close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование методики мультимасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния при волочении калиброванной стали

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Константинов Дмитрий Вячеславович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ
МУЛЬТИМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ПРИ ВОЛОЧЕНИИ КАЛИБРОВАННОЙ СТАЛИ
Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск – 2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский
государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор
Корчунов Алексей Георгиевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент, федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального
образования «Пермский национальный
исследовательский политехнический
университет», профессор кафедры динамики и
прочности машин
Трофимов Виктор Николаевич
(г. Пермь);
кандидат технических наук, главный технолог
ООО «Специальные технологии»
Столяров Алексей Юрьевич
(г. Магнитогорск).
Ведущая организация –
ФГБОУ ВО «Тульский государственный
университет» (г. Тула).
Защита состоится 26 апреля 2016 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск,
нина 38, малый актовый зал.
пр. Ле-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте
http://www.magtu.ru .
Автореферат разослан «___» ________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Селиванов Валентин Николаевич
3
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Современное машиностроение с каждым годом предъявляет все более высокие требования к эксплуатационным свойствам машин и механизмов. Элементы
механизмов должны обладать не только достаточным ресурсом надежности, но и
адаптироваться под возможные неблагоприятные условия эксплуатации.
Одними из главных элементов агрегатов и машин являются различного рода
оси, валы и другие стержневые детали, для изготовления которых используется холоднотянутая калиброванная сталь круглого сечения диаметром от 5 до 60 мм, получаемая путем однократного волочения горячекатаной заготовки с небольшими
степенями деформации.
Перспективным направлением получения новых свойств и технологических
характеристик при производстве калиброванной стали для таких деталей является
расширение номенклатуры используемых материалов. Современные тенденции развития высокотехнологичных производств в области обработки металлов давлением
(ОМД) показывают, что все чаще для получения традиционных заготовок и изделий
используются инновационные стали с метастабильной структурой, содержащей
микроструктурные элементы, которые при трансформации могут в широких диапазонах изменять свойства металла в условиях деформационного воздействия. Наиболее ярким примером подобных материалов являются стали с трип-эффектом, которые на данный момент широко используются в автомобилестроении (каркасы безопасности кузовов автомобилей) и начинают активно применяться в области производства металлических изделий (болты, тонкая проволока).
Учитывая высокую стоимость производства марок стали с метастабильной
структурой и натурных экспериментов, их внедрение в процесс волочения калиброванной стали сдерживается отсутствием рекомендаций по режимам обработки,
обеспечивающим реализацию их технологических преимуществ.
Традиционным методом проектирования технологических процессов ОМД
является компьютерное моделирование посредством программных продуктов. Как
правило, проектирование режимов обработки осуществляется путем отождествления реального обрабатываемого металла с изотропным материалом. Однако в случае стали с метастабильной структурой неучет микроструктуры делает создание
адекватной модели с изотропным материалом крайне затруднительным.
При этом использование существующих на данный момент методов моделирования процессов ОМД с учетом микроструктуры обрабатываемого металла вынуждает исследователя выбирать либо высокую точностью результатов модели в
ущерб оперативности ее расчета; либо низкую трудоемкостью процесса ее создания, но достигаемую за счет критических упрощений.
По этой причине является актуальным развитие методов компьютерного моделирования в направлении репрезентации микроструктуры обрабатываемых металлов в процессах осесимметричного деформирования с позиции повышения их
прогнозирующей точности и расчетной ресурсоемкости. В свою очередь, это позволит проектировать новые и совершенствовать действующие режимы волочения на
основе исследования изменений микроструктуры традиционно применяемых углеродистых марок стали и инновационной стали с трип-эффектом в условиях деформационного воздействия.
4
Объектом исследования является процесс волочения калиброванной стали
круглого сечения, а предметом – исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) при волочении калиброванной стали с использованием усовершенствованных методик репрезентации микроструктуры металла и моделирования ее
изменения в процессе деформации.
Целью работы является совершенствование методики моделирования процесса волочения калиброванной стали на основе учета микроструктуры и ее изменений при деформации для разработки новых и совершенствования действующих
режимов обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ современных подходов к репрезентации микроструктуры деформируемого металла и опыта их применения для определения рационального метода моделирования процесса волочения калиброванной стали.
2. Усовершенствовать методику разработки конечно-элементной (КЭ) мультимасштабной модели процесса волочения калиброванной стали путем учета микроструктуры и ее изменений при деформации с использованием концепции статистически эквивалентного репрезентативного объема SSRVE.
3. Выполнить апробацию методики на примере моделирования режимов волочения калиброванной стали углеродистых конструкционных марок и проверить
адекватность рассчитанного распределения деформации с результатами эксперимента.
