CC BY
93
УДК 621.778.011:001.891.57
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ В ПРОЦЕССЕ ВОЛОЧЕНИЯ
М.П. Барышников, М.В. Чукин, Г.С. Гун, А.Б. Бойко
Представлены результаты исследования влияния неоднородности структуры на напряженно-деформированное состояние проволоки из углеродистой стали и вероятность обрыва в процессе волочения. Выполнено конечно-элементное моделирование в программе Simulia Abaqus процесса волочения стальной проволоки с различным распределением неметаллических включений по сечению заготовки. Представлены результаты исследования микроструктуры катанки после горячей прокатки и определен тип неметаллических включений. Проведенные в работе исследования позволяют на основании компьютерного моделирования определить тип разрушения в зависимости от распределения неметаллических включений по сечению заготовки и установить наиболее благоприятное расположение включений, позволяющих избежать потерь производства, вызванных обрывностью проволоки.
Ключевые слова: моделирование, волочение, неоднородность структуры, неметаллические включения, микроструктура.
В условиях постоянной интенсификации производства очень важным является качество катанки для волочения проволоки. Несоответствие механических свойств может стать причиной разрушения заготовки при обработке давлением. Это приводит к дополнительным экономическим издержкам в результате простоя оборудования и отбраковки заготовки с высокой добавленной стоимостью. В данной работе представлено исследование влияния распределения неметаллических включений на обрывность проволоки. На первом этапе исследования изготовлены поперечный и продольный шлифы (рис. 1, а, б) и проведен анализ микроструктуры катанки из стали марки 80, предназначенной для волочения с последующим количественным анализом с помощью программного обеспечения Thixomet Pro. В результате исследования микроструктуры значительного количества пластичных включений типа сульфидов и разрушенных в результате деформации вытянутых в сплошные строки включений силикатов согласно ГОСТ Р ИСО 4967-2009 не обнаружено. Включения преимущественно представляют собой недеформирующиеся (глобулярные) включения оксидов. Количественным анализом на микрошлифе определено среднее содержание включений 0,512 %. В результате анализа микроструктуры обоснована возможность моделирования неметаллических включений с механическими свойствами оксида алюминия.
Для прогнозирования обрыва проволоки применялся программный комплекс Simulia Abaqus, в основу работы которого положен метод конеч-
ных элементов. Модель стальной катанки представлена как композиционный материал с металлической матрицей и дисперсными включениями, которые в отличие от дисперсно-упрочненных композиционных материалов ослабляют сечение заготовки [1].
а б
Рис. 1. Микроструктура катанки стали марки 80 в поперечном (а) и продольном (б) сечениях после горячей прокатки
При построении математической модели использованы следующие допущения и ограничения:
- с целью моделирования условия захвата передний конец заготовки принят абсолютно жестким;
- передний конец заготовки имеет одну степень свободы (возможность перемещения в продольном направлении);
- неразрывная связь между основным материалом и неметаллическими включениями.
- модели волок приняты абсолютно жесткими.
В качестве критерия разрушения использовалась модель пластичного разрушения (Ductile damage). Данный критерий применяется для прогнозирования наступления повреждения в результате зарождения, роста и слияния пустот в пластичных металлах. Модель предполагает, что эквивалентная пластическая деформация в начальной стадии разрушения является функцией объемного напряженного состояния и скорости деформации:
' .plЛ h, e
-pl e D
(1)
где е^ - эквивалентная пластическая деформация в момент начала разрушения;
л = -р^; (2)
р - напряжение, вызванное давлением; д - интенсивность напряжений; • РР
е - эквивалентная скорость пластической деформации.
Моделирование волочения проволоки выполнено по действующему маршруту в ОАО «ММК-МЕТИЗ»: 15,5 мм - 14,78 мм - 13,48 мм -12,38 мм - 11,46 мм - 10,68 мм - 9,98 мм. Для определения реологических свойств стали проведены испытания на растяжение образцов рабочей длиной 100 мм. Испытания проводились на универсальной испытательной машине А0-300кШС с максимальной силой 300 кН, класс точности 1. Абсолютная деформация образца фиксировалась с помощью видеоэкстензо-метра TRViewX 2408 с точностью 6 мкм. Значения механических свойств определены как среднее значение данных испытаний пяти образцов. Механические и физические свойства катанки и включений, принятые при моделировании, представлены в таблице.
Свойства стали и включений
Материал Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона Плотность, кг/м3 Предел текучести, МПа Временное сопротивление, МПа Относительное удлинение 5р, %
Сталь 80 210 0,28 7800 930 1141 11,1
Включения (А12О3) 374 0,28 3960 - - -
С целью исследования влияния распределения неметаллических включений по поперечному сечению на обрывность заготовки построены четыре модели:
- модель заготовки без неметаллических включений;
- с распределением включений в осевой области заготовки;
- в поверхностной области заготовки;
- модель с повышенным содержанием неметаллических включений (увеличение концентрации включений в два раза).
