Константинов Дмитрий Вячеславович. Совершенствование методики мультимасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния при волочении калиброванной стали

Краткое описание

Константинов Дмитрий Вячеславович. Совершенствование методики мультимасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния при волочении калиброванной стали: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.16.05 / Константинов Дмитрий Вячеславович;[Место защиты: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова].- Магнитогорск, 2016

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА»
На правах рукописи
КОНСТАНТИНОВ ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ
МУЛЬТИМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ПРИ ВОЛОЧЕНИИ КАЛИБРОВАННОЙ СТАЛИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением
Диссертация
на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Корчунов Алексей Г еоргиевич
Магнитогорск - 2015

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
Глава 1. Состояние вопроса компьютерного моделирования процессов материалообработки и постановка задач исследования 11
1.1. Процесс волочения калиброванной стали, ее назначение, применяемые
материалы 11
1.2. Применение современных сталей с трип-эффектом в области производства
металлоизделий и перспективы их применения в процессе волочения калиброванной стали 14
1.3. Компьютерное моделирование процессов материалообработки с учетом
микроструктуры обрабатываемого материала 17
1.3.1. Классификация методов компьютерного моделирования промышленных
процессов материалообработки 18
1.3.2. Мультимасштабное моделирование в исследованиях процессов
металлообработки 24
Выводы по главе 1 27
Глава 2. Совершенствование методики разработки мультимасштабной модели процесса волочения калиброванной стали 31
2.1. Получение исходных данных для моделирования процесса волочения
калиброванной стали 31
2.2. Построение макромодели процесса волочения калиброванной стали 32
2.3. Создание модели репрезентативного объема микроструктуры 35
2.3.1. Создание модели репрезентативного объемного элемента на основе
фотоизображения микроструктуры 36
2.3.2. Создание модели статистически эквивалентного репрезентативного
объемного элемента 40
2.4. Создание мультимасштабной модели процесса волочения калиброванной
стали 46
Выводы по главе 2 51

3
Глава 3. Апробация методики мультимасштабного моделирования процесса волочения калиброванной феррито-перлитной стали 53
3.1. Получение исходных данных для моделирования процесса волочения
калиброванной стали марки 20 53
3.2. Мультимасштабное моделирование процесса волочения калиброванной
стали марки 20 61
3.2.1. Макромодель процесса волочения калиброванной стали марки 20 61
3.2.2. Микромодель процесса волочения калиброванной стали марки 20 63
3.2.3. Результаты мультимасштабного моделирования процесса волочения
калиброванной стали марки 20 67
3.2.4. Проверка адекватности результатов мультимасштабного моделирования процесса волочения калиброванной стали марки 20 посредством EBSD-
анализа 76
Выводы по главе 3 80
Глава 4. Мультимасштабное моделирование процесса волочения калиброванной стали с трип-эффектом 83
4.1. Получение исходных данных для моделирования процесса волочения
калиброванной стали с трип-эффектом 83
4.2. Мультимасштабное моделирование процесса волочения калиброванной стали
марки TRIP700 86
4.2.1. Макромодель процесса волочения калиброванной стали марки TRIP700... 86
4.2.2. Микромодель процесса волочения калиброванной стали марки TRIP700....87
4.2.3. Результаты мультимасштабного моделирования процесса волочения
калиброванной стали марки TRIP700 92
Выводы по главе 4 97
Глава 5. Разработка рекомендаций по совершенствованию действующих и
проектированию новых режимов волочения калиброванной стали 99
5.1 Рекомендации по совершенствованию режимов волочения калиброванной стали марки 20 99

4
5.2 Рекомендации по разработке режимов волочения калиброванной стали марки
TRIP700 109
Выводы по главе 5 113
Заключение 115
Список использованной литературы 118
Приложения 132

