автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теплофизические особенности формирования литых композиционных и армированных материалов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ

РГб ОД УДК 621.74.04:620.1:536.2.061.62

3 На правах рукописи

КОРНИЕЦ Ирина Васильевна

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ И АРМИРОВАННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

специальность 05.16.04 - литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1994

Диссертация на правах рукописи

Работа выполнена в Институте проблем литья HAH Украины.

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор, Затуловский Сергей Семенович;

- кандидат технических наук, Тарасевич Николай Иванович

Официальные опоненты:

- доктор технических наук, профессор Катрус Олег Александрович; доктор технических наук Котлярский Франко Марьянович

Ведущая организация - Киевский политехнический

институт

Защита состоится 1994 года в 10 часов на

заседании специализированного совета Д 016.20.01 Института проблем литья HAH Украины.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 252142, г.Киев, ГСП-680, ир.Всрнадского 34/1 Институт проблем литья HAH Украины Телефон для справок: 444-34-50

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем литья HAH Украины

Автореферат разослан •¿//•> ал/еулл 1994

И.о. ученого секретаря специализированного ученого совета Д 016.20.01 доктор техн. наук

А.В.Черновол

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие научно-технического прогресса в машиностроении, станкостроении, энергетике и других отраслях промышленности в значительной мере связано с разработкой и применением новых материалов способных улучшить эксплуатационные показатели двигателей, машин, агрегатов, приборов, повысить их надежность, срок службы и снизить материалоемкость. Успехи науки в области материаловедения за последние десятилетия привели к созданию нового класса материалов - композиционных.

Особое место среди композиционных материалов занимают литые материалы, обладающие рядом несомненных преимуществ по сравнению с обычными способами синтеза - это более низкая энерго-.и ресурсоемкость; возможность использования вторичного сырья и отходов производства; возможность механизации и автоматизации производства.

В последние годы появилось большое количество работ по вопросам химии, физики, механики композиционных материалов — это работы К.И. Портного, Д.М. Карпиноса, И.Н. Фридляндера, Л.Браутмана, К. Крейзера, J1.B. Заболотного, Л.П. Хорошуна и др. Среди них можно отметить работы Ф.Д. Оболсицева - о физико-химических процессах при композиционном литье; A.A. Заболоцкого -э композиционных материалах получаемых пропиткой; M.JI. Заслав-:кого - о получении армированных отливок литьем под давлением; П.Б. Медовара - о литых армированных материалах, С.С. Затулов-;кого - о литых макрогетерогенных композиционных материалах, армированных гранулами.

Систематизация и анализ информации о методах исследования гетерогенных систем, особенностях различных стадий получения штых композитов, вариантах взаимодействия исходных компонентов, ;пособах конструирования, может расширить область их применения i определить пути оптимизации технологии. Поэтому целенаправ-1снныс исследования по изучению теплофизических особенностей (юрмирования литых композитов и развитие теоретических основ штья композиционных материалов, прогнозирование и оптимизация шраметров технологий получения материалов с наперед заданным сомплексом физико-технологических свойств несомненно важная и 1ктуальная задача. В данной работе решение указанных задач »сушествлялось посредством применения компьютерной техники, мс-одов математического и статистического моделирования, вычисли-ельного эксперимента.

Цель работы и задачи исследования:

- разработать математические модели исследования процессов формирования литых композиционных материалов различного типа с учетом технологических особенностей их получения;

- анализ некоторых теплофизических особенностей формирования литых композиционных и армированных заготовок;

- исследовать влияние технологических, теплофизических и геометрических факторов на термо-временные характеристики формирования литых композиционных заготовокси;

- разработать методику прогноза свойств литых композиционных материалов в зависимости от типа композита, массового соотношения компонентов, ориентации волокон (слоев);

- разработать методологию построения компьютерной системы проектирования литых композиционных материалов с наперед заданным комплексом физико-механических и служебных свойств.

Научная новизна. Учитывая технологические особенности получения литых композиционных и армированных заготовок предложены и реализованы различные подходы к построению математических моделей для исследования тепловых процессов их формирования: в модели для зернистых литых композитов учитывается изменение массового состава компонентов и согласно разработанной методике определяется динамика изменения свойств как функции координат и температуры; при моделировании процессов формирования армированных и слоистых заготовок особенности технологических приемов учитываются за счет выбора условий на внутренних и внешних границах.

Впервые методом вычислительного эксперимента установлено влияние геометрических, технологических и теплофизических параметров на процессы формирования литых композитов, получаемых по различным технологическим схемам.

Для литых композиционных материалов разработана методика расчета, предложен алгоритм и создана компьютерная система прогноза физико-механических характеристик в зависимости от массового соотношения компонентов, типа материала, ориентации волокон либо слоев.