4. Провести моделирование режимов волочения калиброванной стали с трипэффектом и сравнить результаты трансформации метастабильной структуры в компьютерной модели с результатами эксперимента.
5. Разработать рекомендации по совершенствованию режимов волочения углеродистых конструкционных марок калиброванной стали и проектированию режимов волочения современной стали с трип-эффектом.
Научная новизна работы
1. Усовершенствована методика моделирования осесимметричных процессов
холодной пластической деформации посредством учета микроструктуры обрабатываемого металла и ее изменения в условиях деформации, что сделало возможным
расчет значений параметров НДС на микроуровне стали и исследование трансформаций в сталях с метастабильной структурой.
2. Формализована процедура представления микроструктуры деформируемого металла в виде числовых параметров формы и зависимостей напряжений от деформаций, что позволило внедрить в методику моделирования процесса волочения
калиброванной стали подход статистически эквивалентного репрезентативного объема микроструктуры SSRVE для оперативной оценки параметров НДС на микроуровне металла независимо от геометрических размеров деформируемой заготовки.
3. Установлен характер взаимодействия микроструктурных составляющих
между собой и его влияние на распределение параметров НДС в очаге деформации
при волочении калиброванной стали с феррито-перлитной структурой и стали с
трип-эффектом.
4. Выявлены зависимости изменения параметров НДС на микроуровне деформируемой стали в очаге деформации от параметров процесса волочения (степень деформации и полуугол канала волоки). Установлены особенности протекания
5
процесса трансформации в микроструктуре стали с трип-эффектом в условиях деформационного воздействия процесса волочения в зависимости от формы, размера
и ориентации зерен остаточного аустенита.
Практическая значимость
1. Применение концептуального подхода SSRVE снизило трудоемкость процесса подготовки модели микроструктуры металла, расчетное время (в более чем 60
раз) и необходимые калькуляционные ресурсы при сохранении общей точности
мультимасштабной модели.
2. Для волочения калиброванной стали традиционных марок в условиях ОАО
«Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» (г. Магнитогорск)
скорректирована методика проектирования маршрутов волочения калиброванной
стали с позиции учета ее микроструктуры в сквозных промышленных технологиях
и разработаны рекомендации по проектированию режимов волочения калиброванной стали с трип-эффектом марки TRIP700.
3. Результаты работы использованы при обучении студентов по направлению
подготовки 22.04.02 - Металлургия (Магистерская программа. Метизное производство).
На защиту выносятся:
1. Методика разработки мультимасштабных моделей осесимметричных процессов холодной пластической деформации с учетом параметров микроструктуры и
деформационных структурно-фазовых превращений при обработке.
2. Метод применения концепции статистически эквивалентного репрезентативного объема микроструктуры к моделированию НДС в ходе волочения, снижающий требования модели к калькуляционным ресурсам при сохранении ее точности.
3. Результаты расчета НДС на микроуровне обрабатываемого металла при
волочении калиброванной стали, позволившие разработать рекомендации по совершенствованию действующих технологических режимов волочения углеродистых нелегированных марок стали и проектированию режимов волочения стали с
трип-эффектом.
Соответствие паспорту специальности
В соответствии с формулой специальности данная диссертационная работа
является разработкой теоретической проблемы, направленной на создание новых и
совершенствование существующих режимов и технологий обработки металлов давлением, обеспечивающих расширение их сортамента с целью повышения эффективности производств в разнообразных отраслях промышленности. Полученные
научные результаты соответствуют следующим разделам паспорта специальности
05.16.05 - Обработка металлов давлением:
• Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением. Исследование процессов пластической деформации
металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования.
• Исследование структуры, механических, физических, магнитных, электрических и других свойств металлов, сплавов и композитов в процессах пластической
деформации.
6
• Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества. Математическое
описание процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с
целью создания математических моделей, способов, процессов и технологий.
Апробация диссертации
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на
научно-технических конференциях: IX Конгресс прокатчиков (Россия, Череповец,
2013г.); межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Инновационные процессы получения и обработки сплавов с ультамелкозернистой структурой» (Россия, Магнитогорск, 2013г.); ежегодные научнотехнические конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и
образования» (Россия, Магнитогорск, 2013-2014 гг.); V Международная научнотехническая конференция "Металлургические процессы и оборудование" (Украина,
Донецк, 2013г.); Международная конференция «European Science and Technology»
(Германия, Мюнхен, 2013г.); Международная конференция «Science, Technology
and Higher Education» (Канада, Вествуд, 2013г.); VI Международный Конгресс
«Цветные металлы и минералы» (Россия, Красноярск, 2014г.); Международная
конференция KomplasTech-2014 (Польша, Крыница Здруи, 2015г.); Международная
конференция VI Conference on drawing: Modern technologies and modeling of drawing
and manufacturing processes of metal products (Польша, Закопаны, 2015г.); IV Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Россия, Томск,
2015г.); Международная молодежная научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (Россия, Магнитогорск, 2015г.). Диссертационная работа
поддержана грантом всероссийского открытого конкурса на получение стипендий
Президента РФ для обучения за рубежом студентов и аспирантов вузов в 2014/2015
учебном году.
