Розробка математичних моделей і методів розрахунку структурного й напружено-деформованого стану деталей. Визначення методики регулювання структури наплавленого металу. Аналіз рекомендацій зі структури й конструкції багатошарового наплавленого металу.
Аннотация к работе
Дисертаційна робота І.О.Рябцева є завершеною науково-дослідною роботою, яка виконана в період з 1994 по 2010 р.р. в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України за темами відомчого замовлення НАН України: 1.6.1.2.10 (2/10) "Створити високозносостійкі сплави для наплавлення із зміцненням карбідами металів IV і V груп і розробити технології їхнього наплавлення" (1994-96 рр); 1.6.1.2.12 (2/12) "Розробити наукові основи й принципи одержання зносостійкого наплавленого металу високої тріщиностійкості з урівноваженою гетерогенною структурою та дисперсною зміцнювальною фазою глобулярної форми" (1997-1999 рр); 1.6.1.2.2 (2/2) "Дослідити процеси термодеформаційного зміцнення наплавленого металу типу мартенсітностаріючих та дисперсійнотвердіючих сталей і сплавів та створити на цій основі нові матеріали й технології для наплавлення" (2003-2005 рр.); 1.6.1.2.4 (2/4) „Дослідження і розробка матеріалів та технологій наплавлення покриттів з регульованими тріботехнічними властивостями”; цільової науковій програми НАН України «Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями, методів їх зєднання і обробки»: 1.6.1.2.33 (2/33) Дослідити закономірності формування метастабільних структур у сплавах на основі заліза зі зміцненням сульфідними, фосфідними складовими та складовими, що містять вуглець, і розробити на цій основі нові матеріали для наплавлення тріботехнічного призначення.(2002-2004 рр.); 1.6.1.2.32 (2/32) "Дослідити особливості спадкування й формування структури в комплексній системі матеріал для наплавлення-зварювальна ванна-наплавлений метал з метою керування кристалізацією й властивостями наплавленого металу" (2005-2006 рр.); 1.6.1.2.28 (2.28) "Дослідити фізико - металургійні закономірності формування структури та властивостей наплавленого металу при використанні в матеріалах для наплавлення лігатур та порошків на основі евтектичних карбідних композицій" (2007-2011 рр.); цільової комплексної програми НАН України: «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкції, споруд та машин»: 2/38 "Розробити матеріали та енергозбережні технології відновлення та подовження терміну експлуатації великогабаритних деталей обладнання та конструкцій гірничо-металургійного комплексу України з врахуванням їх залишкового ресурсу" (2004-2006 рр.); 2/55 "Вивчення розумів експлуатації та видів зношування інструментів й оснащення для гарячої обробки металів тиском та розробка енергозберігаючих технологій відновлення їх ресурсу" (2007-2009 рр). Ціль дисертації полягає в розробці ефективних методів створення матеріалів і технологій для наплавлення деталей і робочих органів машин і механізмів з високими зносостійкими й втомними властивостями на основі розрахунково-експериментальних методів дослідження наплавленої деталі як багатошарової конструкції, весь цикл існування якої залежить як від особливостей і взаємодії складових його окремих процесів, включаючи виготовлення деталі, її наступну експлуатацію й одно-або багаторазове відновне наплавлення, також і від конструкційних особливостей, властивостей та взаємодії шарів, які складають таку деталь. провести аналіз особливостей структурного й напружено-деформованого стану, а також властивостей наплавленої деталі в процесі її виготовлення, експлуатації й одно-або багаторазового відновного наплавлення з метою досягнення розуміння процесу "існування" деталі в цілому як результату взаємодії складових його окремих процесів; розробити математичні моделі і методи розрахунку структурного й напружено-деформованого стану деталей у цілому при одно-і багатошаровому наплавленні та у процесі експлуатації, що враховують механічні і термічні експлуатаційні навантаження й циклічність їхнього прикладання та які дозволяють оцінити втомну міцність наплавлених деталей залежно від їхньої конструкції, технології наплавлення, використаних для наплавлення матеріалів і умов експлуатації; розробити рекомендації зі структури й конструкції багатошарового наплавленого металу, створити й удосконалити наплавні матеріали й розробити технології наплавлення деталей, що експлуатуються в умовах різних видів зношування й циклічних механічних або термомеханічних навантажень.3, в), при якій відновлюється форма зуба та замінюється наплавленим металом ушкоджена частина зуба в зоні концентратора напружень. IMG_02570f3b-db8c-4dcc-a4af-36e51092344e у крапці максимуму циклічного нагруження будуть наступні напруження: IMG_86fdb61b-48ce-4b53-a8f8-63f1bc4a5795 , IMG_e7707b51-1c95-412b-a425-d4ea22a9cf38 , IMG_8910f93a-4389-47b2-8b27-5863a1acced6 При наплавленні по відновно-зміцнювальній схемі (див. рис. Для перевірки розрахункових даних були проведені експериментальні дослідження втомної міцності зразків зі сталі 35ХМ без наплавлення й наплавлених за відновною й відновно-зміцнювальній схемах (рис. Попередньо циклічно навантажені зразки (105 циклів), які потім були наплавлені за відновно-зміцнювальній схемою, мають на порядок біль
Список литературы
За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 4 монографії, 1 довідковий посібник, 46 статей у науково-технічних журналах і збірниках праць, 16 тезисів доповідей на науково-практичних конференціях і семінарах, отримано 3 авторських свідоцтва СРСР та 4 патенти України.
Особистий внесок автора полягає в розробці наукових основ підвищення методами наплавлення ресурсу експлуатації деталей, що працюють в умовах різних видів зношування й циклічних механічних або термомеханічних навантажень, й впровадження цих методів в виробництво. Нові матеріали й технології наплавлення, основні наукові положення, висновки й рекомендації, які виносяться на захист, сформульовані й розроблені автором самостійно.
Основні результати дисертаційної роботи викладені автором одноособово в одній монографії й в 10 опублікованих статтях, в одній монографії й довідковому посібнику з часткою участі 50 %, у двох монографіях з часткою участі 30 %; в інших роботах частка автора становить не менш 35 %.
Структура й обсяг дисертації.
Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Дисертація має загальний обсяг 254 стор. машинописного тексту, включаючи 126 малюнків, 39 таблиць, список літератури з 228 найменувань на 14 стор. і додатків.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й науково-технічні завдання, які необхідно було вирішити в ході виконання роботи, описані обєкт і методи досліджень, апробація роботи, наведені наукові й практичні результати дисертації, визначений особистий внесок автора.
У першому розділі проведений аналіз особливостей ушкодження й руйнування деталей, що експлуатуються в умовах різних видів зношування й циклічних механічних або термомеханічних навантажень. Дано характеристику й сучасну класифікацію основних видів зношування. Докладно проаналізовані механізми втомного руйнування при циклічному механічному або термічному навантаженні й роль окремих факторів, що впливають на ці механізми. Особлива увага приділена впливу на ці властивості хімічного складу й структури наплавленого металу.
Проблемам наплавлення деталей, що працюють в умовах різних видів зношування в поєднанні із циклічними механічними або термомеханічними навантаженнями, були присвячені дослідження І.І.Фруміна, І.К.Походні, В.І.Махненка, Б.І.Медовара, Т.Г.Кравцова, М.А.Тилкіна, Ю.А.Юзвенка, П.В.Гладкого, Ф.Д.Кащенка, В.В.Чигарьова, Г.В.Ксендзика, І.О.Кондратьєва, Л.Б.Медовара, В.О.Наливкіна та ін. учених. У роботах В.І.Махненка, Т.Г.Кравцова, П.В.Гладкого із співробітниками були розроблені методи розрахунку напруженно-деформованого стану циліндричних деталей при їхньому наплавленні різними матеріалами. Однак у ціх дослідженнях не виконувались розрахунки втомной міцності наплавлених деталей. Оцінка їх втомной міцності робилась за результатами іспитів наплавлених зразків-імітаторів. У більшості інших досліджень основна увага приділялася властивостям наплавних матеріалів і наплавлених шарів, їхньому хімічному складу й структурі. В них не розглядався вплив наплавлення на загальний напружено-деформованій стан деталі в цілому, як правило, не простежувалася зміна структури й властивостей деталі в процесі експлуатації. деталь наплавлений метал
З огляду на складність проблеми наплавлення деталей, що експлуатуються в таких умовах, необхідно розробити нові підходи до її рішення. Деталь, що наплавляється, необхідно розглядати як багатошарову конструкцію. Кожний із шарів такої деталі має свій хімічний склад, структуру, теплофізичні й механічні властивості й вносить свій внесок у напружено-деформований стан деталі в цілому. Відповідно, всі шари, у тому або іншому ступені, впливають на експлуатаційні властивості деталі, строк її служби й можливість багаторазового відновного наплавлення.
Експериментальні дослідження зносостійкості, втомної механічної й термічної міцності вимагають значних витрат часу й матеріальних ресурсів. Із цієї причини ставиться завдання розробити математичні моделі і методи розрахунку напружено-деформованого й мікроструктурного стану деталей при наплавленні та наступній експлуатації при зношуванні і циклічних механічних або термомеханічних навантаженнях. Моделі повинні враховувати техніку й технологію одно- і багатошарового наплавлення, хімічний склад і структуру наплавлених шарів, їх механічні й теплофізичні характер-ристики та геометричні розміри. Точність розрахунків по запропонованим моделям і методикам необхідно підтвердити відповідними експериментальними дослідженнями.
На закінчення розділу сформульована мета роботи та намічені ті науково-технічні завдання, які необхідно вирішити для її досягнення.
Другий розділ присвячений розробці математичних моделей і методик розрахунку напружено-деформованого й структурного стану деталей у процесі виготовлення та наступної експлуатації в умовах зношування та циклічних механічних або термомеханічних навантажень. Для розуміння процесу в цілому розроблена блок-схема моніторингу стану деталі в ході всього циклу її "існування", що включає наступні моделі: початкового стану, у тому числі, напруженно-деформованого й структурного стану деталі при виготовному наплавленні; еволюції службових і структурних параметрів у процесі експлуатації; зношування; накопичення пошкоджуваності; відновного наплавлення.
При розрахунку за розробленою методикою моделюються термомеханічні процеси при одно- і багатошаровому наплавленні деталей з використанням теорії зростаючих термовязкопластичних тіл і чисельного методу кінцевих елементів (МКЕ). Для розрахунку окремих складових структури використовуються термокінетичні діаграми розпаду аустеніту відповідних сталей. Термомеханічна поведінка матеріалу описується за допомогою модифікованої моделі Боднера-Партома. Загальна постановка завдання конкретизується при оцінці напружено-деформованого й мікроструктурного стану стосовно до плоских і циліндричних деталей, відповідно в плоскій й вісєсиметричній постановках.
