автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование и моделирование процессов деформации листового проката стабильных и метастабильных сталей

Введение.

I Литературный обзор.

1.1 Структурные процессы в листовом материале при холодной пластической деформации

1.2 Механика моделирования знакопеременного изгиба с натяжением.

П Материалы и методики исследования.32

П. 1 Исследуемые стали.32

П.2 Методыиспытаний.33

П.2.1 Растяжение.33

П.2.2 Знакопеременный изгиб.34

П.2.3 Знакопеременный изгиб под натяжением.36

П.2.3.1 Протяжка через захват.36

П.2.3.2 Формование изделия «Омега».39

П. 3 Методики исследования.40

П. 3.1 Оценка зеренной структуры.40

П. 3.2 Измерение твердости.41

П. 3.3 Рентгеноструктурный анализ.42

П.3.4 Дилатометрический анализ.43

П. 4 Разработка аналитической модели и программного обеспечения расчета процесса деформации изгибом с натяжением.44

П.4.1 Общие принципы и допущения моделирования.44

П.4.2 Алгоритм моделирования протяжки через захват.48

ПАЗ Алгоритм моделирования формования изделия «Омега».70

П.4.4 Описание поведения материала.78

П.4.4.1 Монотонная нагрузка.78

П.4.4.2 Знакопеременная нагрузка.80

П. 5 Заключения по разделу: принятие моделью в расчет структурных и фазовых переходов .83

Ш Результаты и обсуждение.85

Ш.1 Экспериментальное исследование структурных процессов деформации в зависимости от состава, исходной структуры и условий деформации.85

Ш. 1.1 Общие для всех материалов тенденции.85

Ш. 1.2 Ферритная сталь.87

Ш. 1.3 Ферритная микролегированная сталь.88

Ш. 1.4 Сталь с ферритно-бейнитной структурой.89

Ш. 1.5 Аустенитная сталь.90

Ш.2 Термическая стабильность размера и формы образцов.96

Ш.З Протяжка через захват стали с интенсивным мартенситным превращением под нагрузкой.101

Ш.4 Моделирование эталонных испытаний.102

Ш.4.1 Знакопеременный изгиб.102

Ш.4.2 Протяжка через захват.107

Ш.4.3 Формование изделия «Омега».112

Ш.5 Заключения по разделу: оценка границ применимости моделей и рекомендации по выбору условий деформации, методов испытаний и расчетов для различных сталей.122

Выводы.126

Список использованной литературы.128

Приложения.132

Приложение 1. Дифрактограммы исследованных образцов.132

Приложение 2. Дилатограммы исследованных образцов.139

Введение

Введение

Моделирование процессов формообразования листового материала в настоящее время применяется всё чаще. Моделирование позволяет избежать метода «проб и ошибок» при подборе условий и технологических режимов на промышленных установках. Однако любым расчетным моделям необходимы надежные входные данные, и если такие данные, как размеры инструмента, силы пресса и другие технологические параметры, поддаются непосредственному измерению, то параметры материала гораздо сложнее привести к виду, пригодному для использования математической моделью. Описание поведения материала, особенно при сложных нагрузках, представляет собой наибольшую трудность при моделировании. Так, например, при глубокой вытяжке часто имеет место знакопеременное воздействие на материал - он изгибается, затем перегибается в противоположную сторону, и в то же время претерпевает растяжение. Такой цикл может повторяться несколько раз, причем с изменением амплитуды нагружения.

В этой связи исследование структуры и свойств материала и моделирование его поведения при сложных знакопеременных нагрузках представляет собой весьма актуальную задачу, решение которой направлено на оптимизацию технологических режимов получения металлопродукции с заданными свойствами.

Цель диссертационной работы - изучение изменения структуры и свойств листового проката сталей различных классов при эталонных испытаниях штамповки (протяжка через захват, формование «Омега»), и разработка математических моделей, описывающих эти опыты с учетом экспериментально обнаруженных закономерностей. Модели должны предсказывать силы пресса и поля напряжений и деформаций, как функцию свойств материала, технологических параметров и геометрии инструмента.