Публикации
Материалы диссертации изложены в 13 научных публикациях, из них 4 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Основное содержание работы
Во введении обозначены современные тенденции получения расширенного
комплекса эксплуатационных и технологических характеристик традиционных элементов механизмов. С данной позиции описана роль в машиностроительной промышленности процесса волочения калиброванной стали и необходимости расширения номенклатуры его материалов за счет стали с метастабильной структурой. Обозначена проблема несовершенства учитывающих микроструктурные параметры
металла методик компьютерного моделирования для проектирования режимов обработки подобных марок стали. В связи с этим разработка моделей, учитывающих
параметры микроструктуры обрабатываемого металла в осесимметричных процессах холодной пластической деформации, является актуальной теоретической задачей.
7
В первой главе описаны особенности процесса волочения калиброванной
стали, ее назначение, применяемые материалы. Выполнен обзор отечественного и
зарубежного опыта применения инновационных марок стали в области машиностроения. Отмечено, что наиболее широкое применение, преимущественно в области современного автомобилестроения, нашли стали с метастабильной структурой,
позволяющие получать дополнительные технологические и эксплуатационные
свойства за счет трансформаций остаточного аустенита в их микроструктуре. Описаны потенциальные преимущества элементов механизмов из таких материалов,
заключающиеся в повышенном сроке службы и высокой эксплуатационной надежности. Отмечено, что актуальным является совершенствование методик компьютерного моделирования процессов ОМД путем учета микроструктуры обрабатываемого металла и ее трансформации под воздействием холодной пластической деформации при повышении общей точности получаемых результатов и снижении
калькуляционной ресурсоемкости.
Вопросам проектирования режимов волочения калиброванной стали посвящены работы П.И. Минина, И.Л. Перлина, Н.И. Шефтеля, И.А. Юхвеца, М.З. Ерманок, Г.Л. Колмогорова, С.А. Зайдеса, В.Р. Каргина и др., однако разработка с позиции НДС на микроуровне обрабатываемой стали ими не осуществлялась. Проблемам моделирования процессов обработки металлов давлением с учетом микроструктуры деформируемого металла посвящены работы С.В. Воронина, С.В. Гука,
А. Н. Солошенко, М. Пьетчшека, Л. Мадея и др. На основании анализа результатов
исследований упомянутых ученых сделан вывод, что достаточно хорошо изучены
вопросы микроструктурной репрезентации деформируемых металлов в моделях
процессов ОМД. При этом необходимые для создания более универсальных методик моделирования процессов ОМД вопросы оптимизации репрезентативных объемов микроструктуры обрабатываемого металла и учета структурно-фазовых трансформаций в условиях холодной пластической деформации изучены и апробированы
недостаточно.
Проведен анализ литературы в области компьютерного моделирования промышленных процессов материалообработки. Структурирована классификация методов моделирования по количеству масштабных уровней и расчетным математическим методам, обозначены специфика и области применения каждого метода. Отмечено, что применительно ко многим промышленным процессам материалообработки переход на микроуровень в моделировании позволяет получать отличные от
макромоделей результаты при высокой степени сходимости с металлографическими
исследованиями. Однако массовое применение данных моделей сдерживается повышенной трудоемкостью подготовки и колоссальными необходимыми для их расчета компьютерными ресурсами. Отчасти по этой причине большинство отечественных работ, посвященных моделированию процессов ОМД на микроуровне,
было связано с процессами деформационной обработки заготовок малых геометрических размеров: тонколистовой штамповкой и тонким волочением. Применение
этих методов к исследуемому процессу волочения калиброванной стали технически
крайне затруднительно. Исходя из этого, были обозначены цель и задачи исследования.
Во второй главе усовершенствована методика компьютерного моделирования осесимметричных процессов ОМД. За основу предложенного в работе метода
8
была выбрана мультимасштабная схема моделирования (Multiscale Simulation). Под
такой схемой понимается способ моделирования, при котором компьютерная модель состоит из нескольких отдельных субмоделей, отражающих поведение материала исследуемого тела на разных масштабных уровнях. Субмодели на каждом масштабном уровне носят соответствующее название: макромодель, микромодель и т.д.
