Влияние фазовых превращений на напряженно-деформированное состояние металла при обработке высококонцентрированным источником нагрева
|
Введение 3
1 Анализ состояния вопроса и перспективы применения лазерной сварки
в машиностроении 6
1.1 Особенности распределения сварочных напряжений и деформаций при
лазерной обработке металлов 8
1.2 Анализ методов расчета микроструктуры при многократном нагреве и
охлаждении 11
1.3 Модели расчета свойств металла в температурном интервале фазовых
превращений 22
1.4 Анализ существующих методов учета фазовых превращений при расчете напряжений и деформаций 23
2 Алгоритм термомеханической задачи 27
2.1 Описание принятых физических и математических моделей 27
2.1.1 Температурная задача 27
2.1.2 Металлографическая задача 29
2.1.3 Механическая задача 33
2.2 Обоснование метода расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений 36
2.3 Уравнения связи напряжений и деформаций с учетом фазовых
превращений 37
3 Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций 43
Заключение 53
Библиографический список 55
1 Анализ состояния вопроса и перспективы применения лазерной сварки
в машиностроении 6
1.1 Особенности распределения сварочных напряжений и деформаций при
лазерной обработке металлов 8
1.2 Анализ методов расчета микроструктуры при многократном нагреве и
охлаждении 11
1.3 Модели расчета свойств металла в температурном интервале фазовых
превращений 22
1.4 Анализ существующих методов учета фазовых превращений при расчете напряжений и деформаций 23
2 Алгоритм термомеханической задачи 27
2.1 Описание принятых физических и математических моделей 27
2.1.1 Температурная задача 27
2.1.2 Металлографическая задача 29
2.1.3 Механическая задача 33
2.2 Обоснование метода расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений 36
2.3 Уравнения связи напряжений и деформаций с учетом фазовых
превращений 37
3 Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций 43
Заключение 53
Библиографический список 55
Развитие и техническое перевооружение промышленности без создания принципиально новых материалов и технологий, которые способны обеспечить снижение материалоёмкости выпускаемой продукции, увеличение эксплуатационных характеристик и экологическую безопасность. К одним из наиболее перспективных и быстроразвивающихся технологических процессов относятся лазерные технологии [23,37].
Интерес к лазерному лучу обусловлен возможностью достижения высоких значений мощности и плотности потока тепловой энергии, а также легкостью транспортировки. Эксперименты показывают, что лазерные технологии не только позволяют экономить, но и получать материалы с новыми свойствами, недостижимыми с помощью традиционных технологий.
Отличительной особенностью сварки мощными высококонцентрированными источниками энергии (лазерным и электронным лучом) является так называемое «кинжальное» проплавление, при котором обеспечивается значительная глубина проплавления при малой ширине шва [13].
Вопросы прочности и работоспособности сварных конструкций всегда остаются важными и актуальными. Для решения этих вопросов могут быть использованы как расчетные, так и экспериментальные методы. Экспериментальные методы в большинстве своем очень дорогостоящие трудоемкие, поэтому для оценки напряженно - деформированного состояния сварных соединений все шире используются расчётные численные методы, к которым относятся метод конечных разностей и метод конечных элементов. Метод конечных элементов является мощным средством решения дифференциальных уравнений, описывающих различные физические процессы.
Развитие и применение расчетных методов для прогнозирования работоспособности и прочности сварных конструкций позволяет минимизировать количество необходимых экспериментов, а, следовательно, и используемых материалов и ресурсов.
При прогнозировании прочности сварной конструкции расчетные методы в отличие от экспериментальных позволяют исследовать напряженно- деформированное состояние в объеме металла.
Для решения задач методом конечных элементов существует множество коммерческих программ широкого назначения [14,26,48,49], однако они не позволяют учитывать многие факторы, существенно влияющие на напряженно- деформированное состояние сварного соединения.
Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние, а, следовательно, и на прочность и работоспособность конструкции, оказывают низкотемпературные фазовые превращения[50].Не только к количественным, но и к качественным ошибкам приводят расчеты напряженно-деформированного состояния без учета фазовых превращений. Поэтому в настоящее время актуальной остается проблема создания программного комплекса, позволяющего решать сварочные задачи с учетом характерных особенностей.