Розгорнута постановка завдання для вісєсиметричного випадку в циліндричній системі координат Orz? включає наступні кінематичні рівняння: деформації:
IMG_577b92e6-26a3-4b77-b726-9121d57da792 - вектор одиничної зовнішньої нормалі; c0 - універсальна постійна Стефана, c - коефіцієнт чорності матеріалу деталі й наплавленого шару;
IMG_097ee92b-0574-49de-95bf-c72636c51c3a розглядається як поверхня нарощування й відповідно до теорії зростаючих тіл на ній задається не вектор зусиль, як у класичній постановці, а всі компоненти тензора напружень. Крім того, задається температура наплавленого металу
IMG_974c630e-bb21-4805-a2fe-9b3e22d5ef5b . З урахуванням умови
IMG_02098989-908f-4fc6-b05a-968677d7b34e для розплавленого металу маємо:
IMG_a6b7b05c-0401-4dde-88dc-1bfb45b4dbae на
IMG_ebd24a46-524b-4e60-a507-fa2104c0ae6e ,
IMG_a708048d-0aff-4400-a672-de4b24184683 (або
IMG_959625f4-bb52-429c-b44a-7c56286b5975 ). (5)
Термомеханічне поводження матеріалів у зварювальних процесах може описуватися різними моделями. Вони повинні давати оцінки поточного й залишкового напруженно-деформованого стану наплавленої деталі, які необхідні для прийняття інженерних і технологічних рішень. Добрі результати дають уніфіковані моделі, у яких ураховуються такі властивості як повзучість, релаксація напружень, ізотропне й спрямоване зміцнення, залежність межі текучості матеріалу від швидкості деформації та т.п. у рамках єдиної системи рівнянь. Ці моделі дозволяють ураховувати процеси, що протікають при експлуатації наплавленої деталі. Однієї з них є використана в даній роботі модель Боднера-Партома, що базується на наступних положеннях: - гіпотеза аддитивності тензора сумарної деформації:
IMG_24e44b3b-4c8b-444c-9de4-bb5b99bf614e ; (6)
- закон Гука для ізотропного матеріалу:
IMG_e1ec86b8-cddd-4f3f-8481-9a03a64fa006 ; (7)
- закон течії Прандтля-Рейсса з урахуванням нестисливості для непружної деформації:
IMG_113ebd2a-0212-4a5b-ad51-1f028b5b3920 (8)
- рівняння еволюції для параметра ізотропного зміцнення
IMG_cc3bc395-1cc2-446e-804e-d76e7053fcc7 :
IMG_f1b52356-2046-4529-aa2f-4062c2af7939
IMG_3aad2e8e-c965-4f36-b3a7-9ae4d565a1df (9) де
IMG_a623debe-1bc1-4863-84ba-c31a652b106f ,
IMG_e56b4276-f90d-40c7-8ace-43b3102e3110 і
IMG_5721932d-69ed-494c-a476-9166fc24baf0 - пружні, непружні й теплові складові деформації, а в умовах структурних перетворень
IMG_fadba8a2-fa36-4eb0-b45c-92ffabcf5628 - термоструктурна деформація, обумовлена нижче рівнянням (13);
IMG_5f735261-4719-40d8-b76f-a8d92d88e760 і
IMG_3ae23bd3-8c2c-484d-ad45-d1dd0f0a636c - девіатори тензорів напружень і деформацій;
IMG_b1a8cb54-10ea-4290-b397-fdf8f4efd5af і середня нормальна напруга
IMG_d07ae2db-8def-4d53-a4dd-817d3e27a0bd .
У даній роботі використовується новий підхід до моделювання зростаючих тіл, які складається в тому, що побудована кінцево-елементна сітка покриває як саму деталь, так і всі шари, що будуть наплавлятися у майбутньому. У приповерхневому нарощуваному шарі для всіх елементів сітки визначальні рівняння (6-9) індивідуалізуються тими конкретними значеннями деформації
IMG_84f36959-6ebf-41fb-9bc3-aa86814de8d5 й температури
IMG_6c3ed358-e169-4dfb-9012-08d7ecfa56bd , при яких відбувалося їхнє заповнення.
