ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ "DEFORM-3D" Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

TECHNICAL SCIENCES

STUDY OF THE HEAT TREATMENT PROCESS OF SHEET METAL IN THE SOFTWARE

PACKAGE "DEFORM-3D"

Poletskov P.,

DrSc (Eng.), director of the Engineering Center of the Research Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia

Kuznetsova A.,

PhD, senior researcher, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia

Gulin A.,

PhD, senior researcher, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia

Emaleeva D.,

PhD, junior researcher, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia

Alekseev D.

engineer Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ "DEFORM-3D"

Полецков П.

д.т.н., директор Инженерного центра научно-исследовательского отдела, Носов Магнитогорский государственный технический университет, Магнитогорск, Россия

Кузнецова А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Магнитогорский государственный технический университет им. Носова, Магнитогорск, Россия

Гулин А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Магнитогорский государственный технический университет им. Носова, Магнитогорск, Россия

Емалеева Д.

кандидат технических наук, младший научный сотрудник, Магнитогорский государственный технический университет им. Носова, Магнитогорск, Россия

Алексеев Д.

инженер Носов Магнитогорский государственный технический университет, Магнитогорск, Россия

https://doi.org/10.5281/zenodo.7377396

Abstract

The paper proposes a finite element model of the change in the thermal state of the metal during hardening. As a result of modeling, it was found that in the studied range of values, the temperature of the cooling water does not have a significant effect on the formation of a thermal field and the distribution of internal stresses over the cross section of sheet metal.

Аннотация

В работе предложена конечно-элементная модель изменения теплового состояния металла при закалке. В результате моделирования установлено, что в исследованном диапазоне значений температура охлаждающей воды не оказывает существенного влияния на формирование теплового поля и распределение внутренних напряжений по сечению листового металла.

Keywords: sheet metal, heat treatment, computer modeling, Deform-3D, temperature field, stress state

Ключевые слова: листовой металл, термообработка, компьютерное моделирование, Deform-3D, температурное поле, напряженное состояние.

Введение

Одним из видов термической обработки, широко используемых для достижения высокопрочного состояния стали, является закалка. При проектировании режимов закалки необходимо учитывать следующие основные факторы, определяющие механические свойства и геометрические параметры готового изделия:

- температура нагрева металла под закалку;

- температура охлаждающей среды;

- скорость перемещения раската;

- схема охлаждения (число зон и коллекторов по зонам, расход воды по зонам охлаждения);

- толщина проката и др.

В связи с этим целью работы является исследование влияния температуры охлаждающей воды на формирование теплового поля и напряженное

состояние листового проката в процессе охлаждения.

Материалы и методы исследования

В качестве метода исследования использовано конечно-элементное моделирование в программном комплексе DEFORM-3D [1-6]. Предполагалось, что охлаждение металла в процессе закалки осуществляется в ролико-закалочной машине (РЗМ) и предусматривает непрерывное перемещение листового проката между двумя рядами роликов, установленных с зазором. Величина зазора соответствует толщине проката и составляет 10 мм. Скорость перемещения металла принималась равной 15 м/мин.

РЗМ состоит двух зон - интенсивного и малоинтенсивного охлаждения. Зона интенсивного охлаждения снабжена 2 группами коллекторов щелевого типа: коллектор №1 первой группы, а также коллекторы №2-1 и №2-2 второй группы. Зона малоинтенсивного охлаждения снабжена коллекторами ламинарного охлаждения.

С целью исследования применялась имитационная модель изменения теплового состояния металла в процессе охлаждения. В разработанной модели учитывалось изменение температуры металла

за счет охлаждения на воздухе при транспортировке проката от нагревательной печи до первого коллектора, а также в промежутке между коллекторами и секциями РЗМ. Кроме того, учитывалось, что в процессе охлаждения формируется три области контакта воды с металлом, характеризующиеся разными условиями теплоотдачи: область соударения потока воды с поверхностью листа, область малой интенсивности водяного потока, а также область пленочного кипения.

С целью демонстрации особенностей и возможностей модели в качестве исследуемого материала использовалась микролегированная сталь (microalloyed steel) из стандартной библиотеки программного комплекса DEFORM-3D.

Температура нагрева металла под закалку принималась равной 850 °С. Теплообмен металла с охлаждающей средой задавался в виде расчетного коэффициента теплоотдачи. Температура окружающей среды приравнивалась к температуре охлаждающей воды и варьировалась в диапазоне от 20 до 30 °С.

