Численное моделирование технологического процесса горячей обработки слитка давлением

Автор: Роговой А.А., Салихова Н.К.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2022 года.

Бесплатный доступ

Проведен комплексный анализ деформационного и теплового состояний слитка из никелевого сплава Waspaloy, нагретого до различных начальных температур (1100° и 1150 °C) и подвергнутого процессу свободной осадки до среднего диаметра ~1060 мм со скоростью деформирования 100 мм/c. В ходе такого термомеханического воздействия на заготовку инициируется процесс динамической рекристаллизации, связанный с появлением малодефектных зародышей новых зерен и их последующим ростом взамен деформированных. Для описания эволюции микроструктуры материала используется феноменологический подход, реализованный в специализированном программном комплексе DEFORM-2D/3D. Была выбрана модифицированная модель Джонсона - Мела - Аврами - Колмогорова (Johnson - Mehl - Avrami - Kolmogorov, JMAK), уравнения которой позволяют вычислить объемную долю рекристаллизованного материала и описать трансформацию зеренной структуры металлических сплавов. В результате решения нестационарной температурной задачи построено поле температур в заготовке из сплава Waspaloy в процессе ее переноса по воздуху от печи до деформирующего оборудования в течение 45 с и в процессе свободной осадки. Для последнего в рамках теории пластического течения определены силовые и деформационные характеристики, в том числе усилие, необходимое для осуществления этого процесса, а в рамках JMAK-модели - характеристики зеренной структуры никелевого сплава, такие как средний размер динамически рекристаллизованных зерен и их объемная доля. Результаты, полученные с помощью численного моделирования, позволяют обосновать рациональный выбор параметров деформирования слитков с целью получения требуемой структуры материала.

Еще

Горячая пластическая обработка, эволюция микроструктуры, динамическая рекристаллизация, модель джонсона - мела - аврами - колмогорова, напряженно-деформированное и тепловое состояния, свободная осадка, никелевый сплав waspalloy, метод конечных элементов, численный расчет, технологический процесс

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/146282542

IDR: 146282542 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.14

Список литературы Численное моделирование технологического процесса горячей обработки слитка давлением

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.
Effect of strain rate on the recrystallization mechanism during isothermal compression in 7050 aluminum alloy / J. Zhao, Y. Deng, J. Tan, J. Zhang // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 120–128.
Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 2005. – 432 c.
Humphreys J., Rohrer G.S., Rollett A. Recrystallization and Related Annealing Phenomena. – Oxford: Elsevier, 2017. – 704 p.
Trusov P., Kondratev N., Podsedertsev A. Description of Dynamic Recrystallization by Means of An Advanced Statistical Multilevel Model: Grain Structure Evolution Analysis // Crystals. – 2022. – Vol. 12, No. 5. – P. 653. DOI: org/10.3390/cryst12050653
A Review of Microstructural Evolution and Modelling of Aluminium Alloys under Hot Forming Conditions / J. Lv, J. Zheng, V.A. Yardley, Z. Shi, J. Lin // Metals. – 2020. – Vol. 10. – 1516. DOI: 10.3390/met10111516
Zhao P., Wang Y., Niezgoda S.R. Microstructural and Micromechanical Evolution during Dynamic Recrystallization // Int. J. Plast. 2018. – Vol. 100. – P. 52–68. DOI:org/10.1016/j.ijplas.2017.09.009
Рекристаллизация металлических материалов / под ред. Ф. Хесснера. – М.: Металлургия, 1982. – 352 с.
Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. – М.: Металлургия, 1977. – 432 с.
Роговой А.А., Салихова Н.К. Численное исследование термомеханического поведения и эволюции микроструктуры заготовки из никелевого сплава в процессе ее осадки // Вычислительная механика сплошных сред. – Т. 14, № 2. – 2021. – С. 177–189. DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.2.1
Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка / Под ред. Н.М. Жаворонкова. – М.: Наука, 1986. – 304 с.
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. DOI: org/10.7242/1999-6691/2019.12.3.23
Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 543 с.
Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. – М.: Мир, 1979. – 392 с.
Fluhrer J. Deform 3D User’s Manual Version 6.1, Scientific Forming Technologies Corporation-SFTS. – Columbus, OH, USA. – 2007.
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.
Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. – М.: Машиностроение, 1977. – 423 с.
Тарновский И.Я., Трубин В.П., Златкин М.Г. Свободная ковка на прессах. – М.: Машиностроение, 1967. – 328 с.
Титов Ю.А., Титов А.Ю. Свободная ковка. Основные операции и технологии. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 73 с.
Практическое руководство к программному комплексу DEFORM-3D. – Екатеринбург: УрФУ, 2010. – 266 с.
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.
Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. – М.: Металлургия, 1982. – 584 с.
Колмогоров А.Н. К статической теории кристаллизации металлов. – 1937. – Т. 1, № 3. – С. 355–359.
Avrami M. Kinetics of phase change. I. General theory // J. Chem. Phys. – 1939. – Vol. 7. – P. 1103–1112. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1750380
Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transformationtime relations for random distribution of nuclei // J. Chem. Phys. – 1940. – Vol. 8. – P. 212–224. 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. DOI: 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.
A physically – based constitutive model for a typical nickel-based superalloy / Y.C. Lin, X.M. Chen, D.X. Wen, M.S. Chen // Computational Materials Science. – 2014. – Vol. 83. – P. 282–289.
Constitutive modelling for the dynamic recrystallization kinetics of as – extruded 3Cr20Ni10W2 heat- resistant alloy based on stress-strain data / G.Z. Quan, A. Mao, G.C. Luo, J.T. Liang, D.S. Wu, J. Zhou // Materials and Design. – 2013. – Vol. 52. – P. 98–107.
Y.C. Lin, M.S. Chen, Numerical simulation and experimental verification of microstructure evolution in a threedimensional hot upsetting process // Journal of Materials Processing Technology 209. – 2009. – P. 4578–4583.
Miodownik A.M. A review of microstructural computer models used to simulate grain growth and recrystallisation in aluminium alloys // J.Light Met. – 2002. – Vol. 2, no. 3. – P. 125–135. DOI: 10.1016/s1471-5317(02)00039-1
Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 359 с.
Sellars C.M., McTegart W.J. On the mechanism of hot deformation // Acta Metall. – 1966. Vol. 14. – P. 1136–1138. 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. DOI: org/10.1007/BF01605090
Lin Y. C., Chen M.-S., Zhong J. Constitutive modeling for elevated temperature flow behavior of 42CrMo steel // Computational Materials Science. – 2008. – Vol. 42, no 3. – P. 470–477. DOI: 10.1016/j.commatsci.2007.08.011

Еще

Статья научная