Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): в статье описаны особенности и потенциальные преимущества процесса волочения калиброванной TRIP стали, применение которой позволяет достигнуть широкого дополнительного комплекса эксплуатационных характеристик конечного изделия (прочность, износостойкость, адаптация к воздействиям окружающей среды). На примере критической необходимости учета микроструктурного строения TRIP сталей сформулированы актуальные проблемы традиционных методов проектирования технологических режимов волочения с использованием компьютерного конечно-элементного моделирования. Цель работы: совершенствование метода компьютерного моделирования процесса волочения калиброванной стали для повышения прогнозирования и исследования феноменологических особенностей структурообразования современных марок стали. Используемые методы: применялся усовершенствованный метод мультимасштабного компьютерного моделирования, позволяющий учесть микроструктурное строение обрабатываемой стали и динамические структурно-фазовые превращения (трип-эффект). Моделирование трип-эффекта осуществлялось посредством программной надстройки к используемому комплексу Abaqus. В качестве оцениваемых критериев напряженно-деформированного состояния были выбраны эквивалентные напряжения и деформации, а также осевые радиальные деформации на поверхности и в центральных слоях деформационной зоны. Новизна: к элементам новизны относится усовершенствованная методика моделирования осесимметричных процессов холодной пластической деформации, учитывающая микроструктуру обрабатываемого металла и ее изменения в условиях деформации, что сделало возможным расчет значений параметров напряженно-деформированного состояния на микроуровне стали и исследование трансформаций в сталях с метастабильной структурой. Результат: в статье приведено сравнение результатов моделирования с учетом влияния трип-эффекта и без него. Сравнение показало, что мартенсит, который появляется в микроструктуре стали, многократно повышает уровень эквивалентных напряжений во всем репрезентативном объеме, что принципиально важно при проектировании режимов волочения. Метод также позволил изучить деформационное взаимодействие элементов микроструктуры TRIP стали между собой, тем самым объяснив наличие более высоких (в 2–3 раза превышающих средние значения) радиальных деформаций в пластичных фазах вблизи большего скопления зерен более прочных фаз бейнита и мартенсита. Предложенный метод позволил повысить прогнозирующую способность предпроектного моделирования и изучить феноменологические особенности структурообразования современных марок сталей в ходе процесса волочения. Практическая значимость: получены исходные данные для проектирования маршрутов волочения стали с трип-эффектом, что позволит расширить номенклатуру материалов традиционного процесса волочения калиброванной стали путем использования современных, технологически гибких материалов.
Ключевые слова
Волочение, сталь, трип-эффект, мультимасштабное моделирование, репрезентативный объем, напряженно-деформированное состояние, микроструктура.
1. Генезис научных исследований в области качества металлопродукции / Гун Г.С., Мезин И.Ю., Рубин Г.Ш., Минаев А.А., Назайбеков А.Е., Дыя Х. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 92–97.
2. Инновационный потенциал новых технологий производства метизных изделий из наноструктурных сталей / Чукин М.В., Копцева Н.В., Барышников М.П., Ефимова Ю.Ю., Носов А.Д., Носков Е.П., Коломиец Б.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. № 2. С. 64–68.
3. Актуальные проблемы квалиметрии метизного производства в период зарождения шестого технологического уклада / Гун Г.С., Чукин М.В., Рубин Г.Ш., Мезин И.Ю., Корчунов А.Г. // Металлург. 2014. № 4. С. 92–95.
4. Sarma, G.B., Radhakrishnan, B., Zacharia, T., 1998, Finite Element Simulations of Cold Deformation at the Mesoscale, Computational Materials Science, 12, 1998, 105–123.
5. Son, S.-B., Roh, H., Kang, S.-H., 2010, Relationship between microstructure homogeneity and bonding stability of ultrafine gold wire, Journal of Materials Science, 45, 236–244.
6. Watanabe, I., Setoyama, D., Nagasako, N., Iwata, N., Nakanishi, K., 2012, Multiscale prediction of mechanical behavior of ferrite–pearlite steel with numerical material testing, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 89, 829–845.
7. Fischer, F.D., Reisner, G., Werner, E., Tanaka, K., Cailletaud, G., Antretter, T., 2000. A new view on transformation induced plasticity (TRIP). International Journal of Plasticity 16 (7–8), 723–748.
8. Bleck, W., Schael, I., 2000. Determination of crash–relevant material parameters by dynamic tensile tests. Steel Research 71, 173–178.
9. Choi, I.D., Bruce, D.M., Kim, S.J., et al., 2002. Deformation behavior of low carbon TRIP sheet steels at high strain rates. ISIJ International 42, 1483–1489.
10. Kim YG, Kim TW, Han JK, Chang RW. Development of newaustenitic Fe-Mn-Al-C steels for automotive applications.Key Eng Mater 1993;84:461–72.
11. Grässel O, Krüger L, Frommeyer G, Meyer LW. High strengthFe-Mn-(Al,Si) TRIP/TWIP steels development – properties –application. Int J Plast 2000;16:1391–409.
12. Frommeyer G, Brüx U, Neumann P. Supra-ductile andhigh-strength manganese-TRIP/TWIP steels for high energyabsorption purposes. ISIJ Int 2003;43:438–46.
13. Balzani, D., Schroder, J., 2008, Some basic ideas for the reconstruction of statistically similar microstructures for multiscale simulations, Proc. Appl. Math. Mech., 8, 10533–10534.
14. Wiewiorowska, S., Determination of content of retained austenite in steels with TRIP effect deformed at different strain rates, Steel Research International. 81 (2010) 262–265.
15. Wiewiorowska, S., The influence of strain rate and strain intensity on retained austenite content in structure of steel with TRIP Effect. Solid State Phenomena, 165 (2010) 216–222.