Модель процесса кристаллизации с учетом смены фаз при формировании металлического материала методом лазерного сплавления

Бесплатный доступ

Разрабатываемые теоретические основы моделей кристаллизующихся тел применяются в настоящий момент для моделирования технологического процесса селективного лазерного сплавления в части описания взаимодействия расплав-твердое тело и определения коробления тела вследствие появления остаточных напряжений в остывающей заготовке. При этом одной из актуальных задач области исследования является построение определяющих соотношений, позволяющих описывать взаимодействие расплав-твердое тело. В данной работе рассмотрено применение известных определяющих соотношений вязкоупругого растущего тела для затвердевающего металлического сплава. При этом процесс кристаллизации протекает в широком температурном диапазоне и сопровождается структурными изменениями. Под процессом кристаллизации понимается переход металлического материала из жидкого состояния в твердое. В рамках исследования рассмотрена общая постановка краевой задачи механики кристаллизующегося тела. Реализация определяющих соотношений, описывающих процесс кристаллизации, выполнена на двух задачах: задаче о неравномерном управляемом остывании стержня и задаче об остывании пластины, начиная с температуры выше точки плавления исследуемого материала. Таким образом, для одномерной и плоской постановок получены численные модели кристаллизации изотропных тел с учетом фазовых переходов на основе метода конечных элементов. Результаты применения метода конечных элементов на основе полученных новых определяющих соотношений не противоречат физике процесса кристаллизации и могут быть применены при моделировании процесса селективного лазерного сплавления металлических материалов с учетом смены фаз. Для каждой модельной задачи получены картины напряженно-деформированного состояния конструкции в целом: поля распределения перемещений, деформаций и напряжений. Также в рамках исследования выполнен анализ сходимости численного решения, проанализировано выполнение естественных граничных условий, получены поля температур и степени кристаллизации.

Еще

Кристаллизация, фазовые переходы, определяющие соотношения, численное решение, метод конечных элементов, расплав, механика кристаллизующегося тела, степень кристаллизации

Короткий адрес: https://sciup.org/146211718

IDR: 146211718   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2018.1.07

Список литературы Модель процесса кристаллизации с учетом смены фаз при формировании металлического материала методом лазерного сплавления

  • Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода/В.П. Матвеенко, О.Ю. Сметанников, Н.А. Труфанов, И.Н. Шардаков//Физическая мезомеханика. -1999. -Т. 2, № 4. -С. 23-29.
  • Мишустин И.В., Мовчан А.А. Моделирование фазовых и структурных превращений в сплавах с памятью формы, происходящих под действием немонотонно меняющихся напряжений//Изв. РАН. Механика твердого тела. -2014. -№ 1. -С. 37-53.
  • Sedlaka J., Rican D. Study of Materials Produced by Powder Metallurgy Using Classical and Modern Additive Laser Technology//Procedia Engineering. -2015. -No. 100. -P. 1232-1241.
  • Оптимизация технологических параметров и определение режимов селективного лазерного сплавления порошка на основе стали 316L/Б.К. Барахтин, В.В. Бобырь, А.В. Вознюк, А.А. Деев, А.С. Жуков, П.А. Кузнецов//Вопросы материаловедения. -2017. -Т. 90, № 2. -С. 146-152.
  • Назаркин Р.М., Петрушин Н.В., Рогалев А.М. Структурно-фазовые характеристики сплава жс32-ви, полученного методами направленной кристаллизации, гранульной металлургии и селективного лазерного сплавления//Тр. ВИАМ. -2017. -№ 2 (50). -С. 2.
  • Структура и механические свойства аустенитной стали 316L, полученной методом селективного лазерного сплавления/П.А. Кузнецов, А.А. Зисман, С.Н. Петров, И.С. Гончаров//Деформация и разрушение материалов. -2016. -№ 4. -C. 9-13.
  • Формирование сложнопрофильных деталей космических аппаратов методом селективного лазерного сплавления/А.И. Ананьев, Ю.П. Борщев, М.Ю. Квардаков, С.Э. Куркин, А.А. Курков, А.С. Севастьянов, М.В. Шибалов//Вестн. НПО им. С.А. Лавочкина. -2017. -№ 1 (35). -С. 87-92.
  • Тихомирова К.А. Изотермическое деформирование сплава с памятью формы в разных температурных интервалах. Случай одноосного растяжения//Механика композиционных материалов и конструкций. -2017. -Т. 23, № 2. -С. 263-282.
  • Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода/В.П. Матвеенко, О.Ю. Сметанников, Н.А. Труфанов, И.Н. Шардаков. -М.: Физматлит, 2009. -176 с.
  • Труфанов Н.А., Шаяхметова Л.Р. Численно-экспериментальный анализ процесса кристаллизации слитка//Научно-технический вестник Поволжья. -2015. -№ 5. -С. 291-294.
  • Kulikov R.G., Kulikova T.G., Trufanov N.A. Numerical method for solving the problem of thermomechanics of polymeric environment in conditions of phase transition//Solid State Phenomena. -2016. -Т. 243. -С. 139-145.
  • Максимов П.В. Определение оптимальной скорости заливки стали для рационализации существующего технологического режима//Современные проблемы науки и образования. -2015. -№ 1-1. -С. 3.
  • Об учете нелинейных и связанных эффектов тепловой задачи и фазовых переходов при моделировании технологии контактного термосилового поверхностного упрочнения металлических сплавов/В.П. Багмутов, Д.С. Денисевич, И.Н. Захаров, А.Ю. Иванников//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2017. -№ 1. -С. 233-250.
  • Багмутов В.П., Захаров И.Н., Денисевич Д.С. Особенности решения технологических задач механики неоднородных металлических тел со структурой, трансформирующейся в ходе термосилового нагружения//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2016. -№ 1. -С. 5-25.
  • Литье методом направленной кристаллизации с управляемым градиентом температуры на фронте кристаллизации/Е.В. Колядов, В.В. Герасимов, Е.М. Висик, Ю.А. Межин//Литейное производство. -2016. -№ 8. -С. 24-26.
  • Клюев А.В., Столбов В.Ю., Шарыбин С.И. Визуализация сложных зёренных структур металлов и сплавов при идентификации их параметров//Научная визуализация. -2016. -Т. 8, № 3. -С. 95-101.
  • Каменева А.Л. Роль структуры и фазового состава в формировании физико-механических и трибологических свойств пленок на основе TiN//Вопросы материаловедения. -2012. -№ 1(69). -С. 58-67.
  • Исследование процесса механотермической обработки арматуры из высокоуглеродистых сталей/М.П. Барышников, Д.К. Долгий, К.Ю. Куранов, М.В. Зайцева//Сталь. -2012. -№ 2. -С. 89-97.
  • Functional Materials: Preparation, Processing and Applications. Eds. S. Banerjee, A.K. Tyagi. -Elsevier, 2011. -730 p.
  • Малахов В.В. Проблемы диагностики функциональных материалов (обзор)//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2011. -Т. 77, № 2. -С. 310-318.
  • Materials become insensitive to flaws at nanoscale: Lessons from nature/H. Gao, B. Ji, I.L. Jäger //Proceedings of the National Academy of Sciences. -2003. -Vol. 100. -No. 10. -P. 5597-5600.
  • Stolbov V.Y., Gitman M.B., Sharybin S.I. Application of intelligent technology in functional materials quality control//Materials Science Forum. -2016. -Vol. 870. -P. 717-724.
  • Шадрин О.А. Остаточные напряжения в затвердевающих полимерных изделиях: дис.. канд. техн. наук. -Пермь, 1986.
  • Моделирование термомеханики кристаллизующихся полимеров/И.Н. Шардаков, Н.А. Труфанов, Л.А. Голотина, В.А. Богоявленская//Изв. Тул. гос. ун-та. Естественные науки. -2008. -№ 2. -С. 117-123.
  • Влияние пористости и температуры термообработки на релаксационные и механические свойства полимерных и углеродных композиционных материалов/И.Д. Симонов-Емельянов, В.А. Ломовской, Н.Л. Шембель, Н.А. Тупицын, З.И. Фомкина//Конструкции из композиционных материалов. -2009. -№ 1. -С. 33-39.
  • Завьялова Т.Г., Труфанов Н.А. Определяющие соотношения для вязкоупругого тела в условиях кристаллизации//Прикладная механика и техническая физика. -2005. -Т. 46, № 4 (272). -С. 78-87.
  • Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. -М.: Наука, 1970.
  • А.А. Каменских, Т.С. Суходоева Численное моделирование процесса кристаллизации при неравномерном охлаждении в одномерной постановке//Математическое моделирование в естественных науках: сб. ст. XXVI Всерос. школы-конф. молодых ученых и студентов. -2017. -Т. 1. -С. 26-30.
  • Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. -М.: Мир, 1975. -541 с.
  • Suhodoeva T.A., Kamenskikh A.A., Bartolomey M.L. Numerical investigation of isotropic beam crystallization process under nonuniform cooling//Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2017) proceedings of the Intern. Conf., Tomsk, 27-29 July, 2017/Tomsk Polytechnic University. -Paris, Amsterdam, Hong Kong: Atlantis Press, 2017. -P. 298-304.
Еще
Статья научная