Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Определяющее влияние усадочных пустот на эксплуатационные и механические свойства чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), постоянно расширяющаяся номенклатура деталей, изготовляемых из высокопрочного чугуна, и сложность решения задачи питания чугунных отливок обуславливают актуальность и широкие масштабы исследований," выполняемых -во всем мире по изучению усадочных процессов при затвердевании отливок из ЧШГ.
Проведенный анализ публикаций свидетельствует, что в настоящее время не существует полной математической теории усадочных процессов, происходящих при затвердевании ЧЇЇІГ. Однако, обобщение экспериментальных и теоретических исследований Ш'.Гиршовича, Г.Ф.Баландина, И.Г. Неижко, Л.С. Васина, А.А. Гетьмана, АД. Трухова, Р.В. Хейне (R.W. Heine) и др., а также научные разработки кафедры в области моделирования процессов кристаллизации чугуна создают основу для построения развитой численной модели.
Количественный прогноз образования усадочных пустот позволяет обеспечить качество отливок и снизить затраты на разработку и корректировку технологического процесса.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. На основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований усадочных процессов при охлаждении и затвердевании чугуна с активным использованием компьютерной технологии разработать численную модель сопряженных процессов затвердевания, кристаллизации, предусадочного расширения и образования усадочных пустот в фасонных отливках из чугуна для количественного прогноза образования усадочных дефектов и структуры при создании и корректировке технологии изготовления отливки. Для этого решались следующие задачи:
создание математической модели затвердевания фасонной отливки (в макромасштабе) на основе решения кристаллизационной задачи конкурентного зарождения и роста стабильных и метастабильных фаз (в микромасштабе) с учетом неравномерного температурного поля отливки и формы;
создание математической модели изменения удельного объема фаз в зависимости от состава, температуры и характера кристаллизации чугуна (стабильная/метастабильная кристаллизация) на основе обобщения опубликованных результатов экспериментальных и теоретических исследований;
разработка математической модели предусадочного расширения отливки (в макромасштабе) за счет увеличения объема при выделении ірафита в твердом скелете сплава (в микромасштабе) с учетом морфологических особенностей кристаллизации ЧШГ, механического взаимодействия затвердевающей отливки и литейной формы, конфигурации отливки, реологических параметров формы, зависимости механических свойств сплава от количества твердой фазы/температуры;
создание математической модели питания отливки и образования усадочных макро- и микропустот с учетом условий фильтрационного питания и предусадочного расширения;
разработка и внедрение программного комплекса моделирования затвердевания и количественного прогноза образования усадочных пустот в фасонных отливках.
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В рамках разработанной модели описывается процесс затвердевания и образования усадочных пустот на основе решения задачи стадийной кристаллизации многокомпонентного сплава эвтектического типа, что позволяет использовать полученную модель для анализа усадочных процессов и структурообразования чугунов различного состава при затвердевании фасонной отливки.
Разработанная модель затвердевания и образования усадочных дефектов в отливках из ЧШГ учитывает важнейшие металлургические и технологические факторы формирования отливки:
1. Факторы, являющиеся определяющими при решении кристаллизационной
задачи:
параметры диаграммы состояния Fe-C и их зависимость от содержания основных элементов чугуна;
последовательное протекание предэвтектической и эвтектической кристаллизации, соотношение стабильных (графит, аустенитно-графитная эвтектика) и метастабильных (цементит, ледебурит) фаз, выделяющихся на различных стадиях кристаллизации;
условия самопроизвольного и вынужденного зарождения и роста морфологически различных выделений стабильных и метастабильных фаз при кристаллизации ЧШГ.
-
Кинетику и продолжительность затвердевания фасонной отливки при неоднородном теплоотводе по поверхности раздела отливка-форма с учетом температурного поля формы и зависимости величины скрытой теплоты затвердевания от характера кристаллизации чугуна.
-
Влияние технологических элементов (прибыли, холодильники, литниковая система и др.), их геометрических и теплофизических характеристик на процесс затвердевания фасонной отливки.
-
Изменения удельного объема (плотности) чугуна в зависимости от температуры, состава и характера кристаллизации.
-
Увеличение объема непрерывного скелета твердой фазы чугуна за счет выделения в нем шаровидного графита.
-
Влияние предусадочного расширения и механического взаимодействия отливки с формой с учетом реологических характеристик формовочных материалов, температурной зависимости механических свойств сплава на процесс образования макро- и микропустот усадочного характера.
-
Фильтрационное течение расплава за счет компенсации усадки сплава в зоне локальных перемещений жидкой фазы с учетом металлостатического напора в
зоне макроскопических перемещений и давления газа над расплавом, зависимости проницаемости сетки растущих кристаллов и капиллярного давления от объемного количества твердой фазы.
8. Формирование в отлігвке нескольких концентрированных усадочных ракосші
в связи с локализацией зон макроскопических перемещений металла в период
затвердевания. ~_ .
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате проведения работы:
разработано программное обеспечение для численного моделирования процессов затвердевания и образования усадочных дефектов в фасонных отливках из чугуна, осуществляющее количественный анализ процесса затвердевания отливки, прогноз объема и распределения усадочных дефектов, степени графишзации при первичной кристаллизации чугуна с целью изыскания условий предотвращения брака отливок по усадочным пустотам,
на основе корректировки разработанных численных моделей создан программный модуль для численною моделирования затвердевания и образования усадочных пустот в фасонных отливок из стали и цветных сплавов;
разработаны программные средства построения двух- и трехмерных конечно-разностных геометрических моделей для решения задачи затвердевания и образования усадочных дефектов, а также рекомендации, позволяющие с учетом специфики литейных процессов и применяемых численных методов, повысить точность решения при значительной экономии вычислительных ресурсов;
Созданное программное обеспечение, внедренное на ряде российских предприятий, эксплуатируется на ТВМ-совместимых ПЭВМ, оснащено дружественным пользовательским интерфейсом с представлением результатов в наглядной форме в виде двух- и/или ірехмерного изображения и ориентировано на применение технологами-литейщиками или инженерами-исследователями. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
Математическая модель затвердевания и структурообразования фасонной отливки из чугуна с учетом неоднородней первичной структуры на основе свертки решения задачи кристаллизации чугуна, описывающей конкурентное зарождение и рост стабильных и мстастабильных фаз в микрообъеме сплава.
Математическая модель увеличения объема непрерывного скелета твердой фазы вследствие выделения фаз с большим удельным объемом (графита).
Математическая модель предусадочного расширения отливки и механического взаимодействия с литейной формой.
Математическая модель фильтрационного питаній отливки и образования макро- и микропустот.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По материалам диссертации сделан научный доклад на всероссийском молодежном научном форуме «Интеллектуальный потенциал России - в XXI век, а также опубликовано 9 статей.
Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке
Программы фундаментальных исследований в области машиностроения по
разделу «Литейное производство» (код 55.15) за 1996-1997г.г.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из