Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса теории разрушения и обзор инструментария для расчета напряженно- деформированного состояния структурно-неоднородного материала 8
1.1 Современное состояние вопроса теории разрушения в процессах обработки металлов давлением с учетом неоднородности структуры 8
1.2 Методы описания напряженно-деформированного состояния среды в процессах обработки металлов давлением 23
1.3 Обзор возможностей программных комплексов для моделирования методом конечных элементов процессов обработки металлов давлением с учетом неоднородности структуры материала 26
Выводы по главе 1 31
ГЛАВА 2. Сравнительный анализ критериев разрушения в процессах обработки давлением структурно-неоднородных материалов 33
2.1 Уровни исследования напряженно-деформированного состояния дискретной среды 33
2.2 Выбор критерия разрушения для конечно-элементного моделирования процессов обработки металлов давлением с учетом неоднородности структуры . 39
2.3. Сравнительный анализ конечно-элементного моделирования и аналитического расчета поврежденности в процессе обработки металлов давлением 52
2.3.1 Аналитический расчет поврежденности металла в процессе обработки давлением 52
2.3.2 Расчет методом конечных элементов поврежденности металла в процессе обработки давлением 56
Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3. Исследование возможности применения программных комплексов simulia abaqus, deform-3d для конечно-элементного моделирования процессов обработки давлением структурно-неоднородных материалов 61
3.1 Сравнительный анализ применимости программных комплексов DEFORM-3D и SIMULIA ABAQUS при моделировании процесса осадки сталемедной катанки 61
3.2 Сравнительный анализ применимости программных комплексов DEFORM 3D и SIMULIA ABAQUS для моделирования напряженно-деформированного состояния при растяжении структурно-неоднородного образца 68
Выводы по главе 3 74
ГЛАВА 4. Исследование влияния структурной неоднородности материала на напряженно-деформированное состояние при волочении 76
4.1 Исследование влияния расположения неметаллических включений по поперечному сечению на напряженно-деформированное состояние и обрывность в процессе волочения 76
4.2 Исследование влияния типа неметаллических включений на напряженно- деформированное состояние и обрывность заготовки в процессе волочения 81
4.3 Исследование влияния количественного содержания неметаллических включений на напряженно-деформированное состояние и обрывность заготовки в процессе волочения 85
4.4 Влияние геометрии волочильного инструмента на напряженно- деформированное состояние заготовки 86
4.5 Корректировка единичных обжатий маршрута волочения 90
Выводы по главе 4 93
Заключение 96
Список литературы
- Методы описания напряженно-деформированного состояния среды в процессах обработки металлов давлением
- Выбор критерия разрушения для конечно-элементного моделирования процессов обработки металлов давлением с учетом неоднородности структуры
- Сравнительный анализ применимости программных комплексов DEFORM 3D и SIMULIA ABAQUS для моделирования напряженно-деформированного состояния при растяжении структурно-неоднородного образца
- Исследование влияния количественного содержания неметаллических включений на напряженно-деформированное состояние и обрывность заготовки в процессе волочения
Методы описания напряженно-деформированного состояния среды в процессах обработки металлов давлением
Особенностью расчета разрушения, в том числе с помощью средств моделирования методом конечных элементов, является необходимость определения некоторого предельного состояния и механизма развития трещины (критерия разрушения). В работе А.А. Лебедева [2] представлен линейный критерий кратковременной прочности Писаренко-Лебедева: Х Гі + (і-х) Гі= гв, (1) где Gi - интенсивность девиатора напряжений; Gi - наибольшее главное напряжение; х - константа, зависящая от пластичности материала; Ge - временное сопротивление материала при одноосном растяжении.
В работе представлены значения параметра % как для квазихрупких, так и для пластичных материалов, однако, учитывая тот факт, что критерий разрабатывался на основе закономерностей разрушения квазихрупких материалов, его применение для расчета механизмов разрушения, сопровождающихся значительной пластичностью в вершине трещины, свойственной пластичным материалам, обосновано недостаточно.
Автор работы [3] исследовал закономерности деформирования и накопления повреждений в стали 20 при повторно-статическом нагружении. В качестве параметра поврежденности предложена величина, учитывающая разброс характеристик твердости при ее массовых измерениях. При реализации данного подхода методом конечных элементов, помимо механических характеристик, необходимо опытным путем определить параметры функции поврежденности и зависимости интенсивности напряжений от интенсивности неупругих деформаций.
В работе В.Н. Трофимова [4] предложена модель накопления поврежденности при пластической деформации. Модель основана на положениях о процессах упрочнения и трещинообразования, сопровождающих пластическую деформацию. Критерий представлен как последовательность трех этапов в зависимости от механизмов происходящих процессов. Особенностью представленного критерия является зависимость поврежденности образца от последовательности этапов деформирования. Критерий позволяет выполнять аналитические расчеты достаточной сходимостью с данными экспериментов, но в доступных программных комплексах, основанных на методе конечных элементов, данный критерий в настоящее время не реализован.
В работах [5, 6] исследованы механизмы разрушения. Большое внимание уделено исследованию механизма слияния пор под действием внешней нагрузки. Авторами сделано предположение о развитии разрушения в результате зарождения, роста и слияния пор. Наличие в ямках излома неметаллических частиц позволило им утверждать, что возникновение пор обусловлено наличием частиц вторых фаз. При этом наиболее важным моментом пластичного разрушения является зарождение пор. Одну из наиболее полных дислокационных моделей зарождения и роста пор разработал Вгоек [7]. Согласно его модели поры образуются на границе раздела частица-матрица в результате создания у частиц дислокационных скоплений. На первом этапе образования пор под действием внешней нагрузки возникают дислокационные петли, которые вследствие сдвиговых нагрузок и дислокаций отталкиваются от частиц на границу раздела, где в результате отделения от матрицы происходит зарождение поры. Дальнейший выход дислокаций на границы образовавшейся поры приводит к ее росту.
В.А. Павлов в своей работе [8] на основе экспериментальных данных представил три механизма пластической деформации и разрушения в зависимости от температурных условий. В области относительно низких температур, в том числе комнатной, и высоких значениях деформирующих напряжений разрушение происходит в результате накопления и взаимодействия дислокаций, что приводит к образованию микротрещин. В области высоких температур определяющим является диффузионный механизм, при котором процесс разрушения происходит в результате образования и коагуляции вакансий. В промежуточной области температур разрушение наступает в результате образования и развития пор на границах зерен. При этом между представленными областями, как показывают исследования, нет четких границ и, например, в области низких температур зарождение микротрещин может происходить как термофлуктуационным путем, так и без термической активации.
В работе [9] представлено развитие теории разрушения и разработан критерий, оценивающий разрушение как результат зарождения и слияния пустот в материале под действием внешней нагрузки. где Оу - предел текучести материала без пустот; q - гидростатическое давление; f- доля объема пустот.
Таким образом, модель учитывает влияние пустот в материале на величину предела текучести. Важным аспектом исследований является установление связи между действием гидростатического давления и объемом пустот. Авторы установили, что положительное гидростатическое давление уменьшает объем пустот. Исходя из результатов работы, можно сделать вывод о том, что при оценке уровня поврежденности необходимо учитывать наличие несплошностей в материале и их рост в процессе деформации.
В нормативно-технической документации на производство стальной проволоки основными показателями качества стальной проволоки являются механические характеристики и требования к содержанию углерода [10], при этом требований к предельному количественному содержанию, распределению неметаллических включений и влиянию масштабного фактора не представлены, что не позволяет в достаточной степени определить качество заготовки для дальнейшего передела
Выбор критерия разрушения для конечно-элементного моделирования процессов обработки металлов давлением с учетом неоднородности структуры
При рассмотрении структуры материала как неоднородной среды возможны два подхода к описанию и решению поставленных задач. Первый подход предполагает описание всего объема заготовки как сплошной среды с однородными свойствами. С целью учета изменения механических свойств заготовки в результате влияния неоднородности структуры при расчете НДС в уравнение необходимо вносить поправочные коэффициенты. Поправочные коэффициенты могут быть определены теоретически, либо получены эмпирическим путем. Данный подход позволяет упростить решение задачи, но не позволяет оценить распределение напряжений и деформаций в процессе формоизменения с достаточной точностью. Указанный недостаток можно избежать применением второго подхода, заключающегося в представлении объема заготовки как дискретной среды. В рамках данного подхода заготовка рассматривается как композиционный материал.
В общем случае неоднородность структуры материалов можно представить на трех уровнях:
Макроуровень. Неоднородность структуры, различаемая невооруженным глазом. Примером может служить многокомпонентный материал с существенным различием свойств компонентов, например, биметаллическая сталемедная проволока.
Мезоуровень. Представляет собой промежуточный уровень исследования неоднородности структуры, различаемой при оптическом увеличении.
В практике ОМД существенную проблему составляют неметаллические включения и их влияние на механические свойства заготовки и готового изделия, а также методы оценки их предельного содержания для предотвращения разру 34 шения обрабатываемого изделия при производстве и отбраковке изделий на ранних стадиях обработки во избежание дополнительных потерь.
Можно выделить два вида включений: металлические и неметаллические. Наибольший интерес и практическую значимость для процессов ОМД имеет рассмотрение неметаллических включений, поскольку металлические включения обладают определенным сродством к основному материалу и не оказывают существенного влияния на свойства готового изделия. Кроме того, мелкодисперсные включения могут не только не ухудшать, но в определенных случаях повышать механические свойства готовых изделий. Так на этапе производства литой заготовки ввод мелкодисперсных тугоплавких порошков в расплав создает дополнительные центры кристаллизации, способствующие получению измельченной структуры, что благоприятно сказывается на пластических свойствах материала.
В соответствии с формой и распределением неметаллические включения, согласно ГОСТ Р ИСО 4967-2009 делятся на пять основных групп: - включения типа сульфидов - сильно деформированные отдельные частицы с широким диапазоном коэффициента формы (отношение длина/ширина); - включения типа алюминатов - многочисленные недеформированные частицы многоугольной формы с низким коэффициентом формы, ориентированные в направлении деформации; - включения типа силикатов - сильно деформированные отдельные частицы с широким диапазоном коэффициента формы; - включения типа глобулярных оксидов - недеформируемые, беспорядочно распределенные частица с низким коэффициентом формы; - включения типа одиночных глобулярных оксидов - круглые одиночные частицы диаметром не менее 13 мкм.
Неметаллические включения глобулярной формы наименее опасны, поскольку не создают концентраторов напряжений, способствующих зарождению и развитию трещины. Поэтому при наличии неметаллических включений, обусловленных особенностями технологического процесса, рекомендуется способствовать образованию включений глобулярной формы, что достигаются определен 35 ным модифицированием. Недеформируемые остроугольные включения наиболее опасны вследствие повышения вероятности образования трещины у вершины острого края включения [75, 76].
Пластичность включений зависит от температуры обработки. Соединения оксидов, в зависимости от состава, обладают хрупкостью при низких температурах и пластичностью при высоких. Наличие пластичных включений при дальнейшей обработке давлением приводит к существенной анизотропии свойств, вследствие образования ориентированной структуры материала по направлению действия наибольших деформирующих сил (рисунок 13). Применительно к прокатному и волочильному производствам структура ориентируется по направлению действия растягивающих напряжений.
Следует отметить, что появление включений в структуре материала часто является неизбежным и обусловлено особенностями производства, поэтому необходимо максимально снизить их негативное воздействие на свойства готового изделия. Для этого необходимо максимально измельчить включения при сохранении глобулярной формы. При определенных условиях можно добиться повышения свойств материала, в этом случае включения будут действовать как армирующий материал в дисперсно-упрочненном композите металл-включение.
Микроуровень. Рассмотрение составляющих микроструктуры материалов как некомпактной среды, в которой структурные составляющие представляют собой элементы композиционного материала.
Металлы и сплавы принято считать сплошной средой, поскольку неоднородность структуры пренебрежительно мала по сравнению с размерами изделия, однако, при определенных условиях анизотропия их механических свойств становится весьма существенной. Так после обработки давлением механические свойства металлов и сплавов в продольном и поперечном направлении могут значительно отличаться.
Использование подхода, заключающегося в расчете механических характеристик металлов и сплавов на основе представления их структуры, как композиционной среды, позволит применить аппарат механики композиционных материалов для расчета механических свойств металлов и сплавов [78]. На основе такого подхода составляющая, непрерывная во всем объеме материала, принимается как матрица, а дискретная составляющая - как упрочняющая фаза.
Сравнительный анализ применимости программных комплексов DEFORM 3D и SIMULIA ABAQUS для моделирования напряженно-деформированного состояния при растяжении структурно-неоднородного образца
Для полноценного анализа НДС необходимо количественно оценить градиент изменения механических свойств по сечению обрабатываемой заготовки, возникающий вследствие неравномерности деформаций при ОМД. Для решения данной задачи применяется программный комплекс, основанный на методе конечных элементов. Представленный в главе 1 обзор программных комплексов позволил определить программные комплексы DEFORM-3D и SIMULIA Abaqus, позволяющие моделировать процесс волочения. С целью выбора программного комплекса, позволяющего осуществлять расчет НДС металлов с неоднородностью на макроуровне, проведено сравнение на примере решения задачи равномерной осадки биметаллической заготовки из двух материалов с различными механическими свойствами [94]. Результаты моделирования оценивались путем сравнения с данными испытаний в лабораторных условиях на равномерную осадку.
Биметаллические изделия представляют собой композиционный материал, сочетающий в себе свойства двух компонентов [95-97]. Примером таких изделий является сталемедная проволока. В этой проволоке в качестве сердечника чаще всего используются качественные малоуглеродистые стали 15Г, 15, 20, Св08А, обеспечивающие прочностные свойства, эксплуатационную надежность композита и снижающие его себестоимость. Для обеспечения высокой электропроводности в качестве проводящей ток оболочки используется электролитическая медь [98]. Поскольку геометрия заготовки не обладает сложной формой (поперечное сечение биметаллической сталемедной катанки представлено на рисунке 24), построение геометрической модели произведено непосредственно в препроцессоре программ.
Разбиение модели на сетку конечных элементов в программном комплексе DEFORM-3D производится указанием общего количества конечных элементов в модели. При построении модели медной оболочки количество конечных элементов принято равным 7000, для единства размеров конечных элементов в многокомпонентном материале, модель стального сердечника состоит из 15000 конечных элементов. В программном комплексе SIMULIA Abaqus разбиение модели на сетку конечных элементов производилось в зависимости от характерного размера одного элемента, при этом адаптация конечных элементов под геометрию и объем модели произведена указанием предельного отклонения размеров каждого из элементов представленной сетки. Создание сетки в зависимости от характерного размера элемента (0,02 мм) позволило сохранить единство размеров конечных элементов в многокомпонентном материале, тем самым снизив погрешность вычисления.
При построении конечно-элементной модели использованы следующие допущения и ограничения: - инструмент представляет собой две жесткие пластины, не испытывающие деформации; - нижний инструмент имеет ноль степеней свободы (закреплен во всех направлениях); - верхний инструмент имеет одну степень свободы (возможность перемещения в отрицательном направлении вертикальной оси); - перемещения (проскальзывание) между медной оболочкой и стальным сердечником отсутствуют. Условия моделирования методом конечных элементов: - материал оболочки соответствует свойствам меди Copper (Machining) из библиотеки материалов DEFORM-3D; - материал сердечника соответствует свойствам стали 20 (аналог AISI 1020); - коэффициент трения на контактных поверхностях 0,1; - скорость перемещения верхнего инструмента 2 мм/мин.
На рисунках 25-28 представлены результаты моделирования методом конечных элементов процесса равномерной осадки в программных комплексах DEFORMED и SIMULIA Abaqus. Цветовая гамма представлена для наглядности оценки распределения напряжений по Мизесу. Рисунок 25 - Исходная модель заготовки для осадки в программных комплексах:
Дальнейшая деформация образца приводит к повышению значений напряжений в осевой части стального сердечника до 854 МПа и 828 МПа при моделировании в DEFORM-3D и SIMULIA Abaqus соответственно. Конечно-элементное моделирование выполнено для процесса равномерной осадки, которому свойственно образование бочкообразной формы заготовки, что свидетельствует о соответствии формоизменения заготовки по результатам моделирования реальному процессу. Рисунок 28 - Формоизменение и НДС заготовки при осадке на 30 %:
а - DEFORM-3D, МПа; б - SIMULIA Abaqus, Па
Для оценки погрешности моделирования в программных комплексах относительно эксперимента проведена серия испытаний на сжатие биметаллической катанки на универсальной испытательной машине AG-50kNIC фирмы Shimadzu. Испытания проведены без масла при скорости движения инструмента 2 мм/мин. Результаты испытаний:
Сравнение результатов моделирования и данных эксперимента представлено в таблице 4. Погрешность результатов, полученных при моделировании методом конечных элементов в программном комплексе SIMULIA Abaqus, не превышает 5,6 %. Погрешность с данными эксперимента при использовании программного комплекса DEFORM-3D достигает 25,5 %. При этом данные моделирования и эксперимента совпадают при осадке образца на 30 %.
Исследование влияния количественного содержания неметаллических включений на напряженно-деформированное состояние и обрывность заготовки в процессе волочения
В настоящее время, неравномерность механических свойств чаще всего оценивают качественно, по изменению структуры. При этом оперируют интегральными характеристиками механических свойств, которые получают на основании стандартных методов испытаний: растяжение, сжатие, скручивание, кручение, изгиб и т.д. Однако в процессах ОМД, например, в процессах калибрования и волочения проволоки, механические свойства по сечению формируются и изменяются неравномерно. В частности для более полного анализа НДС актуальным является вопрос количественной оценки градиента изменения механических свойств по сечению обрабатываемой заготовки, возникающего вследствие неравномерности деформаций при обработке давлением.
Металлы и сплавы в большинстве случаев принято рассматривать как компактную среду, однако, вследствие технологических особенностей производства заготовок на этапе сталеплавильного производства для дальнейшей обработки давлением, в металле образуются несплошности структуры в виде газовых пор и различные неметаллические включения (сульфиды, оксиды, силикаты) [99-101]. Макро- и микроструктурные неоднородности, как известно, оказывают существенное влияние на пластические свойства и трещиностойкость [102, 103]. В данной работе представлен подход к изучению НДС на основе представление структуры как неоднородной среды. Указанный подход реализован на примере волочения стальной проволоки, как одной из наиболее жестких схем нагружения, с неоднородностью структуры в виде неметаллических включений. Исследование проведено методом конечных элементов в программном комплексе SIMULIA АЬ-aqus.
Наличие в катанке равномерно расположенных недеформируемых неметаллических включений повышает максимальные значения интенсивности напряжений в непосредственной близости от включений (рисунок 36 а), что объясняется большим модулем упругости включения относительно материала проволоки [104]. Исследование влияния структуры на развитие трещин [105-107], в том числе с помощью электронного микроскопа [108-111] подтверждают, что неметаллические включения являются концентраторами напряжений и источниками зарождения трещин. При суммарной деформации 58,54 % при протяжке через шестую волоку неметаллические включения препятствуют пластической деформации металла, что приводит к обрыву проволоки (рисунок 36 б).