Для оптимизации расчетного времени микромодели был выбран метод статистически эквивалентного репрезентативного объема (SSRVE), впервые предложенный
Дж. Шредером (2011), но еще не применявшийся в области моделирования процессов ОМД. Основные этапы построения модели представлены на рисунке 1. В качестве исходных данных для построения модели использованы количественные параметры микроструктуры, полученные из обработки микрошлифа образца исходной
заготовки, и технологические параметры анализируемого режима волочения.
На первом этапе реализации методики осуществлено построение макромодели процесса волочения калиброванной стали, которое соответствует традиционному
методу создания модели процесса ОМД с изотропным деформируемым материалом.
Дополнительно в модели исходной заготовки для волочения заданы сечения с
уплотнением сетки в местах, где будет исследовано НДС металла на микроуровне в
ходе пластической деформации.
Вторым этапом является разработка модели репрезентативного объема микроструктуры металла. В работе представлены два способа: создание модели репрезентативного объемного элемента на основе фотоизображения микроструктуры и
создание модели статистически эквивалентного репрезентативного объемного элемента. При использовании первого способа, модель формируется путем конвертации фотоизображения микроструктуры исходной заготовки в бинаризированное
растровое изображение, а затем - в набор линий с применением CAD-комплексов
(Например, SolidWorks). После этого полученная модель импортируется в конечноэлементный комплекс (Например, Abaqus), где засеивается сеткой, а каждый элемент микроструктуры получает необходимые для моделирования свойства («Кривую» упрочнения, модуль упругости, коэффициент Пуасона).
Второй способ основывается на предложенной в работах М. Пьетчшека и К.
Бзовски мультикритериальной оптимизации целевой функции, включающей следующие элементы:
=
Φ
k
+
∑ wϕ
ζ iRef − ζ i SSRVE
;
ζ iRef
ϕ − ϕi SSRVE
ϕi = iRef
;
ϕiRef
σ
− σ sj SSRVE
,
σ sj = sjRef
σ sjRef
ζi =
p
3 

+ ∑  ws ∑ σ sj2 (ε j )  ;
1
1
s=
j=

k +l
2
2
i i
i i −k
1
i ==
i k +1
∑ wζ
(1)
(2)
(3)
(4)
9
10
где – целевая функция, связывающая комплекс оптимизационных критериев статистически эквивалентного репрезентативного объема; – сравнительный критерий
коэффициентов формы микроструктурных элементов обычного репрезентативного
объема (Ref), полученного посредством обработки фотоизображения микроструктуры, и статистически эквивалентного (SSRVE); ϕi – сравнительный критерий статистического распределения микроэлементов в обычном репрезентативном объеме
(Ref), полученном посредством обработки фотоизображения микроструктуры, и
статистически эквивалентном (SSRVE); σ sj – сравнительный критерий напряже-
ний, необходимых для осуществления трех видов деформаций (сжатие, растяжение
и чистый сдвиг) в обычном репрезентативном объеме (Ref), полученном посредством обработки фотоизображения микроструктуры, и статистически эквивалентном (SSRVE); w – весовой коэффициент, отражающий влияние сравнительного
критерия на процесс оптимизации статистически эквивалентного репрезентативного
объема микроструктуры, K – номер коэффициента формы, s – номер реологической
кривой, получаемой в ходе моделирования трех видов деформаций (сжатие, растяжение и чистый сдвиг); р – номер итерации в численном расчете.
Идея статистически эквивалентного репрезентативного объемного элемента
заключается в замене относительно большого репрезентативного объема микроструктуры, который получен с помощью фотоизображения, меньшим объемом,
имеющим схожую морфологию и аналогичное поведение в условиях нагрузки. Чем
меньше значение целевой функции (1), тем менее различается структура и ее изменение в условиях нагрузки между репрезентативным объемом микроструктуры,
полученным напрямую из фотоизображения, и статистически эквивалентным объемом.
Последним этапом предлагаемой методики является разработка мультимасштабной модели процесса волочения калиброванной стали. Этап заключается в расчете ранее созданной макромодели, позиционировании полученного репрезентативного объема или SSRVE в местах с уплотнением сетки в макромодели и расчете
микромодели.
Для моделирования трип-эффекта при волочении калиброванной стали была
разработана надстройка для программного комплекса Abaqus, выполняющая следующий алгоритм:
1. Вычисление трансформированного объема мартенсита согласно экспериментально полученной С. Виевиоровской зависимости после каждого шага расчета:
ν γ= ν γ −initial − 26.708ε − 0.003ε + 53.516ε 2 − 0.018εε − 1.06 ×10−5 ε 2
где
νγ −
,
(5)
текущее процентное количество остаточного аустенита,
ν γ −initial −
процентное количество исходного остаточного аустенита,
ε − скорость деформации при волочении,
ε − степень деформации при волочении.
