УДК 51-74:669-159
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
© Котов Вячеслав Валерьевич1, 3, канд. техн. наук, e-mail: viacheslav.kotov@esi-group.com; Сергеева Ксения Игоревна2, 3, канд. техн. наук, e-mail: ksenia.sergeeva@esi-group.com; Троянов Всеволод Александрович2, 4, e-mail: vsevolod.troyanov@esi-group.com; Беликов Сергей Владимирович3, канд. техн. наук, e-mail: srgbelikov@yandex.ru
1 Представительство ESI Group в РФ. Россия, г. Екатеринбург
2 MECAS ESI s.r.o. Чешская Республика, г. Пльзень
3 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента РФ Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
4 ФГБУ науки ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов УрО РАН. Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 23.10.2014 г.
В настоящее время актуальной производственной задачей является оптимизация процессов изготовления как новой, так и уже запущенной в производство продукции. В связи с этим широкое применение получило математическое моделирование различных технологических операций, в том числе термической обработки. Однако остается открытым вопрос адекватного описания физических процессов методом конечных элементов. Цель этой работы - оценка результатов математического моделирования для выбора режима термической обработки труб из низколегированной стали и алюминиевого сплава и сравнение их с результатами физического эксперимента.
Ключевые слова: моделирование; сталь; алюминиевый сплав; термическая обработка; структура; свойства; деформации.
Термическая обработка - один из ключевых процессов производства металлических изделий различного назначения. В технологическом процессе она может быть как промежуточной операцией, в основном для подготовки материала к обработке давлением или резанием, так и окончательной - для формирования необходимых свойств изделия [1]. При этом отмечают [2], что состав металла и режим термической обработки существенно влияют на долговечность изделия.
При разработке режимов термической обработки в первую очередь стремятся достичь заданных эксплуатационных свойств изделий при обеспечении унификации и технологичности их конструкции. Немаловажная задача при этом -сокращение сроков и снижение материальных и трудовых затрат при постановке на производство новых изделий, обеспечение высокой эффективности производства и улучшение качества продукции [2].
В связи с этим применение математического моделирования, основанного на методе конечных элементов, становится все более и более популярным при разработке и запуске новой продукции, а также при исправлении причин брака на существующем производстве. Моделирование технологических процессов позволяет в короткие
сроки добиться получения требуемых свойств изделия посредством выбора оптимального режима термической обработки по результатам расчетов, а также внесения необходимых изменений в конструкцию изделия с учетом рассчитанных уровней напряжения и деформации. Это позволяет отказаться от физических экспериментов и прототипов (или моделей) на начальных стадиях проектирования и разработки режимов термообработки, что значительно удешевляет производство изделий и позволяет не только улучшить их качество, но и повысить производительность.
Цель данной работы - применение математического моделирования для выбора режима термической обработки труб нефтегазового сортамента из низколегированной стали и проверка расчета механических свойств алюминиевых сплавов после термообработки на примере трубной заготовки для нефтехимической и газовой промышленности.
В качестве основы процесса моделирования ^ физических процессов в настоящее время широ- ™ ко применяется метод конечных элементов. Од- ^ нако для реалистичного моделирования различ- ^ ных этапов производства продукции необходимо ^ знание физических законов, описывающих пове- Ц дение материала при нагреве, деформации и пр. |
Подобный комплексный подход к решению производственных задач содержит программа Visual Heat Treatment компании ESI Group, предназначенная для расчета задач в области термической обработки материалов.
В основе программного обеспечения - взаимодействие пяти модулей: термический и металлургический анализ, электромагнетизм, диффузия и выделение вторичных фаз, анализ механических свойств. Для расчета различных фазовых превращений в сталях используют уравнения Колмогорова-Джонсона-Мела-Аврами, Коистинена-Марбургера, модель Леблона, а также термокинетические и изотермические диаграммы распада переохлажденного аустенита.
Работа в программе Visual Heat Treatment начинается с построения для изделия сетки из конечных элементов. Так как труба обладает симметрией, то в данном расчете задана плоскость симметрии относительно оси Y, и расчет проводился для половины изделия с целью уменьшения времени вычисления. Для предотвращения нежелательных перемещений изделия при термообработке были заданы условия закрепления по осям Z и Y (рис. 1, а).
Процесс ввода расчетных параметров с помощью Heat Treatment Advisor осуществляется в семь этапов (рис. 1, б), при этом указываются материал, температура нагрева изделия, среда и условия охлаждения, а также закрепление моделируемого изделия в процессе термической обра-болтки. После этого запускается менеджер расчета (Computation Manager).
В качестве исследуемых материалов были выбраны низколегированная трубная сталь 20ХМФ и алюминиевый сплав АД35. Для расчета в программе Visual Heat Treatment из базы данных компании ESI Group были выбраны сталь
Таблица 1. Химический состав сталей, мас. %*
Сталь Химический элемент
С Mn Si Cr Mo Ni
20MoCr4_022C (база данных ESI) 0,22 0,56 0,30 0,56 0,44 0,15
26Х1МФА 0,26 0,62 0,25 1,60 0,43 0,09
* Остальное Fe.