Основные задачи, которые решались для поставленной цели, можно сформулировать следующим образом:

1. Критический анализ существующих моделей и методов расчета деформации знакопеременным изгибом с натяжением.

2. Исследование структурных процессов, изменения фазового состава, текстуры, механических свойств сталей при холодной знакопеременной деформации.

3. Сравнение структуры, текстуры и свойств материала в различных зонах листовой заготовки и анализ взаимного влияния механики процесса и материаловедческих факторов: состава и структурного состояния стали.

4. Алгоритмическая и программная реализация метода расчета полей напряжений и деформаций в стационарном (протяжка через захват) и нестационарном (штамповка изделия «Омега») режимах.

Внсдсиис

5. Обоснование работоспособности и достоверности модели по результатам расчетно-теоретических и экспериментальных эталонных и тестовых испытаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• предложена и обоснована новая математическая модель итеративного расчета, применение которой позволяет рассчитать поля напряжений и деформаций, конечную форму изделия, величину упругого последействия заготовки, а также силовые характеристики процесса;

• разработаны 2 единицы уникального алгоритмического и программного обеспечения, реализующие предложенный метод математического моделирования;

• установлены границы применимости предложенной математической модели на основе экспериментальных данных о структурных процессах и изменении свойств деформируемых сталей различных классов.

Практическую ценность результатов работы представляют рекомендации по применению разработанной модели и созданные компьютерные программные средства, внедренные на предприятии SOLLAC Lorraine (Франция).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности процессов деформационного упрочнения холоднодеформированных сталей в зависимости от режима деформации и структурного состояния стали.

2. Результаты изучения эволюции структуры стабильных и метастабильных сталей в ходе холодной знакопеременной деформации изгибом с натяжением.

3. Разработанная математическая модель деформации знакопеременным изгибом с натяжением, и ее применение к описанию эталонных испытаний штамповки (протяжка через захват отборговкой, штамповка изделия «Омега»).

4. Рекомендации по выбору рациональных режимов деформации для достижения высокого комплекса механических и эксплуатационных свойств.

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:

• XVI Конгресс механики франкоговорящих стран, Франция, г. Ницца, 2003 г.;

• VII Международный конгресс по формованию материалов (ESAFORM), Норвегия, г. Тронхейм, 2004 г.

По теме диссертации опубликовано 5 работ. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 144 страницы текста, 80 рисунков, 12 таблиц и 81 наименование библиографии.

Выводы

1. Предложена и обоснована модель расчета деформации знакопеременным изгибом с натяжением, применение которой позволяет рассчитать поля напряжений и деформаций, конечную форму изделия, величину упругого последействия заготовки, а также силовые характеристики процесса.

2. Установлены границы применимости предложенной модели на основе экспериментальных данных о структурных процессах и изменении свойств деформируемых сталей различных классов. Так, показано, что деформации поверхностных волокон моделируемого материала при знакопеременном изгибе не должны превышать значение равномерного удлинения, полученное при монотонном растяжении. Кроме того, моделируемый материал не должен испытывать фазовых превращений как при монотонном растяжении, так и при знакопеременной деформации. Если же превращения имеют место, то в первом случае (как для аустенитной стали Г) входные данные модели (прежде всего, зависимость <тг=/(€])) не соответствуют реально происходящим при знакопеременном изгибе процессам; во втором случае (как для аустенитно-мартенситной стали Д) основные рабочие гипотезы модели теряют свою правомерность. Вне границ применимости модель следует воспринимать как инструмент оценочного расчета для получения скорее не количественных, а качественных зависимостей.