2. Выбор рассчитанного процента элементов из группы элементов сетки со
свойствами остаточного аустенита, которые имели максимальные значения деформации и скорости деформации.
11
3. Замена свойств найденных элементов остаточного аустенита на свойства
мартенсита.
Применительно к исследуемому процессу волочения калиброванной стали
методика позволяет моделировать режимы обработки без каких-либо ограничений
по объемам деформируемого металла и свойствам применяемых материалов. Для
традиционных марок стали методика полезна для оперативного проектирования
режимов волочения с позиции НДС на микроуровне металла, что позволяет прогнозировать зарождение неблагоприятной технологической наследственности в сквозных технологиях, сочетающих обработки различной физической природы. Для современных марок стали, как правило, отличающихся высокой стоимостью, предложенная методика необходима для оценки технологической возможности реализации
процесса волочения и прогнозирования распределения механических свойств в объеме заготовки.
В третьей главе представлена апробация разработанной методики мультимасштабного моделирования процесса волочения калиброванной ферритоперлитной стали на примере стали марки 20.
С целью получения исходных данных для моделирования и проверки адекватности результатов моделей, в промышленных условиях предварительно были
проведены исследования режима волочения калиброванной стали с исходного диаметра 38 мм на конечный диаметр 36 мм с полууглом канала волоки 9̊. С целью учета исходной неравномерности в горячекатаной заготовке были проведены исследования распределения микротвердости (HV) на имеющихся образцах. На основании
результатов для повышения точности формирования данных о НДС на макроуровне
было принято разделение в макромодели исходной заготовки на 4 зоны с различающимся исходным пределом текучести: центральную, околоцентральную, предповерхностную и поверхностную.
Для создания репрезентативного объема микроструктуры стали марки 20 был
подготовлен микрошлиф и получено соответствующее фотоизображение микроструктуры (рисунок 2,а), которое было конвертировано в бинаризированное растровое черно-белое изображение (рисунок 2,б) и засеяно КЭ сеткой с треугольными
элементами (рисунок 2, в).
а
б
в
Рисунок 2 – Поэтапное создание КЭ модели микроструктуры: а) фотография
исходной микроструктуры; б) бинаризированное изображение; в) КЭ модель
микроструктуры
Для получения статистически эквивалентного репрезентативного объема была проведена оптимизация полученного репрезентативного объема, согласно урав-
12
нениям 1-4. К завершению процесса оптимизации поведение статистически эквивалентного объема практически соответствовало поведению репрезентативного объема, построенного с помощью фотоизображения микроструктуры, с погрешностью
2,5 %. При этом следует отметить, что размер SSRVE составил 0,02х0,02 мм, то есть
площадь статистически эквивалентного объема меньше оригинального репрезентативного объема в 500 раз.
Сравнение
характера
радиальных деформаций в
очаге деформации при волочении калиброванной стали
при расчете с учетом исходной неравномерности заготовки и без нее (рисунок 3) показало, что модель с учетом исходной
неравномерности
свойств по сечению исходной
заготовки продемонстрироваРисунок 3 - Распределение радиальных деформаций по
ла характер распределения
поперечному сечению калиброванной стали с учетом
деформаций,
соответствуюисходной неравномерности и без нее
щий изменению микротвердости в реальных промышленных образцах.
Для сравнительного анализа результатов расчета параметров НДС макро- и
микромоделей исследовали осевые продольные (рисунок 4) и радиальные (рисунок
5) напряжения, как наиболее важные с технологической точки зрения.
Продольные
осевые
напряжения в поверхностном
слое металла в макромодели
(рисунок 4, б) имели диапазон
значений от -400 до -700 МПа.
На микроуровне того же участка
металла данный диапазон значений был схожим (от -325 до –
600 МПа), однако микромодель
позволила выявить множественные локализации напряжений с
околонулевыми (от -100 до -50
МПа) значениями в зернах пера
б
литной фазы.
Рисунок 4 – Продольные напряжения в центральном
В макромодели продоль(а) и поверхностном (б) слоях металла в очаге деные напряжения в центральных
формации
при волочении в макро- и микромоделях
слоях очага деформации (рисунок 4, а) имели постоянный уровень около 500 МПа. При этом на микроуровне на
том же участке металла более прочный перлит являлся локализатором осевых
напряжений в диапазоне 1700-1100 МПа. Анализ радиальных напряжений в центральных слоях металла в очаге деформации (рисунок 5) показал, что на макроуровне (рисунок 5, а) в центральных слоях металла радиальные напряжения были
13
равны 150-180 МПа. Но на микроуровне (рисунок 5, б) на поверхности зерен перлита были сконцентрированы высокие значения сжимающих радиальных напряжений
(от -600 до -750 МПа), а в зонах с более плотным распределением перлита сжимающие напряжения (от -250 до -400 МПа) концентрировались также и в прилегающем к нему феррите.
