Обеспечение необходимых физико-механических свойств элементов машиностроительных конструкций является непременным условием 50 обеспечения надежности и безопасности в эксплуатации. Завершающим этапом производства большего числа элементов металлоконструкций является термическая обработка, поэтому контроль и управление этим процессом определяет совокупность потребительских свойств и качества изделия.
Компьютерное моделирование кинетики тепловых процессов является эффективным инструментом определения оптимальных режимов термической обработки, что позволяет проводить анализ нестационарных процессов структурных и фазовых превращений, обеспечивает возможность учета не только изменения свойств в отдельных зонах в зависимости от температуры, но и кинетики теплосодержания системы с учетом протекания фазовых превращений. Изменение теплового состояния системы в результате реализации технологических процессов термической обработки может сопровождаться изменением фазового и структурного состава. Характер протекания структурно-фазовых превращений определяется направлением изменения теплосодержания системы (нагрев, охлаждение), значениями температур и скоростями охлаждения в критическом интервале температур при охлаждении при закалке. Проведение компьютерного моделирования кинетики тепловых процессов при термической обработке обеспечивает возможность учета изменения свойств в отдельных зонах в результате протекания структурных и фазовых превращений в зависимости от температуры, что способствует получению более полной информации о конечных свойствах изделия по всему объему, позволяет проводить оценку надежности и безотказности с учетом реализуемого спектра нагружений в эксплуатации. При проведении закалки при термообработке окончательная микроструктура стали определяется переходом аустенита в закалочные структуры или феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности. Тип получаемой структуры зависит от ряда факторов: химического состава стали, максимальной температуры нагрева до момента начала охлаждения, скорости охлаждения в интервале критических температур и фактической минимальной температуры охлаждения. Химический состав стали определяет спектр критических скоростей охлаждения и интервалы температур начала и окончания соответствующих структурно-фазовых превращений. Максимальная температура нагрева стали до момента начала охлаждения определяет степень 51 завершенности формирования однородной структуры аустенита. Скорости охлаждения аустенита в интервале температур его наименьшей устойчивости определяют характер превращений аустенита, т.е. наличие условий для формирования закалочных структур или распада аустенита на феррито- цементитные смеси различной степени дисперсности. Минимальная температура после завершения этапа охлаждения определяет степень завершенности структурно-фазовых превращений.
Решение тепловых задач в нестационарной нелинейной постановке обеспечивает возможность проведения уточненной оценки теплового и структурного состояний системы в каждый момент времени компьютерного моделирования. Решение задачи в нелинейной постановке предполагает учет кинетики теплофизических свойств в каждой точке континуума в зависимости от текущего теплового состояния, что достигается за счет использования банка данных свойств для соответствующей структурной составляющей рассматриваемой марки стали в заданном температурном диапазоне. В то же время, как отмечалось ранее, кинетика тепловых процессов в сталях может являться причиной протекания фазовых и структурных превращений на различных этапах охлаждения, связанных с перестроением кристаллической решетки и наличием диффузионных процессов. Отдельные фазовые и структурные составляющие одной и той же марки стали могут существенно отличаться по своим теплофизическим и механическим характеристикам. Использование при проведении компьютерного моделирования усредненных характеристик материала без учета кинетики фазовых и структурных превращений в соответствующих температурных диапазонах приводит к усреднению получаемых результатов, что отрицательно сказывается на их соответствии истинным процессам, протекающим в материале. Анализ фазовых и структурных превращений в материале на этапах нагрева и охлаждения связан с необходимостью выполнения ряда условий. Во- первых, для оценки кинетики структурных превращений необходимо на этапе охлаждения использовать диаграммы распада аустенита, обеспечивающие возможность оценки кинетики структурного состава в зависимости от скорости охлаждения в интервале критических температур. Во-вторых, при закалке состояние системы характеризуется наличием зон с высоким градиентом 52 температур и большой разницей между максимальными и минимальными значениями температуры в ограниченных областях.
Одной из наиболее распространенных марок сталей, применяемой для изготовления элементов машиностроительных конструкций, в том числе подвижного состава, является сталь марки 20ГЛ. В Российском университете транспорта разработана методика определения параметров термической обработки элементов машиностроительных конструкций на основе компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в стали с учетом получения заданного комплекса свойств и оценки остаточного напряженно-деформированного состояния конечного изделия. Для проведения уточненной оценки кинетики структурного состава стали марки 20ГЛ при тепловых процессах, связанных с термической обработкой, разработана методика, основанная на использовании диаграмм распада аустенита при охлаждении стали.
Анализ диаграмм показал, что имеет место значительное влияние содержания кремния на критические скорости закалки и прокаливаемость для данной марки стали. Поэтому при разработке и построении моделей рассматриваются обе диаграммы, что позволяет проводить анализ структурообразования при термической обработке с учетом отклонений химического состава в заданном диапазоне. Использование для анализа структурных превращений диаграмм распада аустенита стали, а также рассмотрение процессов с учетом незавершенности структурных превращений при охлаждении на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения является существенной новизной разработанных методик.
Материалы второй всероссийской научно-технической конференции "ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ И ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ"
