Введение к работе
Актуальность темы . Современные технологии получения и обработки металлов нацелены на создание конструкционных материалов с повышенными физико-механическими свойствами, имеющими существенное значение при разработке новых изделий атомной, космической, авиационной, автомобильной, военной и других направлений техники. В этой связи сегодня большое внимание уделяется эффективным высокоэнергетическим динамическим процессам формирования структуры и свойств кристаллических материалов, покрытий, упрочняющих слоёв, приводящих к оптимизации конструкций, повышению уровня их надёжности, энерго- и ресурсосбережения.
В ходе интенсивных температурных и силовых воздействий, сопровождающих такого рода процессы, структура и фазовый состав материала претерпевают многократные превращения, обеспечивающие требуемый комплекс механических свойств тела. При расчётном анализе НДС и механического поведения таких систем в каждый момент времени приходится иметь дело, по сути, с новым телом, структура, свойства и геометрия которого непрерывно трансформируются в ходе технологического процесса.
Возникает новый класс задач МДТТ - задачи механики технологических воздействий, в которых исследуемое тело формируется в процессе нагружения (понимая под нагрузкой действующие в технологической системе тепловые и силовые поля). В таких системах на начальной стадии воздействия строение материала может кардинально отличаться от его окончательной структуры, и даже само понятие «твёрдое тело» часто оказывается условным (например, при затвердевании слитка из расплава). Для определения итогового комплекса физико-механических свойств, структуры, наведённых данной технологией полей напряжений и деформаций необходимо использование широкого спектра моделей, описывающих процессы получения материала, образования твёрдого тела (модели тепло- и массопереноса, структурно-фазовых превращений, образования дефектов и др.).
Решение таких задач подразумевает разработку сложных моделирующих комплексов с поэтапным их построением - от постановки задачи и идеального проекта к рабочему проекту моделирующей системы с тщательным анализом базовых и дополняющих моделей, обоснованием выбора численных мето-
* Принятые сокращения:
ИМК - идеальный моделирующий комплекс;
КПЭ - концентрированные потоки энергии;
МДТТ - механика деформируемого твёрдого тела;
МКР - метод конечных разностей;
НДС - напряжённо-деформированное состояние;
НС - напряжённое состояние;
РМК - рабочий моделирующий комплекс;
СКМ - система компьютерного моделирования;
ЭМО - электромеханическая обработка.
дов, алгоритмов, программного обеспечения и технических средств их реализации. Кроме того, должны быть исследованы и описаны особенности верификации, идентификации и калибровки моделей на основе соответствующих вычислительных и натурных экспериментов.
В этой связи актуальным является системная постановка и решение связанных задач механики нестационарных процессов получения и обработки материалов в различных технологических системах в условиях существенно градиентных высокотемпературных и силовых полей, динамически изменяющихся во времени.
Цель работы заключается в системной постановке и решении комплексных задач МДТТ по прогнозированию НДС и свойств металлических тел на всех этапах формирования их неоднородной структуры под воздействием интенсивных технологических температурно-силовых полей.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
-
Разработка системного подхода к постановке и решению связанных задач механики для неоднородных тел со структурой и свойствами, формирующимися в ходе нагружения.
-
Разработка расчётных методик описания структуры и физико- механических свойств металлических тел в условиях воздействия интенсивных технологических температурно-силовых полей, включая методики решения следующих задач:
динамическая трёхмерная тепловая задача;
задача описания металлографических, кристаллических структур, плотности и пористости стали и сплавов при высокотемпературных воздействиях;
контактная задача термоупругопластического нагружения структурно- неоднородных тел.
Решение технологических проблем управления процессами формирования комплекса заданных свойств тел в ходе их получения или обработки в условиях технологий электромеханического упрочнения металлов и кристаллизации тяжёлых кузнечных слитков.