В местах, где ферритная фаза не была стеснена скоплением зерен твердого
перлита, радиальные деформации
имели
значение от 0,09 до -0,07
(рисунок 6, зона
В), а в местах
скопления перлитных зерен –
а
б
от -0,15 до -0,33
Рисунок 5 – Радиальные напряжения в макро- (а) и микро- (б) моделях
(рисунок 6, зона
А). В макромодели центральные слои получали минимальные степени радиальной
деформации: -0,01 до -0,02. Был сделан вывод, что при моделировании подобных
материалов с принципиально различающимся поведением микроструктурных составляющих в условиях деформационной нагрузки, разница в результатах между
численными параметрами НДС в макро- и микромоделях будет тем больше, чем
меньше будет разница между процентным соотношением структурных элементов в
стали.
Результаты
сравнения распределения напряженного состояния в очаге деформации представлены на
рисунке 7. Статистически эквивалентный репрезентативный объемный элемент позволил
Рисунок 6 - Распределение радиальных деформаций в ценнаблюдать все особентральном
слое деформационной зоны калиброванной стали
ности
распределения
НДС в очаге деформации при волочении калиброванной стали, полученные посредством репрезентативного объема из фотоизображения микроструктуры. Также
SSRVE продемонстрировал такие же абсолютные значения напряжений и деформаций на микроуровне, как и репрезентативный объемный элемент, полученный посредством обработки фотоизображения. При этом количество элементов в SSRVE
было меньше более чем в 50 раз. То есть при сохранении точности в абсолютных
значениях параметров НДС за счет использования SSRVE удалось снизить расчетное время модели более чем в 60 раз.
Далее была проведена проверка адекватности результатов мультимасштабного моделирования процесса волочения калиброванной стали марки 20 посредством EBSD-анализа. После волочения по маршруту с 38 мм на 36 мм среднее
14
значение продольных деформаций составило 0,115, по маршруту с 20 мм на 18 мм –
0,108, а с 12 мм на 10,6 мм – 0,250. Более чем двукратное увеличение продольных
деформаций на последнем режиме приводит к более интенсивному формированию
ярко выраженной текстурированной микроструктуры. Это подтверждено четко
выраженным пиком углов
разориентации в ходе
EBSD анализа, на
основании чего можно
судить об адекватности
результатов
микромоделей.
Четвертая
глава
посвящена апробации усовершенствованной методики мультимасштабного
(a)
(б)
моделирования на примере
Рисунок 7 - Распределение продольных осевых деформапроцесса волочения каций в центральных слоях очага деформации в SSRVE (б) и
либрованной стали с трипрепрезентативном объеме (а)
эффектом. Для получения
исходных данных для моделирования был выполнен лабораторный эксперимент со
сталью марки TRIP700. Выбор марки стали был обусловлен тем, что указанная марка является низколегированной и одной из наиболее доступных из всего класса стали с трип-эффектом, что обусловило множество исследовательских работ с ее использованием. Была исследована микроструктура стали до и после волочения, ее
процентный структурно-фазовый состав и распределение микротвердости по сечению. Исходная микроструктура стали (рисунок 8) состояла из 3х фаз: феррит, остаточный аустенит и бейнит. В виду незначительного количества мартенсита в исходной структуре его массовая доля принималась равной нулю. В качестве сравнительного комплексного критерия были использованы эквивалентные напряжения и деформации (рисунки 9-10).
Феррит
Остаточный аустенит
Бейнит
Рисунок 8 – Изображение микроструктуры стали TRIP700
в исходном состоянии
Установлено, что без учета трип-эффекта распределение эквивалентных
напряжений в центральном слое очага деформации отличалось более низкими
абсолютными значениями, чем в модели с учетом трип-эффекта. Остаточный
аустенит в модели без трип-эффекта имел эквивалентные напряжения 25-160 МПа,
в модели с трип-эффектом – 290-500 МПа. Феррит в модели без трип-эффекта имел
15
эквивалентные напряжения 160-200 МПа, в модели с трип-эффектом – 420-550
МПа. Появляющийся в ходе трансформации мартенсит становился локализатором
высоких значений эквивалентных напряжений – 1400-1900 МПа.
Отмечено, что появление мартенсита происходило равномерно по всему
репрезентативному объему микроструктуры и приводило к изменению уровня
напряжений во
всех более пластичных микроструктурных
элементах (феррит и остаточный аустенит).