Практическая значимость.. Предлагаемые математические модели, вычислительные алгоритмы и программное обеспечение, а также результаты проведенных теплофизических исследований могут быть использованы при выполнении научно-исследовательских работ и при разработке новых технологических процессов производства литых

композиционных и армированных заготовок, а также в базах знаний специализированных экспертных систем.

Результаты исследований позволили обоснованно выбрать рациональные режимы производства литых макрогеторогенных композиционных материалов (М2+ШХ15, КЗМц1+ШХ15) и штамповых заготовок, которые внедрены на таких предприятиях: завод "Тяжмаш" (г.Мариуполь), Лутугинское объединение прокатных валков; МК "Азовсталь" и др.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием фундаментальных положений механики сплошной среды, современными методами построения математических моделей и компьютерных систем, а также сопоставлением результатов расчета с прямыми замерами на лабораторных и промышленных установках, расхождение между значениями которых не превышают 5-10 %.

На защиту выносятся:

- математические модели для исследования процессов теплопере-. яоса при формировании литых композиционных и армированных заготовок, учитывающие технологические особенности их производства;

- результаты исследований по влиянию геометрических, теплофи-зических и технологических параметров на затвердевание литых композиционных заготовок;

- методика и компьютерная система прогноза физико-механиче-:ких характеристик литых композитов в зависимости от их типа, кассового соотношения компонентов, ориентации волокон (слоев);

- методологический подход к построению структуры компьютер-юй системы проектирования литых композиционных материалов с шперед заданным комплексом служебных и физико-механических :войств.

Публикации и апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в 12 статьях, доложены на IV и V всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы кристал-шзации сплавов и компьютерное моделирование" (г.Ижевск, 1990, 992 г.г.), II школе молодых ученых по численным методам 4еханики сплошных сред (г.Абакан, 1989г.), I Всесоюзной конферен-щи "Теория и практика процессов получения биметаллических и юмпозиционных отливок" (г.Киев,1991г.), семинаре "Моделирование |)изико-химичсских процессов, создание банков данных, расчетно-ин-Ьормационных и экспертных систем в области сварки и родственных ехнологий" (Алушта, 1993г.), семинаре "Нетрадиционные методы

снижения металлоемкости и повышения качества отливок" (г.Киев, 1993г.).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников из 129 наименований, приложений и содержит 139 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В основу литейных технологий получения композитов положено соединение жидкой и твердой фаз. Их формирование происходит в результате реализации многостадийных процессов, из которых можно выделить следующие основные этапы - заливка, смачивание и растекание матрицы, сопровождающиеся возникновением физического контакта между твердой и жидкой фазами, растворение, химическое и диффузионное взаимодействие, кристаллизация и охлаждение. Ведущее место среди перечисленных процессов, определяющих в конечном счете структуру композицита и его эксплуатационные свойствах, занимают тепловые.

При получении слоистых литых композиционных заготовок, процессы затвердевания, на первом этапе, будут определяться перераспределением тепловых потоков от жидкого металла через форму и свободную поверхность. Величина теплового потока со свободно!! поверхности определяется температурой окружающей среды и скоростью конвективных потоков у этой границы. При отсутствии принудительного охлаждения поверхностных слоев затвердевающего металла величина этой составляющей падает по мере снижения температуры.

- Тепловой поток через донную часть зависит от теплофизическш характеристик материала поддона, условий контакта металла ( формой. При использовании теплоизолирующих прослоек появляетС5 термическое сопротивление, которое может оказаться определяющи\ при формировании теплового потока через эту границу.

Следующим лимитирующим звеном тепловому потоку от жидкогс металла, является толщина формы (подложки) и, наконец, тепловьн условия на наружной поверхности формы. Величина тепловой потока определяется теплофизическими характеристиками материал; и величиной конвективных потоков в жидкой металлической ванне Их интенсивность определяется технологическими приемами и reo метрическими характеристиками изделия.

Для многослойных композиционных заготовок формирование последующих слоев определяется величиной теплового потока через затвердевший слой.

При получение аримированных и волокнистых заготовок появляется дополнительная составляющая теплового потока идущая на их разогрев. Вследствие чего у боковых стенок нарушается направленное затвердевание, что приводит к объемному затвердеванию у теплоотводящих поверхностей.

Использование внешних воздействий позволяет управлять интенсификацией тепловых потоков в жидком металле, например, применение давления приводит к уплотнению структуры металла.

При получении литых макрогетерогенных композиционных материалов с использование гранул можно выделить две характерные зоны теплопередачи - внутренние и у теплоотводящих поверхностей. Внутренние объемы формируются за счет теплообмена между матрицей и включениями. Соотношение начальных температур и тепло1 физических свойств исходных материалов обуславливают качество их соединения, а также структуру материала в переходной зоне. Перераспределение тепловых потоков между боковой и донной поверхностями зачастую приводит к изменению направленного затвердевания. На свободной поверхности теплообмен происходит за счет радиации и конвекции.