Результаты

Влияние температуры воды на распределение температурных полей по сечению охлаждаемого металла представлено на рисунке 1.

температура воды: 20 °С

температура воды: 23 °С

температура воды: 26 °С температура воды: 30 °С

Рисунок 1 - Изменение температуры металла в процессе закалки в воде 1 - нижняя поверхность; 2 - центр; 3 - верхняя поверхность

Как следует из рисунка 1, изменение температуры охлаждающей воды не оказывает существенного влияния на тепловое состояние по сечению проката. Так, при увлечении температуры воды с 20 до 30 °С на выходе из коллектора №1 разность температур поверхностных и центральных слоев металла составляет всего 3 °С. На выходе из коллектора №2- 2 рассматриваемая разность температур

возрастает до 5 °С. После завершения процесса закалки температура листовой стали соответствует температуре воды. Следует отметить, что коэффициент теплоотдачи при этом изменяется в достаточно широком диапазоне. На рисунке 2 в качестве примера приведены значения коэффициента теплоотдачи, рассчитанного для коллектора №1.

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры охлаждающей воды при различных температурах металлопроката

Влияние температуры воды на распределение напряжений по сечению металла представлено в рисунке 3. Учитывая динамону изменения теплового состояния проката в процессе закалки (рисунок 1) исследование проводилась только для зоны интенсивного охлаждения РЗМ.

б

150

о л

0 2 4 6 8 10 Расстояние от верхней поверхности, мм - 20 ......... 23 --- 26 ---30

в

Рисунок 3 - Влияние температуры воды на распределение напряжений по сечению охлаждаемого металла: а - на выходе из коллектора №1; б - на выходе из коллектора №2_1 в - на выходе из коллектора №2_2

Как следует из рисунка 3, температура охлаждающей воды не оказывает существенного влияния на распределение напряжений по сечению охлаждаемого листа. Максимальные растягивающие напряжения в центральной области проката и максимальные сжимающие напряжения на его поверхности формируются в коллекторе № 1 зоны интенсивного охлаждения. Растягивающие и сжимающие напряжения достигают 178 МПа и -56 МПа, соответственно. При охлаждении в последующих коллекторах уровень напряжений постепенно снижается и на выходе из коллектора №2_2 составляет 109 МПа и -27 МПа, для максимальных растягивающих и сжимающих напряжений соответственно.

Заключение

В результате конечно-элементного моделирования установлено, что в исследуемом диапазоне значений температура охлаждающей воды не оказывает существенного влияния на формирование теплового поля и распределение внутренних напряжений по сечению листового проката. Полученные данные служат научным заделом при проектировании прогрессивных технологий изготовления многофункциональных материалов с требуемым комплексом эксплуатационных характеристик.

Работа выполняется в ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» при финансовой поддержке Минобр-науки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием высшего учебного заведения (Соглашение № 075-11-2021-063 от 25.06.2021 г.).

Список литературы:

1. Development of a finite element model for calculation of the thermal field of coil rolled products in the thermomechanical process / Alekseev, D.Yu., Gu-lin, A.E., Emaleeva, D.G., Kuznetsova, A.S. // Chernye metally, 2022(5), Pp. 55-60

2. Macro- and micromechanics of pearlitic-steel deformation in multistage wire production / Konstanti-nov, D.V., Korchunov, A.G., Zaitseva, M.V., Shiryaev, O.P., Emaleeva, D.G. // Steel in translation, 2018, 48(7), Pp. 458-462

3. Microstructure-based computer simulation of pearlitic steel wire drawing / Konstantinov D., Korchunov A., Emaleeva D., Chukin M., Shiryaev O. // Metal 2017 - 26th international conference on metallurgy and materials, Conference proceedings. 2017. Pp. 642-647.

4. Multiscale simulation of cold axisymmetric deformation processes / Konstantinov D., Korchunov A. // Key engineering materials. 2016. Т. 685. Pp. 1822

5. Multiscale computer simulation of drawing with statistical representation of TRIP steel microstructure / Konstantinov, D.V., Korchunov, A.G., Shiryaev, O.P., Zaitseva, M.V., Kuznetsova, A.S. // Steel in translation, 2018, 48(4), Pp. 262-267

6. Multiscale computer simulation of metastable steel rod drawing by using statistical representation of microstructure / Konstantinov, D., Bzowski, K., Korchunov, A., Kuznetsova, A., Shiryaev, O. // Metal 2017 - 26th International conference on metallurgy and materials, conference proceedings, 2017, 2017-January, Pp. 863-869