3. Результаты экспериментальной части работы свидетельствуют о преобладании в рассматриваемых ферритных сталях изотропного деформационного упрочнения при знакопеременном изгибе. Этот факт косвенно подтверждается и расчетами, результаты которых сильно зависят от выбора типа деформационного упрочнения материала. Так, если в модели используется модель кинематического деформационного упрочнения, различие между экспериментальными и расчетными данными всегда выше, чем при использовании модели изотропного упрочнения. В целом, при использовании гипотезы об изотропном упрочнении расчётные значения силовых характеристик процесса протяжки через захват достаточно хорошо описывают экспериментальные данные в широком диапазоне входных условий. Использование этой гипотезы для предсказания упругого последействия изделия «Омега» из ферритно-бейнитной стали также в большинстве случаев дает достаточно хорошие результаты.

4. Качественно влияние характеристик инструмента однозначно — чем выше «суровость» испытания (т.е. чем меньше радиус изгиба или расстояние между

Выно, заплечиками), тем сильнее упрочнение материала и тем однородней профиль остаточных деформаций, и тем меньше остаточная кривизна заготовки. В особенности это касается ферритной стали (сталь А), отличающейся меньшей исходной прочностью по сравнению с остальными исследуемыми материалами. Она характеризуется и меньшим уровнем остаточных макронапряжений, и меньшим уровнем микронапряжений, уравновешенных в микрообъёмах внутри зерна. Это ведет к меньшим поводкам (последействию) после деформации и к большему упрочнению, достигаемому при одинаковых деформациях.

5. Обнаружено влияние протяжки через захват на термическую анизотропию изменения размеров исследуемых материалов. Для всех исследуемых материалов знакопеременный изгиб приводит к более изотропному состоянию, по сравнению с испытанием на растяжение.

Список исио-тькшапной .imqxmpi,i

1. Арышенский Ю.М., Гречников Ф.В., Арышенский В.Ю. Получение рациональной анизотропии в листах. М.: Металлургия, 1987. 141 с.

2. Теория образования текстур в металлах и сплавах / Вишняков Я.Д., Барабэко А.А, Владимиров С.А. и др. Наука, 1979. 343 с.

3. Смирнов B.C., Дурнев В.И. Текстурообразование металлов при прокатке. М.: Металлургия, 1971. 254 с

4. Микляев П.Г., Фридман Я.Б. Анизотропия механических свойств материалов. М.: Металлургия, 1969. 269 с.

5. Губкин С. И. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947. 532с

6. Чиченев H.A., Кудрин А.Б., Полухин П.И. Методы исследования процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1977. 310 с

7. Бэкофен В. Процессы деформации. М.: Металлургия, 1977. 288 с.

8. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку. М.: Машиностроение, 1972.134 с.

9. Комиссарова JI.A, Липянко H.A., Прусаков Б.А., Сурин А.И., Круглое Б.А. Анизотропия механических свойств конструкционной стали // МиТОМ, 1984, № 12, стр. 25-28

10. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1976. 496 с.

11. БроекД. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980. 368 с.

12. Громов НИ Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978. 360 с.

13. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки // Гречников Ф.В., Дмитриев А.М., Кухарь В Д. и др. Под общ. ред. Овчинникова А.Г. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.

14. Бернштейн M.JI. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 431с.

15. Зинер К. Упругость и неупругость металлов. ИЛ, 1957.

16. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. 496 с.

17. Давиденков H. Н. ЖТФ, 1938, т. 8, вып. 6, с. 483

18. Новик A.C. В сб. Успехи физики металлов, т. 1, Металлургиздат, 1956, с. 7

19. Одинг И.А., Иванова B.C., Бурдукский В.В., Геминов Н.В. Теория ползучести и длительной прочности. Металлургиздат, 1959.

20. Одинг H.A., Сорокин О.В., Сазонов H Д. ДАН СССР, 1956, т. 92, № 3, с. 565.

21. Комник С.Н., Бенгус В.З. ДАН СССР, 1966, т. 166, № 4, с. 829

22. Давиденков H. H., Сахаров П. ЖТФ, 1934, т. 4, вып. 2, с. 376

23. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

24. Список иснолъчонанной лтсрапры

25. Вишняков ЯД. Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов. М.: Металлургия, 1975. 479 с.