При моделировании процессов формирования литых макрогетерогенных композиционных материалов, армированных гранулами, получаемых литьем и пропиткой считаем, что:

1) время заполнения жидким металлом пространства между гранулами мало по сравнению со временем формирования композита;

2) теплофизичсские характеристики зависят от температуры и эпределяются исходя из массового соотношения матричного металла и гранул;

3) получаемый композит является зернистым (согласно принятой ч работе классификации) материалом со случайной структурой, что адет возможность проводить осреднение при определении параметров :реды.

При моделировании процессов формирования армированных и ;лоистых материалов особенности технологических приемов учитывается за счет выбора условий на внутренних и внешних границах и шбором геометрии расчетной области. Таким образом, в общем :лучае уравнение, описывающее изменение теплового состояния в

многосвязной неоднородной среде с учетом фазовых превращений можно представить в виде:

^ - Л, ( ) + Л

Т

где Ж/ = / а-угйТ + ксуг'1(Т) - энтальпия, с,, у/. А/ - теп-

о

лоемкость, плотность л коэффициент теплопроводности соответственно, зависящие от температуры и координат; к / - скрытая теплота кристаллизации; ц (Г) - объемная доля жидкой фазы при фазовом переходе; Г - объемная плотность джоулсвых источников, \ = ],...,п - количество сред (слоев).

При нсидеальном тепловом контакте двух сред (слоев) удельные потоки энергии непрерывны при переходе через границу 1, однако искомое решение оказывается разрывным

[("• Vr>' "" ] (Д

= 0 < 2 )

«i [Г] И = {¿rVT )•"// ]_li < 3 >

где ai - коэффициент теплопередачи между нсоднородностями (слоями, волокнами); [ Т ] - скачок температур, который претерпевает температурное поле на границе нендеального контакта по направлению нормали к границе /; /, = нш, - внутренние границы, nil - проекция вектора нормали к границе /; .

Граничные условия в общем случае можно представить в виде (теплообмен за счет радиации и конвекции одновременно):

А • VT = £Л " стд • <рА (т\ - т\) + а-[ г] ^ < 4 '

где Л = SQ - внешние границы; а - постоянная Стефана-Больцма-

i

на; е - степень переизлучения; <р - степень черноты; Q = ^ со;.

!

В начальный момент времени считаем заданной температуру каждою из материалов:

= 7'0 ( 5 }

и массовое соотношение компонентов.

Композиционные материалы, армированные гранулами, в основном имеют случайную структуру, обусловленную, как неправильной формой армирующих элементов, так и случайным расположением, применение теории случайных функций при определении эффективных значений макроскопических характеристик позволяет охватить практически все наблюдаемые структуры. Поэтому при моделировании процессов формирования материалов, армированных гранулами считаем, что теплофизичсские характеристики, входящие в уравнение ( 1 ), являются случайными функциями координат и статистически однородны на расстояниях значительно превосходящих размеры неоднородностсй среды. Учитывая принятые допущения, теплофизичсские характеристики определяем исходя из массового соотношения компонентов - матрицы и армирующих гранул следующим образом:

- коэффициент теплопроводности, X

Г- 2 П-У2-ЛЗ <6)

х - <А> ~ 3-<л> + (У2 - VI) -Аз

где Яз = Я1 - ¿2 ; <А> = ЯгVI + Л2-У2

- плотность, у

У = п-п + у2'П ( 7 )

- теплоемкость, с

с = с-1 • VI + с2-у2 ( 8 )

При получении зернистых композиционных материалов одним из определяющих физических процессов наряду с теплопередачей являются процессы пропитки жидким металлом объема, занятого включениями. Предполагаем, что продвижение жидкого металла описывается уравнением Дарси в виде

ОР а , н 2 ( 9 )

где /< - коэффициент динамической вязкости жидкого металла; Р, уж - давление и плотность жидкого металла; и - скорость течения расплава; 6(1), /3(7) - вязкостный и инерционный коэффициенты определяемые экспериментально. Дополнив его уравнением неразрывности среды

Луи = О ( 10 )

получим замкнутую систему уравнений для описания процессов формирования композиционных материалов.

Известно, что окончательная структура литого композита формируется под влиянием двух групп факторов: физико-химических и технологических. Основными факторами в первой группе являются физико-химические свойства армирующих элементов и матрицы, характер их взаимодействия. Во второй группе - геометрические параметры армирующих элементов и матричного материала, способ литья композита и все параметры связанные с соответствующей технологией. Изучение комплексного влияния перечисленных факторов является существенным при создании композитов с наперед заданным комплексом физических и эксплуатационных свойств.

