circ \)C.

Para cuantificar aún más el efecto de una carga oscilante superpuesta, así como para validar el modelo del material construido, se realizaron pruebas de tracción con una carga constante aplicada a valores de deformación específicos. De los ensayos realizados se registró la variación de espesor y el tiempo para su comparación y caracterización del material. Las pruebas se realizaron tanto sin oscilación como con oscilación según las especificaciones de amplitud y frecuencia seleccionadas. Las magnitudes de carga aplicada estuvieron dentro del rango de 147,1 a 269,7 N. La relación para la reducción del espesor que se produce como resultado de varias cargas constantes aplicadas se muestra en la Fig. 8. Las muestras se cargaron con una deformación mayor prescrita del 171 %, con y sin una carga oscilante, y el espesor correspondiente se midió usando ultrasonidos. medidas de espesor. La relación resultante indica una resistencia mejorada al adelgazamiento bajo condiciones de carga equivalentes como resultado de las oscilaciones impuestas durante la deformación.

Reducción máxima del espesor que se produce a lo largo de toda la longitud de calibre de las muestras AA5083 deformadas bajo carga constante hasta un 171% de deformación mayor.

Se han observado dos modos de deformación entre las velocidades de deformación de los ensayos de tracción completados: deslizamiento del límite de grano (GBS) y arrastre de soluto (SDC). Para la deformación de materiales a alta temperatura, el GBS es más frecuente a velocidades de deformación más lentas, pero a velocidades de deformación más altas, el principal mecanismo de deformación cambia a SDC32,33,34. Esto es lo que se informa durante Quick Plastic Forming, una variante del conformado superplástico que se utiliza en la industria del transporte, donde los materiales superplásticos se forman a velocidades mucho más rápidas y, a veces, a temperaturas más bajas para satisfacer la creciente demanda de piezas.

Como se observa en la literatura32,34, la falla del GBS se acompaña de nucleación de vacíos, crecimiento de vacíos y coalescencia de vacíos, que luego conduce a la fractura. En SDC, la falla ocurre debido a la localización del flujo y la constricción en el material. Mary-Anne et al.34 han observado que para materiales de Al-Mg con baja impureza que se han sometido a SDC, la falla puede ocurrir por estrechamiento hasta una punta afilada, pero para aluminio con alta impureza como AA5083, el estrechamiento ocurre bajo deformación SDC. sin embargo, el fracaso todavía se produce por el crecimiento de la cavidad y la coalescencia en el área del cuello.

Imágenes SEM que muestran una muestra AA5083 recibida (izquierda) y postformada (derecha) que muestran las cavidades formadas en tensión uniaxial a 450 \(^\circ \)C y 3 \(\times \) 10\(^{-3 }\) s\(^{-1}\) tasa de deformación (el eje de tracción es vertical).

Imágenes SEM de muestras postformadas de AA5083 deformadas a 450 \(^\circ \)C y 10\(^{-3}\) s\(^{-1}\) de velocidad de deformación.

Se tomaron imágenes SEM de las muestras antes y después del SPF y muestran deformación en los granos, desarrollo de cavitación y GBS. La imagen de la Fig. 9 ilustra las cavidades generadas cuando se deforma a 450 \(^\circ \)C con una tasa de deformación de 3 \(\times \) 10\(^{-3}\) s\(^{- 1}\). La muestra que se muestra en la Fig. 10 se probó a 450 \(^\circ \)C con una tasa de deformación inicial de 1 \(\times \) 10\(^{-3}\) s\(^{-1} \) y con una carga oscilante superpuesta. La imagen SEM de la izquierda revela claramente evidencia de GBS, los granos están alargados, como se esperaba de tales deformaciones de alta tensión, y los límites de los granos se han estirado a lo largo del eje de tracción (el eje de tracción está en un ángulo de 45\(^ \circ \) desde la vertical). En la imagen SEM de la derecha, se puede ver la formación de óxidos de aluminio y magnesio en los límites de los granos; Estos óxidos se caracterizan por una estructura fibrosa. Esto ha sido observado por otros investigadores35,36 que indican que la formación de fibras en los límites de los granos ocurre durante el GBS a temperaturas elevadas. Gali et al.36 también obtuvieron un espectro de rayos X de energía dispersiva (EDS) junto con un análisis SEM de las fibras, lo que confirmó que se componen principalmente de Al\(_2\)O\(_3\), Mg\(_2\). )Al\(_4\)O y MgO.