Целью данной работы является обоснование выбора математической модели напряженно-деформированного состояния с учетом низкотемпературных фазовых превращений при обработке металлов высококонцентрированными источниками тепла.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- проведение аналитического обзора, с целью выбора методики учёта низкотемпературных фазовых превращений при определении напряженно- деформированного состояния металла.
- обоснование выбора метод расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений.
-выбор методики расчета сварочных напряжений и деформаций с учетом фазовых превращений.
Проблемы прочности, точности изготовления и работоспособности сварных конструкций непосредственно связаны с изменением в процессе сварки температурных полей, структуры металла и напряженно-деформированного состояния. Актуальной является проблема оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений с учетом фазовых превращений
Интерес к лазерному лучу обусловлен возможностью достижения высоких значений мощности и плотности потока тепловой энергии, а также легкостью транспортировки. Эксперименты показывают, что лазерные технологии не только позволяют экономить, но и получать материалы с новыми свойствами, недостижимыми с помощью традиционных технологий.
Отличительной особенностью сварки мощными высококонцентрированными источниками энергии (лазерным и электронным лучом) является так называемое «кинжальное» проплавление, при котором обеспечивается значительная глубина проплавления при малой ширине шва [13].
Вопросы прочности и работоспособности сварных конструкций всегда остаются важными и актуальными. Для решения этих вопросов могут быть использованы как расчетные, так и экспериментальные методы. Экспериментальные методы в большинстве своем очень дорогостоящие трудоемкие, поэтому для оценки напряженно - деформированного состояния сварных соединений все шире используются расчётные численные методы, к которым относятся метод конечных разностей и метод конечных элементов. Метод конечных элементов является мощным средством решения дифференциальных уравнений, описывающих различные физические процессы.
Развитие и применение расчетных методов для прогнозирования работоспособности и прочности сварных конструкций позволяет минимизировать количество необходимых экспериментов, а, следовательно, и используемых материалов и ресурсов.
При прогнозировании прочности сварной конструкции расчетные методы в отличие от экспериментальных позволяют исследовать напряженно- деформированное состояние в объеме металла.
Для решения задач методом конечных элементов существует множество коммерческих программ широкого назначения [14,26,48,49], однако они не позволяют учитывать многие факторы, существенно влияющие на напряженно- деформированное состояние сварного соединения.
Существенное влияние на напряженно-деформированное состояние, а, следовательно, и на прочность и работоспособность конструкции, оказывают низкотемпературные фазовые превращения[50].Не только к количественным, но и к качественным ошибкам приводят расчеты напряженно-деформированного состояния без учета фазовых превращений. Поэтому в настоящее время актуальной остается проблема создания программного комплекса, позволяющего решать сварочные задачи с учетом характерных особенностей.
Целью данной работы является обоснование выбора математической модели напряженно-деформированного состояния с учетом низкотемпературных фазовых превращений при обработке металлов высококонцентрированными источниками тепла.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- проведение аналитического обзора, с целью выбора методики учёта низкотемпературных фазовых превращений при определении напряженно- деформированного состояния металла.
- обоснование выбора метод расчета свойств металла в температурном диапазоне фазовых превращений.
-выбор методики расчета сварочных напряжений и деформаций с учетом фазовых превращений.
Проблемы прочности, точности изготовления и работоспособности сварных конструкций непосредственно связаны с изменением в процессе сварки температурных полей, структуры металла и напряженно-деформированного состояния. Актуальной является проблема оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений с учетом фазовых превращений
Важными и актуальными в машиностроении и других отраслях промышленности остаются вопросы прочности и работоспособности сварных конструкций. Для решения данных вопросов о прочности и работоспособности используют в большинстве своем расчетные методы так как экспериментальные дорогостоящие и трудоемкие.