Установлено,
что более интенсивное мартенситное преРисунок 9 - Распределение эквивалентных напряжений в
вращение процентральном слое очага деформации
исходило в более крупных зернах остаточного аустенита вследствие взаимодействия между микроструктурными элементами. Более крупные зерна остаточного аустенита имеют
большую площадь контакта с соседними зернами, что влияло на распределение
напряжений и деформаций в них. Поэтому трансформация в первую очередь происходит в более
крупных зернах
остаточного
аустенита. Следовательно, одними
из факторов, влияющих на трансформацию остаточного аустенита, являются положение и ориентация его зерен в
Рисунок 10 - Распределение эквивалентных напряжений
микроструктуре
на поверхности очага деформации
деформируемой
стали. Анализ использования SSRVE для данного случая показал, что при сохранении точности модели репрезентативного объема статистически эквивалентный репрезентативный объем позволил снизить количество элементов в микромодели почти в 20 раз, а расчетное время микромодели – в 16 раз.
Адекватность результатов моделей подтверждена результатами эксперимента
с расхождением менее 6 % для поверхностного слоя и менее 2 % для центрального
слоя холоднотянутой стали.
В пятой главе осуществлено исследование влияния технологических параметров процесса волочения калиброванной стали на распределение напряженнодеформированного состояния на микроуровне для разработки рекомендаций по со-
16
вершенствованию действующих режимов волочения калиброванной стали и проектированию режимов волочения инновационных марок стали с трип-эффектом. При
анализе влияния геометрии волочильного инструмента на НДС металла в очаге деформации было установлено, что средний уровень радиальных деформаций в ферритной матрице составляет -0,10/-0,12 вне зависимости от полуугла канала волоки.
Деформированное состояние феррита при рассмотренных режимах характеризуется
многочисленными локализациями повышенных сжимающих радиальных деформаций. Участки феррита с радиальными деформациями -0,10 находились в непосредственном контакте с участками, имеющими деформацию в 2-2,5 раза больше. На
основе разработанных с использованием усовершенствованной методики моделей
процесса волочения действующие режимы были скорректированы с целью одновременного снижения данных локализаций в ферритной матрице и повышения равномерности деформации по сечению калиброванной стали. В результате за счет
варьирования технологическими факторами (уменьшение полуугла канала волоки с
9 ̊до 8 ̊ и применение относительных обжатий 0,18 и 0,11) при волочении с исходного диаметра 38 мм было достигнуто снижение количества неравномерно деформированных соседних зерен на 18 % относительно действующего режима при равномерной деформации по всему сечению калиброванной стали. Разработанный режим
волочения позволяет получить калиброванную сталь с равномерным распределением механических свойств по сечению и пониженной неравномерностью деформации соседних зерен феррита, что препятствует негативному росту зерна в данных
участках на последующей термообработке в сквозных технологиях производства.
Анализ деформированного состояния калиброванной стали марки TRIP700
показал, что для получения высоких пластических характеристик и повышенного
ресурса возможного упрочнения в ходе эксплуатации за счет запаса нетрансформированного остаточного аустенита в микроструктуре рациональными являются
маршруты: 38→36 и 38→37 (Полуугол канала волоки 9 ̊). При этом двукратное повышение относительных степеней деформации позволяет для стали марки TRIP700
получить заготовки повышенных классов прочности с равномерным распределением механических свойств по сечению.
Заключение
1. Выполнен систематизирующий анализ современных методов компьютерного моделирования процессов материалообработки, микроструктурной репрезентации обрабатываемого материала и опыта их применения, что позволило принять
мультимасштабную схему моделирования и статистический подход к репрезентации микроструктуры в качестве наиболее рациональных методов для исследования
процесса волочения калиброванной стали традиционных и современных марок стали.
2. Усовершенствована методика мультимасштабного моделирования процесса волочения калиброванной стали на основе учета микроструктуры обрабатываемого металла и ее изменений при деформации с использованием концепции статистически эквивалентного репрезентативного объема, что позволило значительно
повысить точность прогноза параметров НДС независимо от геометрических размеров калиброванной стали и снизить расчетную ресурсоемкость моделирования.
17
3. Проведена апробация усовершенствованной методики применительно к
феррито-перлитным сталям на примере стали марки 20, что позволило установить
на микроуровне калиброванной стали отличные от макроуровня распределения
НДС по причине взаимодействия элементов микроструктуры между собой. Было
установлено, что в скоплениях наиболее прочной фазы (перлита) пластичный феррит испытывал повышенные степени пластической деформации. Достоверность
результатов моделирования была подтверждена данными проведенного на промышленных образцах EBSD-анализа.