Для розрахунку концентрації фаз у процесі наплавлення й наступної експлуатації використовували вдосконалену методику, яка відома по роботах В.І.Махненка, О.Г.Касаткіна, Дж.Ієди та ін. У моделі, що враховує структурні перетворення, окремі складові структури позначені індексом
IMG_f4eaea03-cbf6-4197-8590-d0aeeccc606c ) і мартенсит (
IMG_c388f480-b878-4496-bef5-daf8a3b2700a ), а символом
IMG_4d42b5fe-39a1-42e0-8ab1-e4096df30d31 позначені їхні обємні частки. Для них виконуються співвідношення:
IMG_860cd355-7c82-46a1-a5a3-86fc0baff0e2 (10)
Звязок напруг і деформацій підкоряється закону Гука:
IMG_7b01fa28-9131-4d82-ae8c-41695059be2c (11)
IMG_e9191695-1a0d-42d4-b483-c86c724038c5
Перші два рівняння відносяться до основного матеріалу, останні два - до матеріалу, що наплавляється.
Термоструктурна деформація
IMG_0e036c58-cf7b-477c-a81b-d44b6b86c478 визначається через питомі обсяги фаз
IMG_c4ac4a84-72bd-460f-855f-fd102d940a57 :
IMG_8e4120c9-d77d-49f8-8ec8-6a06d62ba272 . (12)
На рис. 1 у якості прикладу наведено термокінетичну діаграму (ТКД) сталі 35ХМ з кривими охолодження з різними швидкостями. Суцільні жирні лінії обмежують області фазових перетворень (ОФП): А - F - аустеніт - ферит; А - Р - аустеніт - перліт; А - В - аустеніт - бейніт; А - М - аустеніт - мартенсит. Тонкі лінії відповідають експериментальним траєкторіям охолодження зразків (ТКД-траєкторії). Пунктирною лінією показана деяка довільна траєкторія охолодження. Цифрами показані відсотки вмісту перліту
IMG_a1462485-2a2e-433f-8111-b7b550617dc3 й бейніту
IMG_9e4f6522-fee3-4993-846c-4e270a9897e8 , що відповідають ТКД-траєкторіям при виході з ОФП.
Нехай
IMG_bae99d31-e503-447c-9c36-7191ec24f573 - поточні значення концентрації фаз, тоді відсоток залишкового аустеніту для будь-якої крапки ТКД-траєкторії визначається по формулі:
IMG_a65e2053-17bc-46bf-b5eb-e7749d92f9fd .
Перетворення аустеніту в перліт або бей-розпаду аустеніту сталі 35ХМ
IMG_b6c9e057-13e3-49ce-ad1e-3f3408a62b7f
IMG_97c4b829-bc10-4e8d-a72d-7b49697e63fd
Рис. 1. Термокінетична діаграма при проходженні ОФП і після закінчення проходження характеризує показник:
IMG_006fcaaa-44b3-43bd-8f92-b8c682e56fce ;
IMG_b96953b1-f29f-42c5-b433-bd90cf43804b ;
IMG_3b474a50-2a9d-488e-bdd2-e76061d04232 , (13) де
IMG_cf6c3d14-065c-4c2f-9021-e511f106a278 - відсоток вмісту нової фази при виході з ОФП, а
IMG_bda3d750-6d52-493f-a280-87011e741726 - відсоток аустеніту при вході в неї. Індекси
IMG_99c75efe-6ada-4a02-9ba4-40d93c4741d2 й
IMG_0f8548a4-9732-4e58-b77a-d842b0880789 відповідають величинам на вході й виході з ОФП, відповідно. Закон накопичення нової фази уздовж відрізків ТКД-траєкторій, приналежних областям фазових перетворень, апроксимується виразом:
IMG_8137390e-ebb0-4e82-b279-db67bc7d4239 , (14) де
IMG_ffae39f9-76c2-4542-b505-7bae468d9632 - температури початку й кінця перетворення;
IMG_323a66b8-d1e4-45b8-a6db-3ac43f52421f - максимальне значення нової фази для даної траєкторії.