Таблица 2. Химический состав сплавов, мас. %*
о Сплав Химический элемент
- Mg Si Mn Fe Cu Cr Zn Ti
AlMgSi (база данных ESI) 0,6-1,2 0,7-1,3 0,4-1,0 <0,5 <0,1 0,25 <0,2 <0,1
> с; с; АД35 0,8-1,4 0,8-1,2 0,5-0,9 <0,5 <0,1 - <0.2 <0,15
20MoCr4_022C и алюминиевый сплав AlMgSi. При проведении термической обработки в лабораторной печи и последующих механических испытаниях использовали сталь 26Х1МФА ОАО «Северского трубного завода». Составы материалов, использованных для расчета и для эксперимента, приведены в табл. 1 и 2.
В обоих случаях проводили моделирование термообработки трубы диам. 219 мм с толщиной стенки 8 мм.
Параметры, используемые для расчета термообработки трубы из стали 20MoCr4_022C: закалка от t = 890 °С в спрейерной установке; закалка от t = 890 °С в масло; охлаждение на воздухе с t = 890 °С.
Режим термической обработки стали 26Х1МФА для проведения механических испытаний: закалка от t = 880 °С в воду; закалка от t = 880 °С в масло; охлаждение на воздухе с t = 880 °С.
Параметры, используемые для расчета термообработки трубы из алюминиевого сплава: отжиг при t = 370 °С; охлаждение на воздухе.
Термическую обработку для металлографических исследований и механических испытаний проводили в лабораторных печах типа СНОЛ.
Металлографический анализ осуществляли на световом микроскопе Epiphot-200 при увеличениях х(200-1000). Фотографии микроструктуры получили с помощью цифровой фотокамеры Nikon, используя программу Nis-Elements Basic Research.
Оценку механических свойств исследуемой стали производили с определением твердости по методу Виккерса.
В результате моделирования закалки стальной трубы в спрейере, в масло и нормализации были получены результаты по распределению структурных составляющих по сечению трубы, короблениям, остаточным напряжениям, механическим свойствам.
На рис. 2 представлена микроструктура трубы, полученная в процессе закалки в спрейере. Основной структурной составляющей является мартенсит, объем которого на поверхности составляет 96,5%, а в центре -90%. Присутствует также небольшое количество бейнита (3-8%) и остаточ-
* Остальное Al.
ного аустенита (приблизительно 0,3
В случае закалки в масло расчет показал увеличение количества бей-нита до 46% на поверхности и до 54% в
а..
Рис. 1. Начало работы в программе Visual Heat Treatment:
а - условия закрепления трубы; б - разделы Heat Treatment Advisor
Рис. 3. Термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита в стали 26Х1МФА при охлаждении от £ = 880 °С
б
а
Н.Т. ADVISOR
NODE : PHASEJ-ROPORIIONS}Ш "0.000000 й
Н.Т. ADVISOR
NODE . Рнд5Е_™,,:«а&У'000000
I
I
is
I- Ш® ^н
I 0 01
v V
v V
Рис. 2. Распределение структурных составляющих по сечению трубы после закалки в спрейере (расчет):
а - мартенсит; б - бейнит
центре трубы. Количество остаточного аустенита находится на уровне 0,2%, остальное - мартенсит.
В процессе нормализации образуется 59% фер-ритно-перлитной смеси, 34% бейнита и 7% мартенсита. Остаточного аустенита очень мало (0,05%).
Сравнение результатов расчета структурных составляющих, полученных в программе Visual
Heat Treatment, с экспериментальными данными показало очень близкое сходство. Как видно из термокинетической диаграммы (ТКД) распада переохлажденного аустенита стали 26Х1МФА (рис. 3), при охлаждении со скоростями более 20 °С/с в структуре будет наблюдаться мартенсит (рис. 4, а). Также возможно присутствие небольшого количества бейнита, однако с помощью оптической металлографии возможно определить только те структурные составляющие, количество которых превышает 5-10%.
Скорость охлаждения в масле составляет порядка 10 °С/с, и в результате закалки формируется гетерогенная мартенситно-бейнитная структура (рис. 4, б), что также было показано при расчете.
В соответствии с ТКД бейнитное превращение в стали 26Х1МФА протекает и при сравнительно низких скоростях охлаждения (около 0,2 °С/с), поэтому в процессе нормализации аустенит претерпевает превращение как по I, так и по II, III ступеням. Структура представляет собой равномерно распределенные участки фер-
С^у' 1 V
г*
Hi?:
ч
'Ш&
sag
■4* 'л "';'
^ V
т •
, . 'S
Рис. 4. Структура стали 26Х1МФА после охлаждения с различными скоростями с £ = 880 °С: а - вода; б - масло; в - воздух
б
ЫООЕ : ОЕР1АСЕМЕМТЗ_МОО_МОКМ II
ЫООЕ :
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.