4. Апробирование предлагаемой методики мультимасштабного моделирования на процессе волочения калиброванной стали марки TRIP700 позволило обнаружить, что более интенсивное мартенситное превращение происходит в более крупных зернах остаточного аустенита вследствие большой площади контакта с соседними зернами и взаимодействия между микроструктурными элементами. На основании результатов моделей сделан вывод, что одними из факторов, влияющих на
трансформацию остаточного аустенита, являются положение и ориентация его зерен в микроструктуре деформируемой стали. Расхождение процентного количества
трансформированного аустенита, рассчитанного при помощи модели, и полученного посредством экспериментального волочения калиброванной стали с трипэффектом составило менее 5%.
5. Разработаны рекомендации по совершенствованию действующих режимов
волочения калиброванной стали марки 20 в сквозных промышленных технологиях,
а также спроектированы режимы волочения инновационной стали марки TRIP700.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
1. Константинов, Д.В. Исследование многопроходных процессов холодной
пластической деформации на основе математического моделирования методом
Марковских цепей / Д.В. Константинов, А.Г. Корчунов // Обработка сплошных и
слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2012. – Вып. 38.
– С. 135-145.
2. Konstantinov, D.V. Research of multipass processes of cold plastic deformation
on the basis of mathematical modeling by the method of Markov chains / D.V. Konstantinov, A.G. Korchunov // European Science and Technology: materials of the 4th International research and practice conference. - Publishing office Vela Verlag WaldkraiburgMunich-Germany, 2013. - №1. – Pp. 223-229.
3. Константинов, Д.В. Моделирование процесса волочения проволоки с учетом зависимости коэффициента трения от температуры контактной поверхности /
Д.В. Константинов, А.Г. Корчунов // Металлургические процессы и оборудование. –
2013. – №4. – С. 16-23. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ).
4. Konstantinov, D.V. The influence of nonstationary friction coefficient on the
character of stress-strain state in the deformation zone during wire drawing / D.V. Konstantinov, A.G. Korchunov // Science, Technology and Higher Education: materials of the
II international research and practice conference. – 2013. - №1. – Pp. 430-437.
5. Корчунов, А.Г. Влияние нестационарности коэффициента трения на характер НДС в очаге деформации при волочении проволоки / А.Г. Корчунов, Д.В. Константинов // Механическое оборудование металлургических заводов. 2013. - № 2. С. 129-135.
18
6. Константинов, Д.В. Мультимасштабное компьютерное моделирование
процессов обработки металлов давлением / Д.В. Константинов, А.Г. Корчунов //
Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.
Носова. – 2015. - №1. - С. 36-43. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ).
7. Корчунов, А.Г. К вопросу воссоздания реального структурно-фазового состава металла при моделировании процессов ОМД / А.Г. Корчунов, Д.В. Константинов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. - 2014. № 1. - С. 117-121.
8. Polyakova, M. Investigation of microstructure and mechanical properties of carbon steel wire after continuous method of deformation nanostructuring / M. Polyakova, A.
Gulin, D. Constantinov // Applied Mechanics and Materials. - Trans Tech Publications,
Switzerland, 2013. – Vol.436. – Pp.114-120 (Scopus)
9. Korchunov, A. Technological inherited connections in continuous method of deformational nanostructuring / A. Korchunov, M. Polyakova, A. Gulin, D. Konstantinov //
Applied Mechanics and Materials. - Trans Tech Publications, Switzerland, 2014. –
Vol.555. – Pp. 401-405 (Scopus)
10. Konstantinov, D. Multiscale modelling of ferritic-pearlitic steel deformation in
rod drawing process by using statistical representation of microstructure / D. Konstantinov, K. Bzowski, A. Korchunov, et al. // Computer methods in materials science
(Informatyka w Technologii Materiałów). – 2015. – №2. – Pp. 336 – 345.
11. Полякова, М. А. Особенности формирования ультрамелкозернистой
структуры и механических свойств углеродистой проволоки в процессе комплексного деформационного воздействия / М.А. Полякова, А.Е. Гулин, О.А. Никитенко,
Д.В. Константинов и др. // Сталь. – 2014. - №5. - С. 93-96 (рецензируемое издание из
перечня ВАК РФ).
12. Константинов, Д.В. Современные подходы к представлению микроструктуры материалов при моделировании процессов ОМД / Д.В. Константинов, А.Г.
Корчунов // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением:
международный сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2014. – №20. – С. 49-55.
13. Константинов, Д.В. Моделирование процессов осесимметричного деформирования с учетом микроструктуры металла / Д.В. Константинов, К. Бзовски, А.Г.
Корчунов, и др. // Компьютерные исследования и моделирование. – 2015. - №4. – С.
897−908 (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ).
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа