СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И СПЛАВАХ
METHOD FOR DETERMINING STRENGTH CHARACTERISTICS AND VALUE OF GRAIN IN METALLIC MATERIALS AND ALLOYS

Изобретение относится к области моделирования технологических процессов, в частности к моделированию методами конечно-элементного (МКЭ) анализа горячего пластического деформирования металлических материалов и сплавов в процессах обработки металлов давлением (ОМД). Данный способ может применяться при проведении научных исследований и в промышленности.
Известен способ определения прочностных характеристик и величины зерна в металлических материалах и сплавах, включающий изготовление заготовки, се нагрев, деформацию, охлаждение, определение полученного напряженно-деформированного состояния и распределение полученного размера зерна (см. напр. DE 2005014221, МПК B21J 5/00 от 05.10.2006)
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет получать образцы с различной микроструктурой, размером зерна для определения, в результате моделирования горячего пластического формоизменения металлических материалов и сплавов, величин прочностных характеристик, таких как прочность, твердость, пластичность, и размера зерна в образцах в зависимости от степеней их деформации и режимов охлаждения, включающих начальную температуру и скорость охлаждения.
В основу изобретения поставлена задача получить образцы с различной микроструктурой, размером зерна для определения в результате моделирования горячего пластического формоизменения металлических материалов и сплавов, величин прочностных характеристик, таких как прочность, твердость, пластичность, и размера зерна в образцах в зависимости от степеней их деформации и режимов охлаждения, включающих начальную температуру и скорость охлаждения.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения прочностных характеристик и величины зерна в металлических материалах и сплавах, включающем изготовление заготовки, ее нагрев, деформацию, охлаждение, определение полученного напряженно-деформированного состояния и распределение полученного размера зерна, напряженно-деформированного состояния испытываемых заготовок, для экспериментальных исследований изготавливают не менее двух заготовок клиновидной формы и после их нагрева до различной температуры производят деформацию каждой заготовки методом продольной прокатки начиная с узкого конца, а охлаждение производят на различных скоростях охлаждения для обеспечения формирования различных прочностных характеристик и размера зерна, каждую заготовку разделяют не менее чем на два образца, определяют металлографическими исследованиями размер зерна, испытаниями на прочность механические характеристики каждого образца, которые зависят от природы материала образца, температуры при проведении деформации и скорости охлаждения и разрабатывают математическую модель, в которой совмещают результаты экспериментальных исследований и расчеты.
Поскольку для экспериментальных исследований изготавливают не менее двух заготовок клиновидной формы и после их нагрева до различной температуры производят деформацию каждой заготовки методом продольной прокатки начиная с узкого конца, а охлаждение производят на различных скоростях охлаждения для обеспечения формирования различных прочностных характеристик и размера зерна, каждую заготовку разделяют не менее чем на два образца, определяют металлографическими исследованиями размер зерна, испытаниями на прочность механические характеристики каждого образца, которые зависят от природы материала образца, температуры при проведении деформации и скорости охлаждения и разрабатывают математическую модель, в которой совмещают результаты экспериментальных исследований и расчеты напряженно-деформированного состояния испытываемых заготовок, обеспечивается получение образцов с различной микроструктурой, размером зерна для определения в результате моделирования горячего пластического формоизменения металлических материалов и сплавов, величин прочностных характеристик, таких как прочность, твердость, пластичность, и размера зерна в образцах в зависимости от степеней их деформации и режимов охлаждения, включающих начальную температуру и скорость охлаждения.
На фиг.1 показана клиновидная заготовка; на фиг.2 - схема прокатки клиновидной заготовки; на фиг.3 - клиновидная заготовка после продольной прокатки; на фиг.4 - схема выреза образцов из деформированной заготовки; на фиг.5 - результаты испытаний образцов на растяжной машине типа Instron; на фиг.6 - результаты моделирования прокатки клиновидной заготовки, где а) распределение деформаций, б) распределение температур.
Заявленный способ определения прочностных характеристик и величины зерна в металлических материалах и сплавах осуществляют следующим образом.
Для экспериментальных исследований изготавливают не менее двух заготовок клиновидной формы (фиг.1) из металлического материала или сплава. На боковой поверхности каждой клиновидной заготовки через равные промежутки наносят вертикальные насечки для определения в последующем распределения степени деформации по длине заготовки после прокатки. После нагрева заготовок до различной температуры производят деформацию каждой заготовки методом продольной прокатки начиная с узкого конца, который выполнен под углом α (фиг.2). Чем больше угол α, длипа заготовки L и соответственно ее толщина Н, тем большая величина степени деформации может быть реализована в ходе одного эксперимента. Охлаждение деформированных заготовок (фиг.3) производят на различных скоростях охлаждения для обеспечения формирования различных прочностных характеристик и размера зерна. Каждую деформированную заготовку (фиг.4) разделяют не менее чем на два образца и на растяжной машине, например Instron, автоматически определяют значения пределов текучести и прочности в зависимости от условий иагружения (фиг.5). Эти механические характеристики зависят от природы материала образца, его напряженно-деформированного состояния, температуры в ходе деформации и скорости охлаждения. Металлографическими исследованиями определяют размер зерна.
По результатам испытаний строится функциональная зависимость:
D=Dб*Km*Kε*Kτ, где
D - расчетный параметр, например размер зерна, предел прочности и др.;
Dб - расчетное значение параметра при базовых значениях температуры деформации, степени деформации и скорости охлаждения;
Km, Kε, Kτ - поправочные коэффициенты, корректирующие базовую величину D в зависимости от соответственно температуры, степени деформации и скорости охлаждения.
Затем выполняют конечно-элементное математическое моделирование процесса прокатки заготовок клиновидной формы, например, в программе DeForm 3D. Параметры моделирования - контактное трение, геометрия зоны очага деформации, температурно-скоростной режим выбираются таким образом, чтобы в результате получить модель максимально приближенную к реально деформированной заготовке. Результатом моделирования является численная картина распределения напряженно - деформированного состояния по объему образца (фиг.6а и 6б).
На заключительном этапе создают математическую модель, которая совмещает результаты экспериментов и расчеты напряженно-деформированного состояния испытываемых заготовок, то есть результаты физических исследований такие как прочность, твердость, пластичность, полученные в зависимости от степени деформации и условий охлаждения с картиной распределения напряженно-деформированного состояния полученной методами конечно-элементного математического моделирования.
Предложенный способ позволяет снизить количество физических экспериментальных исследований за счет использования заготовок клиновидной формы, не требует изготовления специального оборудования и инструмента, имеет низкую себестоимость, а качество итоговых данных обладает высокой точностью и обеспечивает решение поставленной задачи.