Численное исследование термомеханического поведения и эволюции микроструктуры заготовки из никелевого сплава в процессе ее осадки
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.2.15Ключевые слова:
горячая обработка давлением, жаропрочный никелевый сплав Waspaloy, динамическая рекристаллизация, метод конечных элементов, модель Джонсона-Мела-Аврами-КолмогороваАннотация
Использование наукоемких технологий в промышленном производстве открывает возможность получать высококачественные, конкурентоспособные готовые изделия. Разработка новых или оптимизация уже существующих технологических процессов с проведением экспериментальных исследований требует больших материальных ресурсов и временных затрат. Альтернативой физическому эксперименту может служить численное моделирование изучаемого технологического процесса. Результаты, найденные численными методами, позволят обосновать рациональный режим деформирования заготовок, приводящий к требуемому изменению структуры материала. В работе рассмотрен конкретный технологический процесс горячей обработки давлением массивного слитка, включающий два этапа: охлаждение слитка на воздухе во время переноса от печи до деформирующих инструментов и формоизменяющую операцию - свободную осадку заготовки подвижной верхней плоской плитой и вырезной неподвижной нижней. Компьютерное моделирование процесса свободной осадки крупного слитка с целью определения его формоизменения, распределения температуры на поверхности и в его объеме, неравномерности деформации, возникающей в ходе горячей обработки давлением, проведено в программном комплексе Deform-2D/3D. Начальное распределение температуры материала при выполнении формоизменяющей операции находится в результате моделирования процесса охлаждения слитка на воздухе в течение 45 с при его транспортировке от печи до деформирующего оборудования. Для полученного неоднородного распределения температуры выполнен расчет усилия, необходимого для осуществления осадки до заданного по технологии среднего диаметра ~1060 мм при скорости перемещения штампа 100 мм/c. С использованием модели Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov, JMAK) исследована эволюция микроструктуры (среднего размера зерен и доли рекристаллизованного объема) никелевого сплава Waspalloy при динамической рекристаллизации в процессе горячей обработки давлением при скорости деформирования 100 мм/c.
Скачивания
Библиографические ссылки
Роговой А.А., Салихова Н.К. Численное исследование эволюции микроструктуры никелевого сплава в процессе горячей пластической обработки // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 3. С. 271-280. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.23">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.23
Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005. 432 c.
Рекристаллизация металлических материалов / Под ред. Ф. Хесснера. М.: Металлургия, 1982. 352 с.
Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 432 с.
Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978. 360 с.
Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория процессов ковки. М.: Высшая школа, 1977. 295 с.
Ковка и штамповка: Справочник / Под ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 1985. Т. 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка. 568 с.
DEFORMТМ 3D Version 6.1 (sp2). User’s Manual. Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. 415 p.
Практическое руководство к программному комплексу DEFORM-3D. Екатеринбург: УрФУ, 2010. 266 с.
Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.
Kobayashi S., Oh S., Altan T. Metal forming and the finite element method. Oxford University Press, 1989. 377 p.
Прикладная теория пластичности / Под ред. К.М. Иванова. СПб.: Политехника, 2011. 375 с.
Теория пластических деформаций металлов / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.
Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.
Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка / Под ред. Н.М. Жаворонкова. М.: Наука, 1986. 304 с.
https://www.wepuko.de/ru/gidravlicheskie-kovochnye-pressy/produkcija/pressy-svobodnoi-kovki/">https://www.wepuko.de/ru/gidravlicheskie-kovochnye-pressy/produkcija/pressy-svobodnoi-kovki/ (дата обращения 01.06.2021).
Ковка и объемная штамповка стали. Справочник / Под ред. М.В. Сторожева. М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. 448 с.
