Компьютерный анализ фазовых превращений при термической обработке отливок

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ОТЛИВОК

превращение твердофазный заготовка фасонный

В.М. Голод, профессор кафедры физико-химии

литейных сплавов и процессов СПбГПУ

Технологический процесс термической обработки включает в себя различные виды отжига, закалку и отпуск. Для программированных режимов, в частности, для наиболее сложного процесса - закалки, необходимо применительно к конкретному изделию рассчитать нагрев и охлаждение с учетом характера среды для закалки, что представляет собой наибольшие трудности. При необходимости прогноза структуры изделия обычно используют термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита (ССТ-диаграммы), при этом, как правило, рассматривают экспериментальные диаграммы, так как их расчет представляет значительные трудности, до сих пор не преодоленные. Моделирование термической обработки сопряжено с анализом и решением ряда задач, в числе которых можно выделить наиболее сложные для технологической реализации:

· расчет нагрева и охлаждения с учетом лучистого и конвективного теплообмена фасонной заготовки со стенками и подом печи (задача многих тел) при изменении теплофизических свойств металла;

· моделирование кинетики неравновесного твердофазного превращения (по перлитному, бейнитному или мартенситному механизму) в широком интервале температур;

· расчет охлаждения заготовки при закалке в среде с резким изменением конвективного коэффициента теплоотдачи (в условиях кризиса кипения) на поверхности в условиях неравномерного распределения температур и теплового эффекта неравновесного фазового превращения по сечению заготовки, зависящего от характера образующейся структуры;

· прогноз структуры и механических свойств в объеме изделия сложной конфигурации на основе результатов моделирования и эмпирических данных об особенностях поведения рассматриваемой марки стали.

Перечисленные задачи относятся к числу системно-сопряженных и их реализация страдает некорректной постановкой в силу неизбежного упрощения формулировки и неполного информационного обеспечения, требующего использования методов решения обратных задач.

Программный комплекс для проведения моделирования термической обработки включает модули, обеспечивающие численное решение трехмерной нестационарной задачи теплопроводности применительно к комбинированным (конвекция и излучение) нестационарным условиям на зонированных граничных поверхностях для тел произвольной конфигурации. Ввод исходных данных для расчета обеспечивают модули определения свойств стали (на основе термодинамического моделирования фазовых превращений в твердом состоянии и диаграмм распада аустенита), задания режимов нагрева и охлаждения, а также ввода характеристик термических агрегатов (печи, закалочные ванны, аэраторы и т.д.).

Рис. 1. Температурная зависимость коэффициента теплоотдачи для воды (1) и водного раствора полимерной композиции ПК-М различной концентрации: 2-1:17; 3-1:13; 4-1:9 (свежий); 5-1:9 (рабочий)

Для описания сложных процессов взаимодействия закалочной жидкости с нагретым до высокой температуры изделием разработан программный модуль решения обратной задачи на основе сопоставления расчетных температур в контрольных точках изделия с экспериментальными данными термического анализа в тех же точках. Он предназначен для решения широкого круга задач по информационному обеспечению моделирования режимов термообработки, в частности, для определения температурно-зависимых коэффициентов теплоотдачи, а также описания кинетики твердофазных превращений.

На основе результатов серии экспериментов со специальным термозондом (констукции фирмы ПОЛИТЕРМ-Тюмень) из хромоникелевой стали для регистрации охлаждения в воде, масле и водополимерных жидкостях, являющихся альтернативной заменой дорогостоящих масел, были выполнены численные расчеты, позволившие путем решения обратной задачи получить

Рис. 2. Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные (пунктир, штрих-пунктир) термические кривые изменения температуры на поверхности (1) и в осевой зоне (2) заготовки толщиной 270 мм при охлаждении в воде в сопоставлении с термокинетической диаграммой распада аустенита в стали температурные зависимости коэффициентов теплоотдачи для различных сред [1], использованные для моделирования закалки (рис. 1). Для определения теплофизических характеристик сталей использовали данные термодинамического моделирования сплавов на основе железа [2] с учетом получения непрерывного спектра образующихся при закалке структур. Температурные границы твердофазного превращения задавали в зависимости от скорости охлаждения (при 700 0С) и химического состава стали, используя эмпирические формулы, рекомендованные British Steel Corporation [3]. Для оценки характера получаемой структуры и твердости проведено сравнительное сопоставление данных, получаемых на основе термокинетических диаграмм распада аустенита (рис. 2), диаграмм прокаливаемости [5] и статистических моделей, описывающих структуру и твердость в зависимости от условий охлаждения и химического состава стали [3]. Проведенный расчет прокаливаемости на примере ряда сталей (40Х, 40Г2, 60С2, 40ХН3 и др.) в сопоставлении с экспериментальными данными свидетельствует об удовлетворительной сходимости с результатами моделирования. Однако, при этом как опубликованные ТТТ-диаграммы, так и статистические модели носят локальный характер (состав стали, условия экспериментов и т.д.) и для прогнозирования на их основе нуждаются в существенном пересмотре, включающем устранение имеющихся погрешностей и адаптацию к условиям производства для получения требуемой достоверности прогноза.

Литература

1. Голод В.М., Гюлиханданов Е.Л. и др. Математическое моделирование технологических процессов термической обработки стали. // Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах // СПб., СПбГПУ, 2006.

1. Савельев К.Д., Голод В.М. Термодинамическое моделирование литейных сплавов на основе железа. - СПб, СПбГТУ, 2002.

2. Atkins М. Аtlas of continious cooling transformation diagrams for engineering steels.-BSC, 1977.

3. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. Справочник термиста.- М., Металлургия, 1991.

4. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали. - М., Металлургия, 1978.

Размещено на Allbest.ru