Композиционные материалы, армированные гранулами. В качестве матричных материалов использовались медь М2 и бронза КЗМц1, включений - гранулы стали ШХ15. На рис.1 для сопоставления приведены температурные кривые (расчетные и экспериментальные), полученные в процессе пропитки бронзой КЗМц1 гранул стали ШХ15 (а) и кривые охлаждения армированной отливки медь М2 + гранулы стали ШХ15, полученной литьем (б). Как видно расхождение температур незначительно, что свидетельствует об адекватном описании предлагаемой моделью реальных процессов. При проведении вычислительного эксперимента установлено, что изменение начальной температуры исходных материалов .(матрицы и включений) в интервале 1150 - 1250 °С приводит к линейному увеличению времени, необходимому для достижения во всем объеме кристаллизующегося композита температуры меньше или равной температуры плавления матрицы (времени формирования композита).

При получении* литых макрогетерогенных композиционных материалов, армированных гранулами, процесс формирования можно разбить на три этапа, каждый из которых отличается характером изменения скорости охлаждения: первый - соответствует снятию теплоты перегрева матричного металла, второй - времени выделения скрытой теплоты фазовых превращений в интервале затвердевания,

а) б)

Рис.1

Распределение температур при получении литыхмакрогетерогеиных заготовок, армированных гранулами,получаемых пропиткой (а) и литьем (б) :------армированная отливка; х - результаты натурных экспериментов; - - - моноотливка-меди; - . - разогретые гранулы

третий - выравниванию температуры затвердевшего композита. Продолжительность этапов определяете?! начальным тепловым состоянием компонентов, условиями контакта и свойствами матричного металла и армирующих гранул, а также интенсивностью теплообмена с окружающей средой.

Для изучения комплексного влияния перечисленных выше параметров использовали методы планирования эксперимента и регрессионный анализ. Был составлен план вычислительного эксперимента относительно начальной температуры исходных материалов (Тп), которая варьировалась от 1150 до 1250 °С, и массового содержания гранул (%ук1) от 10 до 90%. Обработка результатов эксперимента позволила получить в виде полиномов второго порядка зависимость зремени формирования композита ((ф, сек) от перечисленных выше тлрамстров. Ниже приводятся эти зависимости для двух матричных материалов:

- матрица медь М2

1ф = 2.0243-(%vkl) + 0.0034-(%vkl)2 - 2.0279-(Tu) + ( 11 )

+ 0.00/84-(Tu)2 - 0.00185■ (%vJc1-Th) R = 0.99904 - матрица бронза КЗМц1

t<p = 0.2175-(Tu) - 4.0622-(%vkl) + 0.0037-(Tir%vkl) + ( 12 ) + 0.00025-(Tu)2 + 0.00598-(%vklf R = 0.9919

где R - коэффициент корреляции. Как видно, значение коэффициента корреляции свидетельствует об удовлетворительном описании предлагаемыми зависимостями времени формирования композита.

Композиционно материалы армированные макровставками. Одним из видов литых композиционных материалов можно рассматривать армированные заготовки (с макровставками), которые нашли применение, в частности, при производстве штампов. В последнем случае они выполняют роль своеобразных демпферов, поглащая основные нагрузки и, таким образом, увеличивают срок эксплуатации.

На рис.2 представлена кинетика формирования армированного штампа, вставка в котором составляет 38% от всей массы, температура жидкого металла при заполнении кристаллизатора - 1525 °С. Его затвердевание происходит за счет теплоотвода через поддон, боковые стенки кристаллизатора и за счет разогрева вставки, что подтверждают предлагаемые температурные кривые. Область между поддоном и нижней частью вставки является областью затрудненного питания, т.к. образовавшиеся "мосты" затвердевшего металла могут - привести к образованию внутренних усадочных раковин и значительной пористости.

Для определения условий, обеспечивающих качественное соединению жидкого металла и вставки (температура поверхности вставки достигает значения 0.7-0.8 Ti ), был проведен обширный вычислительный эксперимент, позволивший оценить влияния начальной температуры вставки (Тв,°С) на толщину намороженнго слоя (6, см) в ее нижней части, время достижения этой поверхностью (t, сек) заданной температуры и градиент температур, результаты которого представлены на номограмме (рис.3). Так, например для рассматриваемой геометрии - вставка 38% от всей массы, увеличение начальной температуры вставки повышает температуру контактной поверхности и снижает толщину твердой корки. При заливке жидкого металла на вставку с начальной температурой 500 °С ее поверхность прогревается до температуры 800 °С через 20 секунд и толщина намороженного слоя при этом составляет 3.4 см. И;

И. С»

Рис .2

Кинетика затвердевания штамновой заготовки с центральной вставкой при воздействии высокотемпературным сосредоточенным источником нагрева

Рис.3

Зависимость времени достижения нижней поверхностью вставки заданной температуры (1,2,3), величины градиента температур (4,5,6) и толщину намороженного слоя (7,8,9) от начальной температуры вставки.