Научная новизна работы заключается в постановке и решении связанных задач механики неоднородных тел с динамически изменяющимися в ходе температурно-силовых воздействий структурой и механическими свойствами в приложениях к технологическим проблемам управления процессами получения и обработки металлических материалов.
1. Разработан и реализован системный подход к решению сложных взаимосвязанных задач математического описания процессов формирования структуры, свойств и напряжённо-деформированных состояний металлических тел в высокоэнергетических системах, заключающийся в построении идеального моделирующего комплекса и его последовательном воплощении в рабочую моделирующую систему путём калибровки моделей, идентификации их параметров и верификации результатов.
На основе полученного в обобщённой постановке решения динамической трёхмерной задачи теплопроводности неоднородных тел установлены диапазоны эффективности учёта характерных особенностей, повышающих достоверность описания явлений и связанных с моделированием тепловых источников, фазовых переходов, движения границ и релаксации теплового потока.
Для решения поставленных задач механики неоднородных сред систематизированы известные расчётные подходы к описанию трансформаций структуры материалов и предложены алгоритмы компьютерного анализа условий формирования неоднородной кристаллической, металлографической и дефектной структур в ходе интенсивных температурно-силовых воздействий.
Полученные решения связанных контактных задач термоупругопла- стичности неоднородных тел позволяют учитывать трёхмерный и динамический характер действия температурных и силовых полей, движение границ раздела, структурно-фазовые превращения и массоперенос.
С единых позиций даны решения технологических задач механики формирующихся тел с учётом особенностей деформирования сред с динамически меняющейся структурой, положенные в основу разработки систем управления технологическими процессами (применительно к электромеханическому упрочнению поверхностных слоёв и кристаллизации крупных стальных слитков).
Практическая ценность отражена в прикладных аспектах работы:
На основе предложенных методик и системы моделей созданы пакеты прикладных программ моделирования процессов формирования структуры, механического поведения, НДС материалов при их получении в различных высокоэнергетических технологических комплексах, в том числе: СКМ "Crystal" затвердевания стальных слитков и СКМ ccCratef упрочнения материалов и покрытий концентрированными потоками энергии. СКМ "Crystal" внедрена в производство в «Инженерном центре «Азот» ФГУП ПО «Баррикады» (Волгоград), в ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь» (Волгоград), а также в учебный процесс в Волгоградском государственном техническом университете.
С учётом проведённых вычислительных экспериментов выявлены особенности строения и описаны механизмы образования основных кристаллических областей, распределения плотности и дефектов слитка. Полученные расчётные результаты послужили основой для обобщения условий формирования характерных зон слитка с построением диаграммы соответствующих режимов охлаждения и затвердевания стали. На основе математической модели, описывающей высоту элементарного объёма осевших кристаллов в зависимости от скорости выпадения твёрдых частиц в расплаве, дано расчётное описание геометрических параметров, кристаллической и дефектной структуры се- диментационного конуса в крупных слитках.
Получены зависимости и построена методика расчёта и управления режимами ЭМО, обеспечивающими создание на поверхности изделия упрочнённого слоя с требуемыми в конкретных эксплуатационных условиях параметрами его макроструктуры. На этой основе для инженерной практики разработана комплексная номограмма, позволяющая назначать основные технологические параметры ЭМО сталей. Выявлены особенности структуры и механического поведения образцов из инструментальных и легированных сталей, упрочнённых ЭМО, а также взаимосвязи таких параметров с режимами ЭМО. Разработана технология электромеханического упрочнения рабочих контуров инструмента (ножей, режущих вставок фрез, пуансонов и др.). Технология ЭМО внедрена в технологический процесс изготовления деталей технологической оснастки в ОАО «Волгоградский завод тракторных деталей и нормалей» (Волгоград).
Разработаны технологические способы получения высокопрочных слоёв и покрытий на поверхности изделий при комбинированной ЭМО и методы прямого экспериментального определения механических характеристик подобных тонких поверхностных слоёв (защищены 4 патентами Российской Федерации).