Список литературы

Заключение
1. Дополнительный комплекс эксплуатационных характеристик деталей ма¬шин, в качестве исходной заготовки для которых используется калиброванная сталь, может быть достигнут посредством использования инновационных матери¬алов с метастабильной структурой. На примере использования стали с трип- эффектом описаны потенциальные технологические преимущества длинномер¬ных осесимметричных заготовок, которые благодаря структурно-фазовым пре¬вращениям в условиях деформационной обработки могут обладать широким спектром механических свойств, а в условиях критических режимов эксплуатации - адаптироваться к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Показано, что широкое внедрение метастабильных сталей в технологии волочения сдерживается отсутствием рекомендаций по проектированию режимов обработки, обеспечива¬ющим реализацию их технологических преимуществ. Разработать такие рекомен¬дации возможно на основе развития методов моделирования, повышающих точ¬ность прогнозирования результатов деформационного воздействия на обрабаты¬ваемый металл.
2. Обоснована необходимость учета микроструктуры при моделировании процессов деформационной обработки стали с трип-эффектом, так как именно микроструктура в данном случае является основой для прогнозирования эксплуа-тационных и технологических характеристик заготовки и будущего конечного из¬делия. Проведен систематизирующий анализ современных методов компьютерно¬го моделирования процессов материалообработки, микроструктурной репрезен¬тации обрабатываемого материала и опыта их применения, который показал, что мультимасштабная схема моделирования и статистический подход к репрезента¬ции микроструктуры являются наиболее рациональными методами для исследо¬вания процесса волочения калиброванной стали традиционных и современных марок.
3. Усовершенствована методика мультимасштабного моделирования процес¬са волочения калиброванной стали на основе учета микроструктуры обрабатыва¬

116
емого металла и ее изменений при деформации с использованием концепции ста-тистически эквивалентного репрезентативного объема SSRVE, что позволило значительно повысить точность прогноза параметров НДС независимо от геомет-рических размеров исходной заготовки и снизить расчетную ресурсоемкость мо-делирования.
4. Для дополнительного повышения точности расчета параметров НДС в мо¬дели процесса волочения калиброванной стали марки 20 были проведены иссле¬дования характера распределения микротвердости в промышленных образцах. В макромодели процесса волочения калиброванной стали марки 20 распределение механических свойств заготовки в исходном состоянии соответствовало их гради¬енту в реальных образцах. Установлено, что при учете исходной неравномерности механических свойств заготовки компьютерная модель процесса волочения пока¬зала характер распределения деформаций, точно соответствующий распределе¬нию микротвердости в реальных образцах калиброванной стали.
5. Проведена апробация усовершенствованной методики применительно к феррито-перлитным сталям на примере стали марки 20, что позволило установить на микроуровне обрабатываемого металла отличные от макроуровня распределе¬ния НДС по причине взаимодействия элементов микроструктуры между собой. Было установлено, что в скоплениях наиболее прочной фазы (перлита) пластич¬ный феррит испытывал повышенные степени пластической деформации (в 2-4 ра¬за больше относительно среднего значения). Достоверность результатов модели¬рования была подтверждена данными проведенного на промышленных образцах EBSD-анализа. Был сделан вывод, что при моделировании материалов с принци¬пиально различающимся поведением микроструктурных составляющих в услови¬ях деформационной нагрузки, разница в результатах между численными парамет¬рами НДС в макро- и микромоделях (следовательно, и целесообразность учета микроструктуры обрабатываемого метала в целом) будет тем больше, чем меньше будет разница между процентным соотношением структурных элементов в стали.
6. Апробация методики мультимасштабного моделирования на процессе во-лочения калиброванной стали марки TRIP700 позволила обнаружить, что более

117
интенсивное мартенситное превращение происходит в более крупных зернах остаточного аустенита вследствие большой площади контакта с соседними зерна¬ми и взаимодействия между микроструктурными элементами. На основании ре¬зультатов моделей сделан вывод, что одними из факторов, влияющих на транс¬формацию остаточного аустенита, являются положение и ориентация его зерен в микроструктуре деформируемой стали. Расхождение процентного количества трансформированного аустенита, рассчитанного при помощи модели, и получен¬ного посредством экспериментального волочения калиброванной стали с трип- эффектом составило менее 5 %.
7. Разработаны рекомендации по совершенствованию действующих режимов волочения калиброванной стали марки 20 в сквозных промышленных технологи¬ях, а также спроектированы режимы волочения инновационной стали марки TRIP700. Для действующих режимов волочения калиброванной стали марки 20 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 уменьшено на 18 % количество неравномерно де¬формированных соседних зерен (относительно действующего режима) при фор¬мировании равномерной деформации по всему сечению. Таким образом, разрабо¬танный режим волочения позволяет получить калиброванную сталь с равномер¬ным распределением механических свойств по сечению и пониженной неравно¬мерностью деформации соседних зерен феррита, что препятствует негативному росту зерна в данных участках на последующей термообработке в сквозных тех¬нологиях производства. Разработаны режимы волочения калиброванной стали с трип-эффектом марки TRIP700, обеспечивающие высокие пластические характе¬ристики и повышенный ресурс возможного упрочнения за счет трансформации остаточного аустенита в ходе эксплуатации, а также повышенную прочность с равномерным распределением механических свойств.