Srolovitz D.J., Grest G.S., Anderson M.P. Computer simulation of grain growth – V. Abnormal grain growth // Acta metall. 1985. Vol. 33. P. 2233-2247. https://doi.org/10.1016/0001-6160(85)90185-3">https://doi.org/10.1016/0001-6160(85)90185-3
Meccozi V.G., Eiken J., Santofimia M.J., Sietsma J. Phase field modeling of microstructural evolution during the quenching and partitioning treatment in low-allloy steels // Comput. Mater. Sci. 2016. Vol. 112. Part A. P. 245-256. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.10.048">https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.10.048
An D., Pan S., Huang L., https://www.jstage.jst.go.jp/search/global/_search/-char/en?item=8&word=Ting+Dai">Dai T., Krakauer B., Zhu M. Modeling of ferrite-austenite phase transformation using a cellular automation model // ISIJ Int. 2014. Vol. 54. P. 422-429. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.422">https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.422
Raabe D. Celluar automata in materials science with particular reference to recrystallization simulation // Annu. Rev. Mater. Res. 2002. Vol. 32. P. 53-76. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.32.090601.152855">https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.32.090601.152855
Bergstrom Y. A dislocation model for the stress-strain behaviour of polycrystalline α-Fe with special emphasis on the variation of the densities of mobile and immobile dislocations // Mater. Sci. Eng. 1970. Vol. 5. P. 193-200. https://doi.org/10.1016/0025-5416(70)90081-9">https://doi.org/10.1016/0025-5416(70)90081-9
Лопатин Н.В., Горбушина С.Н., Дьяконов Г.С., Кудрявцев Е.А., Выдумкина С.В. Моделирование структурообразования в титановом сплаве ВТ6 при изотермической ковке в программном комплексе Deform // Компьютерные исследования и моделирование. 2014. Т. 6, № 6. С. 975-982. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2014-6-6-975-982">https://doi.org/10.20537/2076-7633-2014-6-6-975-982
Avrami M. Kinetics of phase change. I. General theory // J. Chem. Phys. 1939. Vol. 7. P. 1103-1112. https://doi.org/10.1063/1.1750380">https://doi.org/10.1063/1.1750380
Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transformation-time relations for random distribution of nuclei // J. Chem. Phys. 1940. Vol. 8. P. 212-224. https://doi.org/10.1063/1.1750631">https://doi.org/10.1063/1.1750631
Avrami M. Kinetics of phase change. III. Granulation, phase change, and microstructure // J. Chem. Phys. 1941. Vol. 9. P. 177-184. https://doi.org/10.1063/1.1750872">https://doi.org/10.1063/1.1750872
Johnson W.A., Mehl R.F. Reaction kinetics in process of nucleation and growth // Trans. Am. Inst. Min. Met. Eng. 1939. Vol. 135. P. 416-442.
Алимов А.И., Воронежский Е.В. Математическое моделирование эволюции микроструктуры поковки в процессе термомеханической обработки // Наука и образование. 2011. № 8. 15 с.
Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation // Acta Metall. 1966. Vol. 14. P. 1136-1138. https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90207-0">https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90207-0
Sellars C.M. The kinetics of softening process during hot working of austenite // Czech. J. Phys. 1985. Vol. 35. P. 239-248. https://doi.org/10.1007/BF01605090">https://doi.org/10.1007/BF01605090
###
Rogovoy A.A., Salikhova N.K. Numerical investigation of the evolution of microstructure of nickel-based alloys during plastic working. Vychis. mekh. splosh. sred – Computational continuum mechanics, 2019, vol. 12, no. 3, pp. 271-280. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.23">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.23
Gorelik S.S., Dobatkin S.V., Kaputkina L.M. Rekristallizatsiya metallov i splavov [Recrystallization of metals and alloys]. Moscow, MISIS, 2005. 432 p.
Hässner F. (ed.) Recrystallization of metallic materials. Dr. Riederer Verlag, 1978. 293 p.
Bernshteyn M.L. Struktura deformirovannykh metallov [The structure of deformed metals]. Moscow, Metallurgiya, 1977. 432 p.
Gromov N.P. Teoriya obrabotki metallov davleniyem [Theory of metal forming.]. Moscow, Metallurgiya, 1978. 360 p.
Okhrimenko Ya.M., Tyurin V.A. Teoriya protsessov kovki [Theory of forging processes]. Moscow, Vysshaya shkola, 1977. 295 p.
Semenov E.I. (ed.) Kovka i shtampovka: Spravochnik. T. 1. Materialy i nagrev. Oborudovaniye. Kovka [Forging and Stamping: A handbook. Vol. 1. Materials and heating. Equipment. Forging]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1985. 568 p.
DEFORMТМ 3D Version 6.1 (sp2). User’s Manual. Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. 415 p.
Prakticheskoye rukovodstvo k programmnomu kompleksu DEFORM-3D [A practical guide to the DEFORM-3D software package]. Ekaterinburg: UrFU, 2010. 266 p.
Samarskiy A.A., Vabishchevich P.N. Vychislitel’naya teploperedacha [Computational heat transfer]. Moscow, Editorial URSS, 2003. 784 p.
Kobayashi S., Oh S., Altan T. Metal forming and the finite element method. Oxford University Press, 1989. 377 p.
Ivanov K.M. (ed.) Prikladnaya teoriya plastichnosti [Applied theory of plasticity]. St. Petersburg, Politekhnika, 2011. 375 p.
Unksov E.P., Ovchinnikov A.G. (ed.) Teoriya plasticheskikh deformatsiy metallov [Theory of plastic deformations of metals]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1983. 598 p.
Isachenko V.P., Osipov V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat transfer]. Moscow, Energoizdat, 1981. 416 p.
Zhavoronkov N.M. (ed.) Legkiye i zharoprochnyye splavy i ikh obrabotka [Light and heat-resistant alloys and their processing]. Moscow, Nauka, 1986. 304 p.
https://www.wepuko.de/ru/gidravlicheskie-kovochnye-pressy/produkcija/pressy-svobodnoi-kovki/">https://www.wepuko.de/ru/gidravlicheskie-kovochnye-pressy/produkcija/pressy-svobodnoi-kovki/ (accessed 1 June 2021).
Storozhev M.V. (ed.) Kovka i ob”yemnaya shtampovka stali. Spravochnik. T. 2. [Forging and die forging of steel. A handbook. Vol. 2]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1968. 448 p.
Srolovitz D.J., Grest G.S., Anderson M.P. Computer simulation of grain growth – V. Abnormal grain growth. Acta metall., 1985, vol. 33, pp. 2233-2247. https://doi.org/10.1016/0001-6160(85)90185-3">https://doi.org/10.1016/0001-6160(85)90185-3
Meccozi V.G., Eiken J., Santofimia M.J., Sietsma J. Phase field modeling of microstructural evolution during the quenching and partitioning treatment in low-allloy steels. Comput. Mater. Sci., 2016, vol. 112, part A, pp. 245-256. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.10.048">https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.10.048
An D., Pan S., Huang L., https://www.jstage.jst.go.jp/search/global/_search/-char/en?item=8&word=Ting+Dai">Dai T., Krakauer B., Zhu M. Modeling of ferrite-austenite phase transformation using a cellular automation model. ISIJ Int., 2014, vol. 54, pp. 422-429. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.422">https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.422
Raabe D. Celluar automata in materials science with particular reference to recrystallization simulation. Annu. Rev. Mater. Res., 2002, vol. 32, pp. 53-76. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.32.090601.152855">https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.32.090601.152855
Bergstrom Y. A dislocation model for the stress-strain behaviour of polycrystalline α-Fe with special emphasis on the variation of the densities of mobile and immobile dislocations. Mater. Sci. Eng., 1970, vol. 5, pp. 193-200. https://doi.org/10.1016/0025-5416(70)90081-9">https://doi.org/10.1016/0025-5416(70)90081-9
Lopatin N.V., Gorbushina S.N., Dyakonov G.S., Kydriavchev E.A., Vidumkina S.V. Simulation of microstructure evolutions of vt6 alloy during isothermal forging using Deform software. Komp’yuternyye issledovaniya i modelirovaniye – Computer Research and Modeling, 2014, vol. 6, no. 6, pp. 975-982. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2014-6-6-975-982">https://doi.org/10.20537/2076-7633-2014-6-6-975-982
Avrami M. Kinetics of phase change. I. General theory. J. Chem. Phys., 1939, vol. 7, pp. 1103-1112. https://doi.org/10.1063/1.1750380">https://doi.org/10.1063/1.1750380
Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transformation-time relations for random distribution of nuclei. J. Chem. Phys., 1940, vol. 8, pp. 212-224. https://doi.org/10.1063/1.1750631">https://doi.org/10.1063/1.1750631
Avrami M. Kinetics of phase change. III. Granulation, phase change, and microstructure. J. Chem. Phys., 1941, vol. 9, pp. 177-184. https://doi.org/10.1063/1.1750872">https://doi.org/10.1063/1.1750872
Johnson W.A., Mehl R.F. Reaction kinetics in process of nucleation and growth. Trans. Am. Inst. Min. Met. Eng., 1939, vol. 135, pp. 416-442.
Alimov A.I., Voronezhskiy E.V. Matematicheskoye modelirovaniye evolyutsii mikrostruktury pokovki v protsesse termomekhanicheskoy obrabotki [Mathematical modeling of the evolution of the forging microstructure during thermomechanical processing]. Nauka i obrazovaniye – Science and Education, 2011, no. 8, 15 p.
Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation. Acta Metall., 1966, vol. 14, pp. 1136-1138. https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90207-0">https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90207-0
Sellars C.M. The kinetics of softening process during hot working of austenite. Czech. J. Phys., 1985, vol. 35, pp. 239-248. https://doi.org/10.1007/BF01605090">https://doi.org/10.1007/BF01605090
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