номограммы видно, что при начальной температуре вставки ниже 600 °С ее поверхность не прогревается до температуры 1000 °С (температуры свариваемости). Для обеспечения качественного соединения между арматурой и жидким металлом температура предварительного подогрева вставки рассмотренной геометрии должна быть не менее 700 - 800 °С. Ниже представлены уравнения, позволившие рассчитать время, для которого на границе раздела аналитические зависимости отражающие эти кривые:

Помимо штампов со вставками прямоугольного сечения были промоделированы варианты кристаллизации штампов с центральными вставками в виде треугольников с вершинами вверх и вниз и в виде круга, а также расщепленными вставками. В работе показано, что наиболее благоприятна круглая вставка, а при использовании расщепленных вставок для обеспечения питания нижней части штампа жидким металлом необходимо, чтобы расстояние между элементами-вставками составляли 2 - 2.5 их толщины.

Слоистые материалы. При получении многослойных слитко£ важной является задача исследования условий теплового взаимодействия между слоями, а для избежания образования дефектов нс поверхностях контакта слоев необходима разработка рациональны? режимов, обеспечивающих направленное снизу вверх затвердевание Один из способов решения этой задачи — воздействие высокотемпературным источником нагрева на поверхность залитого металла.

В работе были проведены исследования по оценке величинь температуры поверхности первого слоя в момент заливки второй при которой обеспечивается качественное соединение слоев. Был1 рассмотрены случаи, когда заливка второго слоя осуществляла^ после достижения поверхностью ранее залитого слоя температур! 0.5 (Т| + Тб) и Т4. В первом случае изотерма ликвидуса имее' разрыв в месте контакта слоев, траектория изотермы солидус;

Ч^о^ЗОО = 36.0 - 0.005-ГС - 0.0005-Г0 2 <3|Г/гой.=800 = 3-803 + 0.00536-Та. - 0.00001 -Тв. 2

при 300 °С < Тв. < 800 °С;

( 13 )

' \-Tnoe =1000 = 314-95 " 0.5501 - Те. + 0.00024 • Тв 2 д1Тиов.=1000 = 0.0186-Го. - 0.00002-Го. - 0.7219

^ при 600 °С < Тв. < 1000 °С. с .

2

( 14 )

Iосмотря на тепловой удар, который оказывает второй слой, практи-1сски не деформируется, а время кристаллизации, исчисляемое по !зотерме солидус, практически не изменилось по сравнению с хэмогенным слитком той же высоты. Во втором же случае на траектории изотермы солидус заметно воздействие теплового удара, поражающееся в повторном частичном подплавлении металла перво-хэ слоя. При уменьшении размера второго слоя (при сохранении :уммарной высоты слитка) величина повторно подплавившейся зоны ■тановится больше.

Особый интерес представляет возможность получения двухслойно-о слитка, в котором толщина одного из слоев значительно меньше фугого. В качестве примера рассматривалась кинетика формирова-шя слитков для случаев когда первый слой имеет малую толщину, тервым заливается слой большей толщины. Показано, что при юрвом способе, время в течении которого происходит кристаллиза-Ц1я первого слоя незначительно, что создает технологические труд-юсти особенно при заливке порций из различных марок стали. С фугой стороны, такой способ имеет то преимущество, что форма юверхности первой порции не претерпевает изменений усадочного характера и остается плоской. Кроме того, в этом случае кристал-шзация второго слоя происходит без частичного расплавления гервого слоя, что позволяет избежать образование зоны переменного остава.

Волокнистые литые композиционные материалы. При контакте кидкого металла с твердыми волокнами процесс теплопередачи южет происходить по нескольким схемам: образуется устойчивая вердая корка на поверхности волокна и затвердевание идет после-ювательно до момента встречи направленных фронтов; при контакте кидкого металла с холодным волокном образуется твердая корка, :оторая под действием теплоты перегрева расплавляется. Разогрев юлокна приводит к повторному образованию твердой корки и юследовательному затвердеванию расплава; перегрев расплава вызы-1ает подплавление либо полное расплавление волокна и дальнейшее ;атвсрдевание расплава; начальная температура волокна превосходит емпературу заливаемого расплава, что обуславливает увеличение фемени снятия теплоты перегрева и начала затвердевания металла.

С целью анализа влияния различных факторов на условия [юрмирования композиционной отливки была проведена серия вы-[ислительных экспериментов, в которых в качестве матричных материалов рассматривали серый чугун (СЧ20) и силумин (АЛ2), фмирующие элементы - стальная проволока (0.1 - 0.6% С) диамет-

ром 1, 2, 3 и 4 мм. Исследования проводились для образцо диаметром 50 мм и высотой 100 мм, получаемых в стальны окрашеных формах.

