Исследование и моделирование процессов деформации листового проката стабильных и метастабильных сталей

П Материалы и методики исследования.32.

П. 1 Исследуемые стали.32.

П. 2 Методыиспытаний.33.

П. 2.1 Растяжение.33.

П. 2.2 Знакопеременный изгиб.34.

П. 2.3 Знакопеременный изгиб под натяжением.36.

П. 2.3.1 Протяжка через захват.36.

П. 2.3.2 Формование изделия «Омега».39.

П. 3 Методики исследования.40.

П. 3.1 Оценка зеренной структуры.40.

П. 3.2 Измерение твердости.41.

П. 3.3 Рентгеноструктурный анализ.42.

П. 3.4 Дилатометрический анализ.43.

П. 4 Разработка аналитической модели и программного обеспечения расчета процесса деформации изгибом с натяжением.44.

П. 4.1 Общие принципы и допущения моделирования.44.

П. 4.2 Алгоритм моделирования протяжки через захват.48.

ПАЗ Алгоритм моделирования формования изделия «Омега».70.

П. 4.4 Описание поведения материала.78.

П. 4.4.1 Монотонная нагрузка.78.

П. 4.4.2 Знакопеременная нагрузка.80.

П. 5 Заключения по разделу: принятие моделью в расчет структурных и фазовых переходов .83.

Ш Результаты и обсуждение.85.

Ш. 1 Экспериментальное исследование структурных процессов деформации в зависимости от состава, исходной структуры и условий деформации.85.

Ш. 1.1 Общие для всех материалов тенденции.85.

Ш. 1.2 Ферритная сталь.87.

Ш. 1.3 Ферритная микролегированная сталь.88.

Ш. 1.4 Сталь с ферритно-бейнитной структурой.89.

Ш. 1.5 Аустенитная сталь.90.

Ш. 2 Термическая стабильность размера и формы образцов.96.

Ш. З Протяжка через захват стали с интенсивным мартенситным превращением под нагрузкой.101.

Ш. 4 Моделирование эталонных испытаний.102.

Ш. 4.1 Знакопеременный изгиб.102.

Ш. 4.2 Протяжка через захват.107.

Ш. 4.3 Формование изделия «Омега».112.

Ш. 5 Заключения по разделу: оценка границ применимости моделей и рекомендации по выбору условий деформации, методов испытаний и расчетов для различных сталей.122.

Выводы.126.

Список использованной литературы.128.

Приложения.132.

Приложение 1. Дифрактограммы исследованных образцов.132.

Приложение 2. Дилатограммы исследованных образцов.139.

Моделирование процессов формообразования листового материала в настоящее время применяется всё чаще. Моделирование позволяет избежать метода «проб и ошибок» при подборе условий и технологических режимов на промышленных установках. Однако любым расчетным моделям необходимы надежные входные данные, и если такие данные, как размеры инструмента, силы пресса и другие технологические параметры, поддаются непосредственному измерению, то параметры материала гораздо сложнее привести к виду, пригодному для использования математической моделью. Описание поведения материала, особенно при сложных нагрузках, представляет собой наибольшую трудность при моделировании. Так, например, при глубокой вытяжке часто имеет место знакопеременное воздействие на материал — он изгибается, затем перегибается в противоположную сторону, и в то же время претерпевает растяжение. Такой цикл может повторяться несколько раз, причем с изменением амплитуды нагружения.

В этой связи исследование структуры и свойств материала и моделирование его поведения при сложных знакопеременных нагрузках представляет собой весьма актуальную задачу, решение которой направлено на оптимизацию технологических режимов получения металлопродукции с заданными свойствами.

Цель диссертационной работы — изучение изменения структуры и свойств листового проката сталей различных классов при эталонных испытаниях штамповки (протяжка через захват, формование «Омега»), и разработка математических моделей, описывающих эти опыты с учетом экспериментально обнаруженных закономерностей. Модели должны предсказывать силы пресса и поля напряжений и деформаций, как функцию свойств материала, технологических параметров и геометрии инструмента.

Основные задачи, которые решались для поставленной цели, можно сформулировать следующим образом:

1. Критический анализ существующих моделей и методов расчета деформации знакопеременным изгибом с натяжением.

2. Исследование структурных процессов, изменения фазового состава, текстуры, механических свойств сталей при холодной знакопеременной деформации.

3. Сравнение структуры, текстуры и свойств материала в различных зонах листовой заготовки и анализ взаимного влияния механики процесса и материаловедческих факторов: состава и структурного состояния стали.

4. Алгоритмическая и программная реализация метода расчета полей напряжений и деформаций в стационарном (протяжка через захват) и нестационарном (штамповка изделия «Омега») режимах.

Внсдсиис.

