Наследственная интегрально-вероятностная модель сопротивления деформации и пластичности металлов Трифанова, Ирина Юрьевна

Введение к работе

Актуальность работы. Современный этап развития мирового промышленного производства характеризуется широким применением новых материалоз с особыми физико-механическими свойствами. Потребление традиционных материалов в развитых странах достаточно стабильно по объему, однако к ним предъявляются все более жесткие требования по качеству, которые подразумевают и требования по стабильности свойств.

Управление свойствами металлов в процессе их производства при помощи операций выплавки, пластической и термической обработки всегда считалось одной из главных задач металлургии. За многие десятилетия исследования свойств металлов накоплен огромный экспериментальный материал по влиянию различных факторов на конечные свойства продукции, разработано достаточное количество теорий и методов оценки, цель которых - улучшение комплекса свойств металлических материалов.

Наиболее распространенными методами управления свойствами металлов в последние годы стали статистические методы, в том числе и метод планируемого эксперимента. В их основе лежит построение регрессионных уравнений или управляющих моделей. Однако многие исследователи стали приходить к убеждению об ограниченности возможностей этих методов. Широкая номенклатура сплавов, разнообразие легирующих элементов, колебания химического состава в пределах одной марки сплава, большое число параметров процессов обработки металлов в настоящее время сводят к минимуму эффект использования "черного ящика". Этим термином определяется объект управления с множеством воздействующих факторов, в случае если в основе метода управления отсутствуют физические модели происходящих в металле процессов.

'''. і

С другой стороны, множество в первую очередь структурных факторов создавало впечатление, что построить реальные физические модели, адекватно описывающие формирование свойств металла, невозможно. Чем больше исследователи изучали структуру, тем больше явлений обнаруживали, что еще больше укрепляло их уверенность в тщетности подобных попыток.

Это привело к тому, что на практике основным методом исследований остается хороший, тщательно подготовленный, широкомасштабный эксперимент. Последний охватывает как разработку новых технологий, так и совершенствование старых. Экспериментальным путем исследуются также зависимости сопротивления деформации и характеристик пластичности от температуры, скорости и степени деформации, т. е. реология материалов. Однако полученные результаты достоверны только для конкретной марки сплава без существенных изменений химического состава. По-видимому, именно по этой причине в справочной литературе содержатся если не противоречивые, то в достаточной степени различающиеся сведения как о прочностных, так и о пластических свойствах металлов.

Натурный эксперимент в материаловедении дорог, особенно в настоящее время. В этой связи целесообразно создание такого формального аппарата, который

доетаточно полно отражал физическую сущность процессов формирования свойств металлов;

учитывал многообразие процессов, происходящих в металле;

учитывал вклад отдельных операций обработки материалов;

мог быть реализован в компьютерном эксперименте.

Крайне желательной является разработка такой математической модели, котораг обеспечивает возможность определения значений физико-механических свойств в любой момент времени процесса обработки материала, например при пластической деформации в несколько циклов, или в і

ходе фазовых превращений при термообработке, что дает возможность оперативного управления процессом. -

Таким образом, создание подобной модели формирования свойств металлов, в первую очередь прочности и пластичности, является актуальной задачей.

Исходя из современного состояния вопроса и с учетом актуальности задачи была сформулирована цель работы: создание наследственной интегрально-вероятностной модели, которая при минимуме необходимого экспериментального материала обеспечивает расчет прочностных и пластических свойств металла на протяжении всего процесса его обработки в твердом состоянии.

Наследственный характер модели с использованием координаты времени, привлечение гипотезы памяти позволяет учесть вклад последовательности воздействий на металл и каждого из них в отдельности в формирование свойств в конечный момент.

Интегрально-вероятностный характер модели и использование физической модели элементарного процесса релаксации напряжений позволило учесть все возможное многообразие процессов упрочнения и разупрочнения, происходящих на микроуровне.

Модель, как и вся диссертационная работа, построена на единой концептуальной основе, которой является энтропийная теория прочности и пластичности. Фактически наследственная интегрально-вероятностная модель является развитием этой теории и обеспечивает ее компьютерную реализацию.

В работе были поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработка новой теории температурного изменения напряжений начала пластического течения ( предела текучести ) металла, которая позволяет формализовать и поставить на компьютерную основу моделирование изменения свойств в процессах нагрева - охлаждения.