Распределение интенсивности напряжений с равномерным расположением включений при волочении в шестой волоке (суммарное обжатие 58,54 %): а - образование несплошности в осевой области; б - обрыв проволоки; в - значения интенсивности напряжений соответствующие цветовой гамме, Па Анализ результатов конечно-элементного моделирования процесса волочения с расположением неметаллических включений в поверхностной области обрабатываемой заготовки показывает повышение значений интенсивности напряжений в поверхностной области, что приводит к отслоению поверхностного слоя проволоки (рисунок 37 а) с последующим разрывом (рисунок 37 б) при суммарном относительном обжатии 58,54 в шестой волоке. Расслоение заготовки произошло вследствие превышения предела прочности материала в поверхностной области вблизи включений, являющихся концентраторами напряжений. +1.14е+09 +9.77Є+08 +8.14Є+08 +6.5ІЄ+08 +4.89Є+08 +3.26Є+08 +1.63e+08 +0.00e+00
Распределение интенсивности напряжений с расположением неметаллических включений в поверхностной области при волочении в шестой волоке (суммарное обжатие 58,54 %): а- отслоение поверхностного слоя; б - обрыв проволоки; в - значения интенсивности напряжений соответствующие цветовой гамме, Па Повышенное содержание неметаллических включений в осевой области, по результатам конечно-элементного моделирования, привело к обрыву проволоки в четвертой волоке (рисунок 38) при суммарном уменьшении поперечного сечения 45,34 %.
Наличие в структуре проволоки неметаллических включений приводит к значительному увеличению показатея разрушения после протяжки через третью волоку (суммарное уменьшение поперечного сечения 36,21 %). Дальнейшее развитие разрушения зависит от расположения неметаллических включений [112] по сечению обрабатываемой заготовки (рисунок 39). При наличии равномерно расположенных неметаллических включений по сечению проволоки происходит обрыв при волочении в шестой волоке (суммарное уменьшение поперечного сечения 58,54 %). В случае расположения неметаллических включений в поверхностной области, отслоение поверхностного слоя с последующим обрывом проволоки происходит при протяжке через шестую волоку (суммарное уменьшение поперечного сечения 58,54 %), при этом показатель разрушения существенно выше в сравнении с моделью равномерно расположенных включений. Неметаллические включения в осевой области способствовали обрыву проволоки при волочении в четвертой волоке (суммарное уменьшение поперечного сечения 45,34 %).
Зависимость значений показателя разрушения от относительного обжатия проволоки с различным расположением неметаллических включений: равномерное расположение; расположение в поверхностной области; расположение в осевой области Проведенная работа позволила определить место разрушения и уровень по-врежденности проволоки в зависимости от наличия и расположения неметаллических включений по сечению обрабатываемой заготовки [113]. Повышенное содержание неметаллических включений в осевой области приводит к образованию шейки с последующим обрывом проволоки. При наличии равномерно расположенных неметаллических включений происходит обрыв заготовки без предварительного образования шейки. В случае повышенной концентрации неметаллических включений в поверхностной области происходит расслоение заготовки с последующим обрывом. Максимальное значение показателя разрушения при волочении проволоки без неметаллических включений не превышает 0,5, что свидетельствует об отсутствии значительных структурных повреждений материала. Значение показателя разрушения зависит от расположения неметаллических включений по сечению обрабатываемой заготовки. Наиболее интенсивный рост показателя с 9,6 до 28,8 при волочении через четвертую волоку происходит в конечно-элементной модели с расположением неметаллических включений в осевой области, что приводит к обрыву проволоки. Показатель разрушения при расположении неметаллических включений в поверхностной области 56,87 существенно выше показателя 31,54 конечно-элементной модели с равномерным расположением неметаллических включений.