В процессе формирования композиционной отливки температур ный градиент по мере прогрева как в матрице, так и в армирую щей фазе падает и их величина, как и скорость кристаллизации зависит от начального соотношения температур жидкой и твердо фазы, от шага армирования и диаметра волокон. В процесс разогрева наблюдается снижение градиента температур как в жид кой, так и твердой фазах. Температура на границе матрица-арми рующее волокно при перераспределении температур слабо изменяет ся и находится в диапазоне 730 — 800 °С (при начальных темпе ратурах компонентов - 1300 °С для матрицы и 20 °С для волокон] Увеличение начальной температуры волокон приводит к сниженш температурных градиентов в матрице и волокнах и увеличенш температуры на границе раздела, которая может достигать значени 850 - 920 °С (при начальных температурах компонентов - 1400 °< для матрицы и 500 °С для армирующих волокон). После нагрев волокон можно ожидать установления температуры в композите н уровне 800 °С в первом случае и 900 °С - во втором.

При начальной температуре волокон 20 °С имеет место образе вание стабильной твердой корки на поверхности арматуры. Высоки скорости охлаждения и небольшая температура на границе контакт могут привести к образованию нссплавлсния включений и матриць При повышении начальной температуры армирующих элементе условия соединения улучшаются.

Для фиксированных начальной температуры матрицы и армнру ющих волокон проведена серия вычислительных эксперименте! целью которых было установить влияние шага армирования, всличи ны процентного содержания и размера включений на величин максимальной твердой корки перед се расплавлением. В качеств объекта исследования избран режим кристаллизации, при которо образовавшаяся твердая корка на поверхности армирующих элсмсь тов расплавляется под влиянием перегрева жидкого металла. Обр: ботку результатов вычислений проводили относительно безразмерны харакеристик д, А, т": 6 = дщв.А."/г - О ~ отношение максималЕ ной твердой корки ( д шв.) перед началом ее подплавления половине расстояния между армирующими волокнами ( Н/2 - г А = г/{ и/г - г ) - отношение радиуса арматуры к половине paccTos

T\cm. ~ Тв.

ния между волокнами ; Т = -=-=— - отношение разност

1.4. ~~ 1 в.

1Сжду установившейся температурой в системе матрица- волокно и шчальной температурой волокон к разности начальных температур шдкого металла и волокон.

Из проведенных исследований следует, что максимальная величи-ш твердой корки, образующаяся при контакте жидкого металла с олокном, не превосходит 1/4 расстояния между ними, причем это начение устанавливается при Д > 0.7. Относительная температура фактически не зависит от геометрических характеристик, а ее начение определяется начальными значениями температур исходных штериалов. Используя полученные зависимости можно по массовому оотношению исходных материалов оценить шаг армирования и иаметр волокна. В результате проведенных исследований получена юмограмма (рис.4), связывающая геометрические характеристики рмирования с величиной установившейся температуры и размером вердой корки.

Так, например, для проволоки диаметра 2 мм и шагом рмирования 3.0 мм, из части (Г) находим объемное содержание

I

Рис.4

1лиянис геометрических параметров армироваиия на толщииу намороженного лоя и установившуюся температуру.

олокон - 10%, части (А) - связь установившейся в объеме

температуры с начальными значениями температур исходных мате риалов - 0.92, части (В) - относительную величину намороженнок твердой корки - 0.4, части Б - зависимость степени армирования о-шага армирования для волокон различного диаметра.

При исследовании условий формировании композиционного мате риала АЛ2-стальная проволока установлено, что низкая температур; волокон приводит к образованию устойчивой корочки металла I последующим ее ростом. При высоких начальных температура: наблюдается образование твердой корочки, которая иод действиел перегретого жидкого металла расплавляется, а затем, после снятш перегрева, начинается последовательная кристаллизация.

Замечено, что при фиксированной геометрии армирования компо зита и начальной температуре матрицы существует значение на чальной температуры волокон (Ткр.), ниже которой процесс затвер девания обусловлен последовательной кристаллизацией, а выше затвердевание сопровождается образованием нестабильной твердо! корки. Обработав результаты вычислительного эксперимента метода ми регрессионного анализа, получены аналитические зависимости связывающие величину "критической" начальной температуры воло кон с геометрическими характеристиками (выраженными безразмер ным параметром £ = 2г /(Н/2 - г)). Так, например, для начально! температуры матрицы Тмат. = 890°С она имеет вид:

Ткр, = - 11.325-- 108.04/^ + 396.383 ( 16 :

Компьютерная система проектирования композиционных материа лов с заданным комплексом физико-механических свойств.

Известно, что одним из путей решения задачи получени! материала с заданным комплексом свойств является создашп профильных экспертных систем. Эта проблема актуальна и дл; литых композиционных материалов. Основными элементами эксперт ных систем являются банки данных и базы знаний. Полнота 1 достоверность этих структур обеспечивает их высокую эффектив ность при конструировании композитов и разработке параметро! технологии.

Предлагаемая компьютерная система представляет собой много уровневую линейную структуру, схема которой представлена н; рисунке 5. При работе с системой можно выделить нескольк« важнейших звеньев.