26. Weinmann K.J., Rosenberger А.Н., Sanchez L.R. The Bauschinger effect of sheet metal under cyclic reverse pure bending // Annals of the CIRP, 1988, vol. 37, № 1, pp. 289-293.

27. Головлев В.Д. Расчеты процессов листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1974. 135 с.

28. Авдеенко A.M. Неустойчивость пластической деформации и разрушение. Диаграммадеформации неоднородных сред. ПМТФ, 2000, т.41, п. 6. с. 125

29. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть П. Деформация. М.: МИСиС, 1997. 527 с.

30. Kim СИ. Met. Trans. А, 1988, v. 19, № 5, p. 1263.

31. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1984. 360 с.

32. Бобылев А. В. Механические и технологические свойства металлов. М.: Металлургия, 1980. 296 с.

33. Boiling G.F., Richman RH. Scripta Met., 1970, v. 4, № 7, p. 539.

34. Гольдштейн М.И., Грачев C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985, 408 с.

35. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. Ч. I, М.: Мир, 1978. 806 с.

36. Прусаков Б.А., Липянко И.А., Круглое Б.А. Влияние штамповки с кручением и термической обработки на структуру и свойства тантала // МиТОМ, 1994, № 5, стр. 24-27

37. Филиппов М.А., Литвинов B.C., Немцовский Ю.Р. Стали с метастабильным аустенитом. М.: Металлургия, 1988. 256 с.

38. Максимова О.П., Москвичев И.Ф., Замбржицкий В.Н., Каминский Э.З. Физ. мет. и металловедение, 1976, т. 41, № 5, с. 986.

39. InoueA., YanoN., Masumoto Т. Trans. Iron Steel Inst. Japan, 1985, v. 25, № 11, p. 1069.

40. Painter M.J., Pearce R Metal flow through a drawbead // Sheet Metal Industries, 1976, № 7, p. 12-19.

41. Meinders Т., Geijselaers H.J.M., HuetinkJ. Equivalent drawbead performance in deep drawing simulations I I Numisheet, 1999, J.C. Gelin and P. Picart, eds., pp. 243-248.

42. You Y. Calculation of drawbead restraining forces with the Bauschinger effect // Proc. Instn. Mech. Engrs., 1998, vol. 212-B, pp. 549-553.

43. Nine H. D. Draw Bead Forces in Sheet Metal Forming // Mechanics of Sheet Metal Forming, D. P. Koistinen and N. M. Wang, eds., 1978, Plenum Press, New York, NY, pp. 179-211

44. Nine H.D. New Drawbead Concepts for Sheet Metal Forming // J. Applied metalworking, 1982, vol. 2, № 3, pp. 185-192.

45. Список испо п.тонанной лшерл\ры

46. Levy В.S. Development of a predictive model for draw bead restraining force utilizing work of Nine and Wang, J. Applied Metalworking, 1983, vol. 3, № 1, pp. 38-44

47. Stoughton T.B. Model of drawbead forces in sheet metal forming // Proc. 15th Biennal IDDRG Congress, 1988, pp. 205-214.

48. Marciniak Z, Duncan J.L. Sheet metal forming developments // Plasticity and modern metal forming developments, Blazinsky T.Z., ed., London, Elsevier, 1989, 359 p.

49. Felder E. Tribologie de l'emboutissage I I Techniques de l'ingénieur, 1994. В 7 535 1-32

50. Sanchez L.R., Weinmann K.J. An analytical and experimental study of the flow of sheet metal between circular drawbeads // ASME Journal of Engineering for Industry, 1996, v.l 18, pp. 45-54

51. Sanchez L.R. A new cyclic anisotropic model for plane strain sheet metal forming // International Journal of Mechanical Sciences, 2000, vol. 42, pp. 705-728.