Неметаллические включения способствуют повышению значений эквивалентных напряжений в непосредственной близости от включений до 974 МПа после волочения в первой волоке. Исследование влияния структуры на развитие трещин [2, 3], в том числе с помощью электронного микроскопа [4, 5] подтверждают, что неметаллические включения являются концентраторами напряжений и источниками зарождения трещин. В результате моделирования волочения проволоки с однородной структурой (рис. 2 а, б) выявлены минимальные эквивалентные напряжения в осевой области заготовки. При наличии включений в данной области (рис. 2, в, г)
напряжения вблизи включений увеличиваются, но запаса прочности достаточно для исключения обрыва заготовки при волочении.
а б в г
Рис. 2. Распределение НДС по сечению заготовки без включений (а, б) и со скоплением включений в осевой области (в, г) при волочении в первой и третьей волоках соответственно
Модель катанки с включениями вблизи поверхности заготовки привела к разрушению заготовки при суммарном относительном обжатии 36,21 % в третьей волоке (рис. 3). Расслоение заготовки произошло вследствие превышения предела прочности материала в поверхностной области вблизи включений, являющихся концентраторами напряжений.
Увеличение содержания неметаллических включений в два раза оказало наиболее неблагоприятное воздействие на уровень механических свойств заготовки, в результате чего обрыв произошел на выходе из первой волоки (рис. 4) при относительной деформации 9,07 %.
а б
Рис. 3. Модель заготовки с распределением включений в поверхностной области заготовки: а - первая волока;
б - третья волока
а б
Рис. 4. Модель заготовки с повышенной концентрацией включений при волочении заготовки в первой волоке вне (а) и в области повышенной концентрации включений (б)
Проведенная работа позволила определить наиболее благоприятное распределение неметаллических включений по оси катанки для дальнейшей обработки холодным волочением, что позволило получить проволоку заданных размеров и исключить обрыв заготовки в процессе формоизменения при отсутствии скоплений включений и нарушений технологических режимов. Установлена зависимость типа разрушения от распределения неметаллических включений по сечению заготовки. При повышенной концентрации неметаллических включений в поверхностной области происходит расслоение заготовки, в случае наличия повышенного содержания включений в осевой области или равномерного распределения происходит обрыв заготовки без отслоения.
Список литературы
1. Барышников М.П., Чукин М.В., Бойко А.Б. Анализ программных комплексов для расчета напряженно-деформированного состояния композиционных материалов в процессах обработки давлением // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2012. № 4. С. 72-74
2. Laird C. The influence of metallurgical structures on fatigue crack propagation: a review. 1967. 131 p.
3. Blochwitz C., Tirschler W. In-Situ scanning electron microscope observations of the deformation behaviour of short cracks // Materials science and engineering. 2000. P. 273.
4. Nakajima K., Terao K., Miyata T. The effect of microstructure on fatigue crack propagation of a+p titanium alloys // Materials science and engineering. 1998. P. 176.
5. Wiliams D.B., Carter C.B. Transmission electron microscopy: a textbook for materials science. Plenum press. 1996.
Барышников Михаил Павлович, канд. техн. наук, проф., arcosmag@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова,
Чукин Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., проректор по научной и инновационной работе, m. chukin@,mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Гун Геннадий Семенович, д-р техн. наук, проф., советник ректора, goon amag/ii.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова,
Бойко Артём Борисович, асп., boyko.ab@,mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
ANALYSIS OF THE IMPACT OF STRUCTURAL INHOMOGENEITIES ON THE STRESSSTRAIN STA TE OF THE STEEL WIRE DRA WING PROCESS
M.P. Baryshnikov, M.V. Chukin, G.S. Gun, A.B. Boyko
The paper presents the results of investigation of structural inhomogeneities on the stress-strain state of carbon steel wire, and the probability of a break in the drawing process. Performed finite-element simulation program Simulia Abaqus process drawing of steel wire with a different distribution of non-metallic inclusions in the cross section of the workpiece. The results of investigation of the microstructure of rod after hot rolling and determined the type of non-metallic inclusions. The investigations allow on the basis of computer modeling to determine the type of failure depending on the distribution of non-metallic inclusions on the cross section of the workpiece and to establish the most favorable location of inclusions, avoiding production losses caused by the breakage of the wire.
Key words: modeling, drawing, structure inhomogeneity, nonmetallic inclusions, microstructure.
Baryshnikov Mikhail Pavlovich, candidate of technical sciences, professor, arcos-mag@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, MagnitogorskNosov State Technical University,
Chukin Mikhail Vitalievich, doctor of technical sciences, professor, the prorector, m.chukin@mail.ru, Russia, Magnitogorsk,MagnitogorskNosov State Technical University,
Gun Gennadiy Semenovich, doctor of technical sciences, professor, the rector adviser, mgtu@magtu. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Boyko Artem Borisovich, postgraduate, boyko. ab@,mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