Первый - выбор вида композита и технологии его получения.

Гио.?

Принципиальная схема '^гзнизаст! компьютерной системы проектирования яал рядозшдояннх материалов

Второй - определение вида, условий и результатов эксперимент; в случае необходимости его проведение.

Третий - работа с банком данных (обработка, поиск аналогов др.).

Четвертый - получение необходимых характеристик (результат прогноза либо оптимизации). В зависимости от исходной задач возможно участие в работе не всех звеньев, а какого-то одно: звена либо их любой группы.

При формировании базы знаний используется накопленный эмш рический опыт, положенный в основу при разработке технологии! ских процессов получения литых композиционных материалов, также закономерности формирования материалов, базирующиеся I фундаментальных положениях механики сплошной среды и завис! мостях, полученных в результате статистической обработки характ ристик банка данных.

Компьютерная система предполагает несколько режимов работ] информационно-справочный; прогноза; проектирование технологи проектирование новых материалов; наполнение банка данных; н полнение базы знаний.

Использование диалогового режима значительно расширяет кр пользователей системы, что делает эффективным се использован! не только при проведении научных исследований, но и в услови; производства.

ВЫВОДЫ

1. Предложена классификация композиционных материалов, уч тывающая технологические особенности их получения и назначен] в зависимости от структуры композита и природы компонентов.

2. Предложены и реализованы различные подходы к построен! математических моделей для исследования теплофизики формиров ния литых композиционных материалов различных типов с учет( технологических особенностей их получения. В модели для зерн стых литых композитов учитывается объемное содержание кажде из компонентов, согласно разработанной методике определяются с свойства как функции координат и температуры. При моделирог нии процессов формирования армированных и слоистых материал особенности технологических приемов учитываются за счет выбо условий на внутренних и внешних границах.

3. Используя методы теории случайных функций разработа методика расчета физико-механических характеристик литых комг

иционных материалов, предложен алгоритм и создана компьютерная истсма прогноза свойств композита в зависимости от его типа, 1ассового соотношения компонентов, ориентации волокон (слоев).

4. Разработанное на базе предложенных математических моделей рограммное обеспечение для ПЭВМ позволило провести серию ычислительных экспериментов по исследованию закономерностей ерераспределения тепловых потоков, изменению термо-временных араметров литых композиционных и армированных заготовок при азличных технологических схемах их производства.

Получены аналитические зависимости, связывающие гсометри-еские и технологические параметры с термо-временными характери-гиками формирования литых зернистых композитов, получаемых итьем и пропиткой, которые могут быть использованы при разра-отке технологий и для оптимизации технологических параметров.

6. Установлено, что при получении литых макрогетсрогснных омпозиционных материалов, армированных гранулами, процесс фор-[ирования можно разбить на три этапа, каждый из которых тличается характером изменения скорости охлаждения: первый — эответствует снятию теплоты перегрева матричного металла, второй - времени выделения скрытой теплоты фазовых превращений в нтервале затвердевания, третий — выравниванию температуры атвердевшего композита. Продолжительность этапов определяется ачальным тепловым состоянием компонентов, условиями контакта и войствами матричного металла и армирующих элементов, а также нтенсивностью теплообмена с окружающей средой.

7. Анализ динамики изменения температурных полей при фор-ировании литых макрогетсрогснных композиционных материалов, рмированных гранулами, позволил установить зависимость времени юрмирования композита от начальной температуры матрицы и ассового соотношения гранул. Причем последняя носит существенно елинейный характер при массе армирующих элементов более 70%.

8. Изучены особенности формирования штамповых заготовок, рмированных макровставками, и предложены рекомендации по ыбору рациональных режимов их получения:

- показано, что применение вставки сокращает время формиро-ания заготовок штампа почти в два раза (по сравнению с оноотливкой). Для сокращения зоны физической и химической еоднородности и повышения качества заготовки рекомендуется ин-енсифицировать процесс подпитки двухфазной зоны, например, за чет применения высокотемпературного источника нагрева;

- исследовано влияние геометрии вставки, ее расположения массы на характер затвердевания и качество затвердевшего металл; При использовании расщепленных вставок из 2-х и более элементе для обеспечения питания нижней части штампа жидким металло необходимо, чтобы расстояние между элементами-вставками состаг ляли 2 - 2.5 их толщины;

- для практического использования предложена номограмм; позволяющая корректировать технологические параметры, при коте рых обеспечивается качественное соединение макровставки с жидки металлом в областях затрудненного питания.

9. Изучены особенности формирования волокнистых композит онных материалов, установлено, что характер затвердевания жидко! металла определяется начальным соотношением температуры матри* ного металла и волокна и геометрическими параметрами армиров; ния. Предложены номограммы, связывающие массовые соотношени исходных материалов, шаг армирования и диаметр волокна параметрами затвердевания.