Como se mencionó anteriormente, la ley de potencia (\(\sigma = K\dot{\varepsilon }^m\)) se usa comúnmente para modelar procesos de deformación y formación superplástica. Debido a la estabilidad, caracterizada por una falta de endurecimiento o ablandamiento significativo en aplicaciones superplásticas, la función de ley de potencia es relativamente precisa en la mayoría de las aplicaciones superplásticas. Sin embargo, como se ilustra en la Fig. 6, inicialmente se produce una pequeña cantidad de endurecimiento por deformación, seguida de un ablandamiento significativo por deformación, a medida que se alcanzan velocidades de deformación elevadas. Para modelar efectivamente ambos mecanismos que ocurren, la ecuación descrita en la Ec. (1) utiliza una relación cuadrática entre tensión y deformación, junto con una ley de potencia y una suma para tener en cuenta el endurecimiento por velocidad de deformación que ocurre, donde A, B, C, D, m son parámetros del material. Usando la ecuación. (1), el comportamiento del material se puede modelar con mayor precisión en todo el dominio de velocidad de deformación (0,001–0,6 s\(^{-1}\)).

Luego, los parámetros del material descritos se optimizaron por separado para ambas condiciones utilizando los resultados experimentales obtenidos de las pruebas de tracción a velocidad constante con y sin oscilaciones. Los parámetros de material optimizados para ambas condiciones de carga se presentan en la Tabla 2.

Los parámetros calculados también se utilizaron para describir el diferente comportamiento del material con y sin oscilaciones. El efecto de las oscilaciones sobre los parámetros del material se ilustra en la Fig. 11. Como se muestra en esta figura, la mayoría de las constantes disminuyen de valor como resultado del uso de oscilaciones superpuestas. La disminución de los valores que definen la ecuación cuadrática es indicativa de un efecto reducido de ablandamiento de la deformación como resultado de las oscilaciones. Por el contrario, hay muy poca variación para los valores de D y m, lo que indica un menor impacto en la sensibilidad a la tasa de deformación.

La variación porcentual de los parámetros del material al modelar con y sin oscilaciones.

Como se analizó anteriormente, el principal beneficio del modelo seleccionado es su aplicabilidad en un amplio dominio de tasas de deformación. Para ilustrar la efectividad del modelo construido en relación con la ley de potencia, se trazaron tres tasas de deformación en comparación con los datos experimentales con y sin oscilaciones según la Fig. 12. Como se ilustra en la figura, a medida que las tasas de deformación exceden aproximadamente 10\(^ {-1}\), el modelo propuesto es mucho más efectivo para modelar el comportamiento de deformación de AA5083 a temperatura elevada.

Comparación de la efectividad del modelo de material propuesto con una ley de potencia ajustada tradicional en comparación con los resultados encontrados experimentalmente para tasas de deformación de 0,001, 0,1 y 0,4 s\(^{-1}\).

Además del análisis cualitativo y comparativo del ajuste, se realizó un análisis de correlación para evaluar el ajuste a los datos experimentales con y sin oscilaciones. La visualización del análisis de correlación cuantitativa se muestra en la Fig. 13. Las figuras muestran los valores de \(R^2,AARE\) (Error relativo absoluto promedio) y RMSE (Error cuadrático medio) para el modelo calculado. Los valores calculados de \(R^2\) de 95,1 y 94,08 % con y sin oscilaciones, respectivamente, son indicativos de una fuerte concordancia entre el modelo y los resultados experimentales. Los AARE y RMSE adjuntos de 11,11 % y 4,7 y 15,59 % y 5,0 con y sin oscilaciones, respectivamente, también son indicativos de una fuerte correlación entre los datos experimentales y los datos calculados utilizando el modelo propuesto en la Fig. 1. Los residuos, indicativos de la variación entre el modelo y la tensión real, se muestran en la Fig. 14, lo que indica un modelo preciso con residuos que permanecen aproximadamente dentro de ± 10 MPa para todas las tasas de deformación.

Análisis de correlación del modelo construido comparado con los datos experimentales con y sin oscilaciones, incluidos los valores calculados de \(R^2,AARE\) y RMSE.

Residuos de tensión para la tensión del modelo calculado para la tensión de flujo de prueba de tracción experimental.

Dado que la magnitud de los residuos, así como la correlación general del modelo de material, se evaluaron y consideraron adecuadas, se llevaron a cabo investigaciones adicionales para evaluar la normalidad de los residuos y confirmar un ajuste totalmente apropiado. Para evaluar la distribución normal de los términos de error, la gráfica de probabilidad de los residuos generados se muestra en la Fig. 15. En general, ambas líneas muestran una correlación adecuada con una relación lineal con coeficientes de correlación de 98,04 y 94,21 % para con y sin oscilaciones, respectivamente. La mejora general en la normalidad de los errores y las correlaciones generales dentro del modelo de oscilación es el resultado de la mayor estabilidad de la respuesta al estrés incluso a tasas de deformación más bajas y elevadas.

Gráfico de probabilidad para mostrar la normalidad de los residuos utilizando la correlación con una línea lineal de mejor ajuste.

