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 слоев, 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 НДС1 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 деформируемое 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).
Особенностью решения подобных задач является необходимость подробного анализа полной истории нагружения совместно с рассмотрением процессов формирования различных видов структурной и физической неоднородности тела. При их описании выстраиваются сложные комплексы базовых и дополняющих моделей с обоснованием выбора системы разрешающих уравнений, дополнительных и специальных условий, а также алгоритмов численного счёта, отражающих при постановке и решении специфику и факторы связанности задач механики тел с формирующейся структурой. Это даёт возможность определения итогового комплекса физико-механических свойств, структуры, наве-
1 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.
денных данной технологией полей напряжений и деформаций, но требует расширения возможностей МДТТ за счёт привлечения моделей смежных и родственных дисциплин, описывающих процессы получения материала, образования твёрдого тела (модели тепло- и массопереноса, структурно-фазовых превращений, образования дефектов и др.).
В этой связи актуальны системная постановка и решение связанных задач механики по определению НДС и механических свойств неоднородных тел с непрерывно трансформирующейся структурой и свойствами при высокоэнергетических воздействиях.
Цель работы заключается в 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 общего подхода к постановке и решению связанных задач механики для неоднородных тел со структурой и свойствами, динамически изменяющимися в ходе нагружения.
-
Разработка расчётных методик анализа динамики изменения пространства напряжённо-деформированных и структурных состояний сплопшой среды в ходе нестационарного термо-силового нагружения, включая методики решения следующих задач:
динамической трёхмерной тепловой задачи;
задачи описания формирования структурной и физической неоднородности при высокотемпературных воздействиях на характерных примерах получения и обработки материалов в высокоэнергетических технологических системах;
контактной задачи для движущейся области термо-силового нагружения с учётом динамики изменения структуры тела, характеристик воздействующих полей и конфигурации контактных поверхностей.
3. Реализация разработанных методик применительно к технологиче
ским задачам управления процессами формирования комплекса заданных
свойств тел в условиях электромеханического упрочнения и формирования
стальных слитков ответственного назначения.
Научная новизна работы подкреплена следующими новыми результатами:
-
Впервые решена задача механики металлических тел с непрерывным описанием во времени совокупности процессов формирования локальной и глобальной неоднородности их строения, что позволило учесть влияние высокоградиентных структурных состояний на наведённые поля напряжений, деформаций и механических свойств материала.
-
Разработан оригинальный подход к постановке и решению рассматриваемых задач, заключающийся в последовательном построении на базе вычислительного эксперимента адаптивной системы математических моделей, отобража-
ющих взаимосвязи структурных превращений и формирующейся неоднородности свойств с НДС и механическим поведением тела в ходе действия термо-силовых полей. Предложенная открытая архитектура предполагает возможность учёта дополнительных эффектов за счёт включения в общий комплекс соответствующих моделей механики и смежных дисциплин.
3. Впервые связанная задача термо-упруго-пластичности дополняется си
стемой математических моделей, описывающих в едином комплексе формирова
ние основных типов структурной и физической неоднородности металла (денд
ритное строение, металлографическая структура, плотность и пористость) при ин
тенсивных воздействиях.
Разработаны методики учёта данных видов неоднородности при расчёте и анализе НДС, что дало возможность выяснить вклад различных механизмов (деформация, усадка, фильтрация) в генезис дефектов материала и установить области жёстких НС, благоприятных для их образования в характерных структурных зонах материала (на примере затвердевания крупных стальных слитков, а также ЭМО тонких слоев и покрытий).
-
Установлена степень влияния дискретности счёта при численном описании непрерывной динамики трансформаций строения деформируемого тела на точность решения поставленных задач. Обоснованы схемы реализации МКР при высоких скоростях тепловых и деформационных воздействий. Выявлены области параметров температурно-силового нагружения требующие учёта инерционных и динамических эффектов при формировании системы разрешающих уравнений.
-
Из решения обратной задачи о механическом поведении структурно неоднородного тела и экспериментов по растяжению неупрочнённых и упрочнённых образцов впервые получены расчётные диаграммы деформирования и определены механические характеристики специфических структур, возникающей в тонком поверхностном слое стали при воздействии КПЭ.
-
На основе зависимостей, найденных при решении указанных задач, установлены пути управления НДС и механическими свойствами характерных структурных зон рассматриваемых изделий за счёт изменения конструктивных и технологических параметров процессов обработки и получения материала.
Практическая ценность отражена в прикладных аспектах работы:
-
Разработаны рекомендации по постановке и решению задач выделенного класса с анализом механизмов и особенностей исследуемых процессов, допущений и условий, требующих учёта при моделировании.
-
Получены результаты комплексных исследований НДС и свойств структурно-неоднородных тел, формирующихся в исследуемых технологических системах, при вариации внешних нагрузок и конструктивно-технологических параметров, в том числе:
- для крупных стальных слитков обобщены условия формирования и построена диаграмма режимов охлаждения и затвердевания стали, соответ-
ствующих характерным структурным и дефектным зонам, с анализом роли механических напряжений в их образовании;
с использованием серии вычислительных экспериментов отработаны приёмы прогноза бездефектной технологии получения крупных стальных слитков, включая подбор оснастки и режимов разливки стали;
для технологии поверхностного упрочнения металлов ЭМО получены зависимости и построена методика назначения режимов обработки, обеспечивающих создание на поверхности изделия слоя с требуемым распределением упрочнённых и неупрочнённых областей.
-
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 (свид. о гос. регистрации № 2013613206) и СКМ "Crater" упрочнения материалов и покрытий концентрированными потоками энергии. СКМ "Crystal" внедрена в производство в «Инженерном центре «Азот» ФГУП ПО «Баррикады», в ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь», а также в учебный процесс подготовки и переподготовки специалистов в области механики композитных конструкций, металлургии и материаловедения в Волгоградском государственном техническом университете.
-
Разработаны технологические способы получения высокопрочных слоев и покрытий на поверхности изделий при комбинированной ЭМО и методы прямого экспериментального определения механических характеристик подобных тонких поверхностных слоев (защищены 4 патентами Российской Федерации). Технология ЭМО внедрена в технологический процесс изготовления деталей технологической оснастки в ОАО «Волгоградский завод тракторных деталей и нормалей».