1. Разработка модели сопротивления деформации металла как результата действия вероятностных процессов упрочнения и разупрочнения.

2. Разработка теории и формального аппарата, описывающего изменение скорости релаксационных процессов при изменении температуры, структуры и значений деформирующих напряжений.

3. Разработка нового критерия устойчивости пластической деформации металлов при растяжении, что дает возможность построения нового формального аппарата для расчета изменения пластичности металлов.

4. Разработка нового подхода к описанию изменения свойств металлов в результате полиморфных и фазовых превращений, что дает возможность формализовать и моделировать на компьютере формирование свойств при термической и (или) термомехаиическсй обработке.

5. Составление, отладка и реализация на компьютере программы:

- расчета' многомерных пространств сопротивления деформации и
пластичности К = К(Т, є, є, A3_cmp),S=S(T,e. є, AS_cmp);

моделирования изменения свойств в результате нескольких циклов обработки давлением;

- моделирования изменения свойств в результате термомеханической
обработки или отдельно термообработки.

Научная новизна полученных результатов вытекает из поставленных задач:

1. Разработана и реализована на компьютере наследственная интегрально-вероятностная модель сопротивления деформации и пластичности металлов, которая позволяет по результатам трех опытов на растяжение (при комнатной и двух повышенных температурах) выполнять следующие процедуры:

- строить многомерные пространства сопротивления деформации и
пластичности металлов А' = К(Т. s, в, AS_cmp), S=S(T,e, є. AS_mp);

- моделировать изменение свойств металла в результате нагрева,
пластической деформации в несколько циклов с меж- и последеформацион-
ными паузами, охлаждения с заданной скоростью с фазовыми превраще
ниями или без них;

- моделировать различные виды термомеханической обработки.
Модель имеет принципиально новый характер.

6. Разработана теори* температурного изменения предела текучести металла, хорошо подтверждаемая экспериментально.

7. Разработана теория изменения скорости релаксационных процессов в металле при изменении температуры, структуры и деформирующих напряжений; метод определения энергии активации диффузионного процесса, контролирующего релаксационные процессы в материале.

8. Разработан новый подход к описанию фазовых превращений в металлах, удобный для компьютерного моделирования.

5. Разработаны и реализованы на персональном компьютере про
граммы расчета:

- пространств сопротивления деформации и пластичности;

изменения свойств металла при нагреве, пластической деформации в несколько циклов при переменной температуре и последующем охлаждении с фазовыми превращениями или без них;

формирования свойств металлов в ходе некоторых операций термо-механической обработки.

Практическая значимость. Использование результатов работы на практике позволит:

разрабатывать технологии для получения материалов с заданным уровнем физико-механических свойств;

определять целесообразность и эффективность применения операций термомехашгческой обработки для каждой марки стали;

определять реологические свойства деформируемых материалов при абсолютном минимуме экспериментального материала;

обеспечить существенную экономию материальных ресурсов за счет сокращения дорогостоящего натурного эксперимента и перевода его на компьютерную основу.

Применение модели позволило разработать технологию горячей и холодной прокатки лент толщиной 1 мм из сплава Co-Fe-V, который до настоящего времени относился к разряду хрупких материалов. Технология является предметом ноу-хау.

Результаты, полученные в работе, используются в лекционном курсе "Пластическая обработка металлов, композиционных и порошковых материалов", а разработанные программы - а трех лабораторных работах,

Вклад автора в проведенные исследования. Разработка теоретических основ модели выполнена совместно с научным руководителем; нрограмми-рование, расчегы, эксперименты, анализ - автором работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на:

- международной российско - германской конференции "Пластическая
и термическая обработка металлических материалов", С.-Петербург, 1995 г;

заседании секции "Процессы обработки давлением" юбилейной конференции, посвященной 10-летию договора о сотрудничестве между Ганноверским университетом и СПбГТУ, С.-Петербург, 1995 г;

научном семинаре кафедры "Пластическая обработка металлов, композиционных и порошковых материалов" СПбГТУ.

Публикации. По материалам диссертации направлено в печать 16 статей, из них опубликовано 5 ; опубликовано 2 тезиса докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка ліггературьі, включающего 172 наименования; изложена ка 2!2 страницах машинописного текста ( компьютерный набор), содержит 53 рисунка и 5 таблиц.