Para una mayor investigación numérica sobre el proceso de deformación superplástica, se empleó el software comercial de elementos finitos LS-DYNA. El modelo de material antes mencionado se agregó a LS-DYNA como modelo de material definido por el usuario. Para modelar la muestra de tracción se utilizaron elementos de concha de Belytschko-Tsay que constan de cinco puntos de integración a lo largo del espesor. En lugar de aplicar limitaciones como condiciones límite, la deformación se aplicó permitiendo el contacto entre la muestra de tracción y los componentes sólidos del dispositivo de prueba. Este enfoque tiene en cuenta el movimiento del material desde la región de agarre a la región de calibre que ocurrió durante el trabajo experimental realizado. La tensión versus la deformación plástica efectiva en tensión uniaxial se proporcionó como entrada para LS-DYNA. Debido al diseño de la muestra en este caso, las curvas de flujo experimentales no se obtuvieron en tensión uniaxial, por lo que se ejecutaron una serie de simulaciones repetidas para escalar la curva de flujo de entrada hasta que los datos de desplazamiento de fuerza experimental pudieran predecirse de manera confiable. Las condiciones de carga constante que se muestran en la Fig. 8 se esperaban en la segunda serie de simulaciones. El soporte superior se cargaba continuamente, mientras que el inferior permanecía fijo. La reducción máxima de espesor predicha en el medidor se exportó y se comparó con los datos experimentales después de que la simulación finalizara cuando alcanzó la deformación mayor del 171%. La Figura 16 presenta esta comparación y muestra una buena precisión en todas las condiciones de carga.

Comparación de la reducción máxima de espesor en el calibre de la muestra medida a partir de experimentos y predicha por simulaciones con oscilaciones y sin oscilaciones con una deformación mayor del 171%.

De este estudio se pueden extraer las siguientes conclusiones.

La formabilidad de AA5083 a una temperatura de 450 \(^\circ \)C mejoró significativamente en todo el dominio de velocidad de deformación de 0,001–0,6 s\(^{-1}\) utilizando una carga oscilante superpuesta

La adición de oscilaciones con amplitudes y frecuencias que varían de 0,02 a 0,5 N y de 5 a 100 Hz respectivamente permitió una mejora relativa de la deformación real en el momento de la fractura de más del 30%.

La estabilidad de la tensión de flujo y la expansión de la región de estado estacionario en función de la tasa de deformación mejoraron como resultado de las oscilaciones impuestas durante la deformación por tracción.

Las probetas de tracción mostraron una reducción de espesor significativamente menor cuando se superpuso una carga oscilante.

El comportamiento experimental de endurecimiento y ablandamiento se modeló con precisión utilizando una relación de deformación cuadrática y un modelo constitutivo de tasa de deformación de potencia para datos de tracción obtenidos con y sin oscilaciones.

El modelo construido mostró una fuerte correlación para las pruebas de tracción de velocidad constante como lo indican los coeficientes de correlación \(R^2\) de 95,1% y 94,1% para con y sin oscilaciones, respectivamente.

Utilizando la subrutina de material definida por el usuario de LS-DYNA, los resultados de la simulación mostraron una fuerte correlación con los datos de la prueba de carga constante realizados experimentalmente en términos de distribución de espesor.

Finalmente, la adición de una oscilación menor durante la deformación superplástica conduce a tasas de reducción de espesor significativamente más bajas en comparación con los procesos convencionales sin oscilaciones.

Todos los datos generados durante este estudio están disponibles contactando a los autores correspondientes con una solicitud razonable.

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Los autores agradecen a AEM Power Systems, MITACS (Subvención n.º IT20321) y NSERC-Engage (Subvención n.º 513395-17) por las contribuciones financieras al proyecto.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Automotriz y de Materiales, Universidad de Windsor, Windsor, ON, N9B 1K3, Canadá

Mohammad Shirinzadeh Dastgiri, Zackary Fuerth, Leo Kiawi y Daniel Green

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Investigador principal y supervisión del proyecto (DG). Configuración de prueba construida (MSD). Pruebas experimentales completadas (MSD,ZF,LK). Modelo de material desarrollado (MSD, ZF). Simulaciones de elementos finitos (MSD) completadas. Contenidos construidos del manuscrito (ZF y MSD). Infraestructura proporcionada (DG). Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Mohammad Shirinzadeh Dastgiri.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Shirinzadeh Dastgiri, M., Fuerth, Z., Kiawi, L. et al. Estudio experimental sobre el comportamiento a tracción a alta temperatura de la aleación de aluminio AA5083 con carga oscilante. Representante científico 13, 13307 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40527-5

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Recibido: 09 de mayo de 2023

Aceptado: 11 de agosto de 2023

Publicado: 16 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40527-5

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