Анализ кривых охлаждения показал, что существует значен!: критической температуры, которое определяет направленное затве( девание материала матрицы на волокнах. Ее значение определяете начальным соотношением температур компонентов и гсометрическ! ми параметрами армирования. Получены аналитические зависимое! значения критической температуры от параметров армирования.

10. Изучены условия формирования литых слоистых композищ онных материалов:

- установлено влияние высокоэнергстического источника нагрег на характер затвердевания жидкого металла, методом вычислител] ного эксперимента выделены пять диапазонов изменения его интс! сивности, характеризующих соответственно: образование встречно! фронта затвердевания в верхней части слитка; образование двойне двухфазной зоны (в донной и верхней части); направленное ввер затвердевание слитка; частичное затвердевание слитка с образоваш ем в его верхней части стационарной ванны жидкого металла;

- проанализировано тепловое взаимодействие металла перв01 слоя с заливаемым перегретым металлом второго слоя, а такя изучена связь геометрических и теплофизических условий формир< вания слоистых композитов с размером переходной зоны меж;: слоями и параметрами затвердевания.

И. Разработана структура компьютерной системы проектирован! литых композиционных материалов с заданным комплексом физию механических и эксплуатационных свойств.

12. Математические модели, вычислительные алгоритмы и про-аммное обеспечение, а также результаты проведенных теплофизи-:ских исследований могут быть использованы при разработке новых хнологических процессов производства литых композиционных ма-риалов, в базах знаний специализированных экспертных систем, стемах автоматизированного проектирования и управления техно-)гичсскими процессами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

В РАБОТАХ:

1. А.С.Затуловский, Н.И.Тарасович, И.В.Корниец, Л.Л.Забельни->ва. Применение математического моделирования для исследования «становления штампов в установках с электрошлаковым обогревом ' Научно-технический прогресс в производстве ферросплавов и ¡ектростали.-НИИМ, Челябинск, 1988.-С.25-28.

2. А.С.Затуловский, А.А.Лейн, Н.И.Тарасевич, И.В.Корниец. Эф-:ктивность армирования крупных литых штампов ЭШО // Пути тышения качества и экономичности литейных процессов.-ПИ,Одесса,1988.-С.31-33.

3. Н.И.Тарасевич, В.П.Кутузов, В.К.Диденко, И.В.Корниец, П.Шелковникова. Исследование процесса затвердевания двухслой-.IX прокатных валков для стана 5000 // Новое в механизации :рной металлургии. - Днепропетровск,НПО "Черметмеханизация", i88.-C.5-10.

4. И.В.Корниец. Методы расчета свойств литых композиционных 1териалов // Суспензионное литье-Киев,ИПЛ АН Украины, 1988.95-100.

5 Н.И.Тарасевич, И.В.Корниец. Численное моделирование затвер-вания ограниченного объема жидкого металла с массивным внут-нним холодильником при учете внешнего воздействия на свобод-|й поверхности / / Численные методы механики сплошной среды,-ГУ,Красноярск, 1989.-С.58-64.

6. И.В.Корниец. Получение штамповых заготовок в установках с ектрошлаковым обогревом / / Тез.докл. I Международной конфе-нции молодых ученых в области сварки и смежных технологий.-4ев, ИЭС им.Е.О.Патона, 1989.-С.132-133.

7. Н.И.Тарасевич, И.В.Корниец. Математическое моделирование юцессов формирования литых композитов, армированных гранула-

ми. // Проблемы кристаллизации сплавов и компьютерное модели рование.-УдГУ,Ижевск, 1990.-С.35-37.

8. И.В.Корниец, А.В.Гура, Е.АЛипинская. Расчет физико-механ* ческих свойств композиционных материалов с помощью ПЭВМ / Прогрессивные технологии и материалы.-Киев, ИПЛ АН Украинь 1990.-С.95-101.

9. Н.И.Тарасович, И.В.Корниец, З.И.Майзлин. Численное модели рование особенностей формирования литых композитов, армировав ных гранулами // Теория и практика процессов получения бимс таллических и композиционных отливок.-Киев,1991.-С.14-16.

10. Н.И.Тарасевич, Г.Д.Костенко, И.В.Корниец, Е.Н.Стоянов; Исследование тепловых особенностей формирования биметаллически пар методами математического моделирования // Теория и практик процессов получения биметаллических и композиционных отливок. Киев, 1991.-С. 19-21.

11. Н.И.Тарасевич, В.С.Гаврилюк, И.В.Корниец. Влияние диффе ренцированного теплоотвода на структуру и свойства биметалличс ских отливок // Новые литые материалы и технология их получе ния.-Киев,ИПЛ АН Украины,1991.-С.42-48.

12. Н.И.Тарасевич, И.В.Корниец, В.В.Мартынкж Некоторые тег лофизические исследования формирования литой дроби // Процесс литья.-Киев,ИПЛ АН Украины, 1993.-К 3.-С.20-26.