При прогнозировании прочности сварных конструкций очень важно исследовать напряженно-деформированное состояние металла и влияние на него низкотемпературных фазовых превращений. Расчеты напряженно- деформированного состояния без учета низкотемпературных фазовых превращений приводят не только к количественным, но и к качественным ошибкам.
В данной работе была исследована математическая модель напряженно- деформированного состояния с учетом фазовых превращений при лазерной обработке металлов. Математическая модель позволяет уточнить алгоритм решения термомеханической задачи с учетом низкотемпературных фазовых превращений в металлах.
Были рассмотрены задачи: температурная, металлографическая и механическая формулирующиеся строго совместно. Изменение температуры непосредственно приводит к изменению микроструктуры, возникновению и перераспределению напряжений и деформаций. Изменение микроструктуры в свою очередь также влияет на распределение температуры. Однако, если влияние слабое, эти три задачи можно разделить и решать последовательно.
Исследовано влияние низкотемпературных фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций при лазерной сварке. Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений показано на примере лазерной сварки встык пластин из нержавеющей аустенитной стали 12X18Н9Т и стали 09Г2.
Погонная энергия на единицу длины шва составляла ql(ys) = 25 Дж/мм2, скорость сварки v= 20 мм/с.
В аустенитной стали на протяжении всего времени охлаждения напряжения растут.
При наличии фазовых превращений приведены два крайних случая:
а) деформации трансформационной пластичности отсутствуют;
б) в момент фазовых превращений металл полностью разупрочняется.
Было проведено исследование влияния режима лазерной обработки на остаточные продольные, поперечные и угловые деформации сварных соединений, а также влияние режима лазерной сварки и геометрических размеров на объемность напряженного состояния.
При лазерной сварке встык двух пластин толщиной 12 мм зависимости напряжений в центре шва от коэффициента формы шва s/b(отношения толщины свариваемых листов к ширине шва). В узком шве объемность напряженного состояния высокая (напряжения больше предела текучести) и для уменьшения остаточных напряжений следует делать шов шире.
При прогнозировании прочности сварных конструкций очень важно исследовать напряженно-деформированное состояние металла и влияние на него низкотемпературных фазовых превращений. Расчеты напряженно- деформированного состояния без учета низкотемпературных фазовых превращений приводят не только к количественным, но и к качественным ошибкам.
В данной работе была исследована математическая модель напряженно- деформированного состояния с учетом фазовых превращений при лазерной обработке металлов. Математическая модель позволяет уточнить алгоритм решения термомеханической задачи с учетом низкотемпературных фазовых превращений в металлах.
Были рассмотрены задачи: температурная, металлографическая и механическая формулирующиеся строго совместно. Изменение температуры непосредственно приводит к изменению микроструктуры, возникновению и перераспределению напряжений и деформаций. Изменение микроструктуры в свою очередь также влияет на распределение температуры. Однако, если влияние слабое, эти три задачи можно разделить и решать последовательно.
Исследовано влияние низкотемпературных фазовых превращений на кинетику напряжений и деформаций при лазерной сварке. Влияние фазовых превращений на кинетику напряжений показано на примере лазерной сварки встык пластин из нержавеющей аустенитной стали 12X18Н9Т и стали 09Г2.
Погонная энергия на единицу длины шва составляла ql(ys) = 25 Дж/мм2, скорость сварки v= 20 мм/с.
В аустенитной стали на протяжении всего времени охлаждения напряжения растут.
При наличии фазовых превращений приведены два крайних случая:
а) деформации трансформационной пластичности отсутствуют;
б) в момент фазовых превращений металл полностью разупрочняется.
Было проведено исследование влияния режима лазерной обработки на остаточные продольные, поперечные и угловые деформации сварных соединений, а также влияние режима лазерной сварки и геометрических размеров на объемность напряженного состояния.
При лазерной сварке встык двух пластин толщиной 12 мм зависимости напряжений в центре шва от коэффициента формы шва s/b(отношения толщины свариваемых листов к ширине шва). В узком шве объемность напряженного состояния высокая (напряжения больше предела текучести) и для уменьшения остаточных напряжений следует делать шов шире.