5. Обоснование работоспособности и достоверности модели по результатам расчетно-теоретических и экспериментальных эталонных и тестовых испытаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• предложена и обоснована новая математическая модель итеративного расчета, применение которой позволяет рассчитать поля напряжений и деформаций, конечную форму изделия, величину упругого последействия заготовки, а также силовые характеристики процесса;

• разработаны 2 единицы уникального алгоритмического и программного обеспечения, реализующие предложенный метод математического моделирования;

• установлены границы применимости предложенной математической модели на основе экспериментальных данных о структурных процессах и изменении свойств деформируемых сталей различных классов.

Практическую ценность результатов работы представляют рекомендации по применению разработанной модели и созданные компьютерные программные средства, внедренные на предприятии SOLLAC Lorraine (Франция).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности процессов деформационного упрочнения холоднодеформированных сталей в зависимости от режима деформации и структурного состояния стали.

2. Результаты изучения эволюции структуры стабильных и метастабильных сталей в ходе холодной знакопеременной деформации изгибом с натяжением.

3. Разработанная математическая модель деформации знакопеременным изгибом с натяжением, и ее применение к описанию эталонных испытаний штамповки (протяжка через захват отборговкой, штамповка изделия «Омега»).

4. Рекомендации по выбору рациональных режимов деформации для достижения высокого комплекса механических и эксплуатационных свойств.

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:

• XVI Конгресс механики франкоговорящих стран, Франция, г. Ницца, 2003 г.;

• VII Международный конгресс по формованию материалов (ESAFORM), Норвегия, г. Тронхейм, 2004 г.

По теме диссертации опубликовано 5 работ. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 144 страницы текста, 80 рисунков, 12 таблиц и 81 наименование библиографии.

Выводы.

1. Предложена и обоснована модель расчета деформации знакопеременным изгибом с натяжением, применение которой позволяет рассчитать поля напряжений и деформаций, конечную форму изделия, величину упругого последействия заготовки, а также силовые характеристики процесса.

2. Установлены границы применимости предложенной модели на основе экспериментальных данных о структурных процессах и изменении свойств деформируемых сталей различных классов. Так, показано, что деформации поверхностных волокон моделируемого материала при знакопеременном изгибе не должны превышать значение равномерного удлинения, полученное при монотонном растяжении. Кроме того, моделируемый материал не должен испытывать фазовых превращений как при монотонном растяжении, так и при знакопеременной деформации. Если же превращения имеют место, то в первом случае (как для аустенитной стали Г) входные данные модели (прежде всего, зависимость <тг=/(&euro-])) не соответствуют реально происходящим при знакопеременном изгибе процессамво втором случае (как для аустенитно-мартенситной стали Д) основные рабочие гипотезы модели теряют свою правомерность. Вне границ применимости модель следует воспринимать как инструмент оценочного расчета для получения скорее не количественных, а качественных зависимостей.

3. Результаты экспериментальной части работы свидетельствуют о преобладании в рассматриваемых ферритных сталях изотропного деформационного упрочнения при знакопеременном изгибе. Этот факт косвенно подтверждается и расчетами, результаты которых сильно зависят от выбора типа деформационного упрочнения материала. Так, если в модели используется модель кинематического деформационного упрочнения, различие между экспериментальными и расчетными данными всегда выше, чем при использовании модели изотропного упрочнения. В целом, при использовании гипотезы об изотропном упрочнении расчётные значения силовых характеристик процесса протяжки через захват достаточно хорошо описывают экспериментальные данные в широком диапазоне входных условий. Использование этой гипотезы для предсказания упругого последействия изделия «Омега» из ферритно-бейнитной стали также в большинстве случаев дает достаточно хорошие результаты.

4. Качественно влияние характеристик инструмента однозначно — чем выше «суровость» испытания (т.е. чем меньше радиус изгиба или расстояние между.

Выно, заплечиками), тем сильнее упрочнение материала и тем однородней профиль остаточных деформаций, и тем меньше остаточная кривизна заготовки. В особенности это касается ферритной стали (сталь А), отличающейся меньшей исходной прочностью по сравнению с остальными исследуемыми материалами. Она характеризуется и меньшим уровнем остаточных макронапряжений, и меньшим уровнем микронапряжений, уравновешенных в микрообъёмах внутри зерна. Это ведет к меньшим поводкам (последействию) после деформации и к большему упрочнению, достигаемому при одинаковых деформациях.

5. Обнаружено влияние протяжки через захват на термическую анизотропию изменения размеров исследуемых материалов. Для всех исследуемых материалов знакопеременный изгиб приводит к более изотропному состоянию, по сравнению с испытанием на растяжение.

Список исио-тькшапной .imqxmpi, i.