52. Cao J., Boyce M.C. Draw bead penetration as a control element of material flow. // Sheet metal and stamping symposium, 1993, vol. 102, pp. 694-702.

53. Yellup J.M., Painter M.J. The prediction of strip shape and restraining force for shallow drawbead systems // J. Applied Metalworking, 1985, vol. 4, № 1, pp. 30-38.

54. McClintock F.A., Zhou Q., Wierzbicki T. Necking in plane strain under bending with constant tension, 1992.

55. Седов Л.И. Механика сплошной среды. T. 1. 536 с. T. 2. 576 с. M.: Наука, 1976.

56. Swift H. W. Plastic bending under tension // Engineering, 1948, vol. 166, pp. 333-359.

57. Wang N.M. A mathematical model of drawbead forces in sheet metal forming // J. Applied Metalworking, 1982, vol. 2, № 3, pp. 193-199.

58. Chun B.K., Jinn J.T., Lee J.K. Modeling the Bauschinger effect for sheet metals, part I : theory // International Journal of Plasticity, 2002, vol. 18, pp. 571-595

59. Chun B.K., Jinn J. T., Lee J.K. Modeling the Bauschinger effect for sheet metals, part П : applications // International Journal of Plasticity, 2002, vol. 18, pp. 597-616

60. Jiang S., Garnett M, Liu S.D. Springback of sheet metal subjected to multiple bending-unbending cycles // SAE, 2000, vol. 1112, pp. 157-164.

61. Prévision du retour élastique lors du pliage des tôles // Mise en forme des métaux, M. Moussy, éd., Paris, 1987, pp. 471-488

62. Huang H.M., Liu S.D., Jiang S. Stress and strain histories of multiple bending-unbending springback process // Transactions of the ASME, 2001, vol. 123, pp. 384-390.

63. Список неполъ юнашюи литераторы

64. Tomita Y., Iwamoto T. Computational prediction of deformation behaviour of TRIP steels under cyclic loading // International Journal of Mechanical Sciences, 2001, vol. 43, pp. 2017-2034.

65. ГОСТ 11701-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент.

66. Справочник марок сталей: Пер. с нем. М.: Металлургиздат, 1963. 1922 с.

67. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

68. ГОСТ 25593-83. Пасты алмазные. Технические условия.

69. ГОСТ 11125-84. Кислота азотная особой чистоты. Технические условия.

70. ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.

71. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдения. М.:Наука, 1970,104 с.

72. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия // У майский Я.С., Скоков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев JI.H. М.: Металлургия, 1982. 632 с.

73. Mécanique des systèmes et des milieux déformables : L. Chevalier, Ellipses,1996, Paris, pp. 406

74. Ефимов H.B., Розендорн Э.Р. Линейная алгебра и многомерная геометрия. М.: Наука, 1970. 528 с.

75. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. 107 с.

76. Астахова И. Ф., Власов С. В., Фертиков В. В., Ларин А. В. Язык С++. Учебное пособие. М.: Новое знание, 2003.

77. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956.407 с.

78. Hill Я A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals, Proc. Roy. Soc. London, 1948, A 193, pp. 281-297.

79. Courvoisier L. Modélisation analytique et étude numérique de l'écoulement d'une tôle le long d'un jonc de retenue, thèse de doctorat, 2001, Université de Metz

80. Gotoh M., Katoh M., Yamashita M. Studies of stretch-drawing process of sheet metals I I Journal of Materials Processing Technology, 1997, vol. 63, pp. 123-128.

81. Zhao K.M., Lee J.K. Generation of cyclic stress-strain curves for sheet metals // Manifacturing in Engineering Division, 2000, vol. 11, pp. 667-674.

82. Kuwabara T., Ikeda S., Kuroda K. Measurement and analysis of differential work hardening in cold-rolled steel sheet under biaxial tension. Ill Journal of materials processing technology, № 80-81,1998, pp. 517-5231р1и11>Ж^1И1М