Дана методика враховує закон накопичення фази уздовж ТКД-траєкторій, тобто, збільшення фази залежить від уже накопиченого значення. Кількість фази, накопиченої на цій ділянці до
IMG_1c6b7e15-d6dd-4626-9a08-ad13e6d73674 -го моменту часу, визначається по формулах:
IMG_651c2dda-c837-42a1-aee7-f35f188b7c9f ,
IMG_e1e20858-5a6b-4e94-9ba5-945c1fef4f45 , (15) де
IMG_776527b4-f832-4a4a-b639-512d2b8f897c - відносна кількість фази, накопичена на
IMG_e7f2a1e9-e0e6-4e65-b869-32167908ca3e -ної простій ділянці до
IMG_254b9992-a542-4b47-8b31-ee47c4e3f214 моменту часу,
IMG_703ce025-ae13-414a-8d6f-014a785eb496 - збільшення кількості фази за час
IMG_c1d29fb5-c88c-428f-9ac1-4c37f1a4305d .
Для визначення параметрів моделі термо- вязкопластичності Боднера-Партома використовуються діаграми розтягу для ряду температур відповідному термічному циклу наплавлення для двох швидкостей деформування. Як приклад на рис. 2 показані діаграми розтягу для сталі 35ХМ. Значення параметрів моделі Боднера-Партома залежно від температури для цієї сталі наведені в табл. 1, а теплофізичні й механічні характеристики матеріалів залежно від температури в табл. 2. Табличні дані використовуються для розрахунків при довільних температурах методом інтерполяції. Характеристики матеріалів для температур
IMG_1996eab7-6124-4ea3-a093-33512cb0b96d при розрахунках приймаються постійними.
IMG_a7ffcda7-0e81-42cd-917e-a76bcba06128
IMG_9ef4c740-8877-4eed-a6c6-472c6e0723d3
Рис.2. Діаграми розтягу сталі 35ХМ при різних температурах: 1 - 20 °С; 2 - 400 °С;
Аналогічні дані отримані для інших матеріалів, які використовуються у роботі. 3 - 600°С; 4 - 800°С. Штрихові лінії - розрахункові дані, суцільні - експериментальні.
Таблиця 1. Параметри моделі Боднера-Партома для сталі 35ХМ залежно від температури.
IMG_493396bf-f5f8-4ac5-a40f-1c47756128fe
IMG_67460093-a451-45b5-9d12-44c4d97ad1aa
IMG_db2be1d7-3325-499a-9ba2-2891cf3a0bde
IMG_5c08a6d4-9142-4b4e-af46-c4f5c86507e4
IMG_0ec997b1-3cc2-4e75-a514-5ae4d54c8f86
201,200,1537205520
4001,030,5036205320
6000,801.0032004400
8000,510,022002700
Таблиця 2. Механічні й теплофізичні характеристики стали 35ХМ залежно від температури.
IMG_5f838b58-accc-44b4-a00b-83e3914bcaea
IMG_b9227f48-3be8-44b7-9440-ff23f1ff789e
IMG_050d27cb-8e60-421a-a85d-42c8955a754f
IMG_a2cc6781-0370-4bf4-8734-67d2843e0293
IMG_5fb6c9e9-93b4-4a26-91a8-d844ee50dfd7
IMG_ce05329d-89d7-48d9-be55-b4e7662f98b8
IMG_bd4ec64a-e87c-4298-bdee-5c1e1701e9e2
202,10998110843,23,612,3
1002,05983110843,23,812,3
3001,95896106236,04,3412,5
5001,7779895329,75,2414,2
6001,6472379226,86,0214,4
8001,3044348226,86,0214,4
Завдання про напружено-деформований і структурний стан наплавленої деталі вирішуються чисельно за допомогою методу кінцевих елементів, що використовує Лагранжевє варіаційне формулювання. Для рішення варіаційного завдання використовується восьмивузловий ізопараметричний чотирикутний елемент. Для чисельного рішення завдань подібного типу розроблені відповідні компютерні програми.