Диагностика механического состояния материалов в имитационном моделировании ТМО

Испытания образцов в условиях, имитирующих режимы термопластической обработки, могут проводиться как для всего технологического цикла ТМО, так и отдельных ключевых операций. Имитационный эксперимент прост, что особенно важно при разработке новых высокопрочных экономно легированных (в том числе наноструктурированных) сталей и сплавов, для которых режимы эффективной обработки заранее не известны.

Имитационное моделирование видится естественным, эффективным и необходимым звеном в развитии ТМО по пути к управляемым, высокопроизводительным и энергосберегающим технологиям производства новых материалов с заданными свойствами. Поэтому, для решения задач имитационного моделирования технологий разработаны и промышленно выпускаются установки «имитаторы»: деформационные дилатометры «ДИЛ» и специализированные деформирующие системы серии «Глибел» в различных модификациях и комплектациях.

Рассмотрим возможности одного из таких приборов - деформационного дилатометра «ДИЛ 805 А/Д» (рис. 34) как наиболее простого, позволяющего осуществлять горячее сжатие образцов.

Прибор «ДИЛ 805 А/Д» предназначен для получения информации об изменении размеров образцов в условиях нагрева и охлаждения, а также деформации сжатием. Для работы с дилатометром «ДИЛ 805 А/Д» необходимы цилиндрические образцы высотой 10 мм и диаметром 5 мм, у которых качество поверхностей должно соответствовать оценкам не хуже R_a = 2,5-0,63 и R_z = 10 – 3,2 по требованиям ГОСТ 23479, ГОСТ 2789, ГОСТ 27964. Использование образцов указанного размера позволяет выполнять оценку скорости деформации в «обратных» секундах (с^-1), как это принято в методах обработки материалов давлением. Например, при скорости движения захватов dl/dt от 10^-2 до 10² мм/с истинная скорость деформации окажется в интервале 10^-3÷10 с^-1.

а)

б)

Рис.34: а) – Деформационный дилатометр «ДИЛ-805 А/Д». На врезках показаны индукционный нагреватель прибора и дилатометрическая кривая фазового превращения. б) – серия термокинетических диаграмм, построенных для крупнозернистой стали при моделировании режимов ТМО.

Соблюдение рекомендованных размеров образцов также позволяет не учитывать возможное непостоянство локальных скоростей деформации вследствие изменения высоты и диаметра образца до значений истиной деформации 0,35 при сжатии усилием до 25 кН.

В процессе деформации данные автоматически с интервалом 40 мкс регистрируются в форме табличных массивов истинных напряжений (stress), деформаций (strain) и времени t (продолжительности) испытания. В дальнейшем программное обеспечение прибора позволяет сформировать графические зависимости σ(ε), σ(t) или ε(t).

Возможный интервал температур нагрева образцов 20 – 1500⁰С и диапазон скоростей деформации от 10^-3 до 12,5 с^-1 (10^-2 - 125 мм/с)[2]. Нагрев образцов осуществляется со скоростью ~70⁰С/с, что соответствует условиям реального производства. Установление стабильного режима в образце достигается за время не более 15 минут. Температура контролируется с помощью термопары, которая приваривается к образцу до эксперимента. Размер индукционного нагревателя превышает размеры образца, что обеспечивает поддержание изотермических условий пластической деформации. Помимо контролируемого нагрева, прибор позволяет производить охлаждение образцов со скоростями до 100 ⁰С/c обдувом струей инертного газа.

Приведенные технические характеристики дилатометра соответствуют условиям проката металла в небольших толщинах по технологии ТМО. Моделирование отдельных операций с варьированием температур и скоростей деформации позволяет воспроизвести условия термопластической обработки в локальных статистически представительных объемах и составить картину формирования структурно-механического состояния в металле.

а)
б)
Рис.35 Примеры диаграмм σ(ε), построенных по данным горячего сжатия образцов сталей феррито-перлитного (слева) и феррито-бейнитного (справа) классов с разными скоростями деформации при Т = 1000 оС –а) и со скоростью 10-3 с-1 при разных температурах –б).

Данные о поведении материала в условиях горячей деформации, полученные в режиме реального времени («in situ»), служат исходной информационной базой для оценки механического состояния сталей и сплавов (рис. 35).