Способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения cockcroft-latham
Владельцы патента RU 2595821:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" ФГАОУ ВО "СПбПУ" (RU)
Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к образцам и может быть использовано в металлургии и машиностроении. Сущность: проводят температурно-деформационную обработку металла и осуществляют испытания на растяжение до разрушения. Производят определение сужения в шейке образца, вычисление предельных деформаций, воспроизведение испытаний на растяжение методом численного моделирования в программной среде, сопоставление результатов численного моделирования с результатами «реальных» испытаний на растяжение и определение предельного значения критерия разрушения производится при достижении предельной деформации. Технический результат: повышение достоверности определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham для любых процессов обработки металлов давлением. 2 ил.
Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к образцам и может быть использовано в металлургии и машиностроении.
Известен способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham [Kenji Takada, Kentaro Sato, Ninshu Ma Fracture prediction of high strength steels with ductile fracture criterion and strain dependent model of anisotropy // 12th International LS-DYNA Users Conference: 3-5 June 2012. - Detroit. - USA. - 2012]. Способ включает проведение «реальных» испытаний на растяжение до разрушения при заданной температуре и скорости деформации, воспроизведение испытаний на растяжение методом численного моделирования в программной среде и определение предельных значений по кривым «напряжение-деформация», добиваясь полного совпадения реальной и виртуальной кривой. Способ не позволяет определить предельные значения нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham с учетом температурно-деформационной истории обработки металла. Определение предельных значений по кривой «напряжение-деформация» при проведении «реального» теста на растяжение является не достаточно корректным и обоснованным.
Наиболее близким, выбранным за прототип, является способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham [Харитонов В.А., Столяров А.Ю. Экспериментальное определение критерия разрушения при волочении высокоуглеродистой катанки // Сб. науч. трудов: «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении»: 26-30 ноября 2013 г. - Екатеринбург. - 2013. - С. 113-118]. Способ включает следующие операции:
- испытания на растяжение до разрушения образца при температуре 25°С по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 1497-84,
- воспроизведение испытаний на растяжение методом численного моделирования в программной среде,
- сопоставление результатов численного моделирования с результатами «реальных» испытаний на растяжение,
- определение предельного значения нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham по изменению угла наклона кривой «напряжение-деформация».
Недостатками способа являются: не учитывается температурно-деформационная история обработки металла; несоответствие скоростей деформации при «реальных» экспериментах на растяжение процессу волочения; определение предельных значений по кривой «напряжение-деформация» является не достаточно корректным и обоснованным, что в совокупности не дает достоверной картины разрушения металла.
Задачей является повышение достоверности определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham, что позволит повысить выход годного металла.
Для решения поставленной задачи предложен способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham, включающий следующие операции:
- воспроизведение на специальных образцах всего цикла предшествующей температурно-деформационной обработки металла, в соответствии с рассматриваемой технологией обработки металлов давлением, например прокатка, ковка, штамповка, волочение и др.;
- испытание на растяжение до разрушения образца, например, при температурах от 20 до 1400°С и скорости деформации от 0 до 200 с-1;
- определение сужения в шейке образца в относительных единицах по формуле , где Fo и Fк - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца;
- вычисление предельных деформаций по формуле 
;
- воспроизведение испытаний на растяжение методом численного моделирования в программной среде;
- сопоставление результатов численного моделирования с результатами «реальных» испытаний на растяжение;
- определение предельного значения критерия разрушения производится при достижении предельной деформации 
.
Предварительная температурно-деформационная обработка металла позволяет сформировать в образце структуру металла, которая соответствует моменту предполагаемого разрушения при анализе конкретной технологии. А предельные значения критерия разрушения характеризуются именно структурным состоянием металла. Таким образом, совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи.
Согласно нормализованному критерию разрушения Cockcroft-Latham, разрушение металла наступает в тот момент, когда расчетные значения СК-Л больше или равны предельным значениям 
.
Значения 
являются структурно чувствительными величинами и, как и структура, зависят от температуры, степени и скорости деформации, накопленной деформации.
Нормализованный критерий разрушения Cockcroft-Latham основан на оценке полной работы деформации на единицу объема в точке разрушения:
где εi - накопленная интенсивность деформации в момент разрушения; σ1 - главное растягивающее напряжение; σi - интенсивность напряжений по Мизесу.
При выполнении условия:
должно происходить разрушение металла.
На заключительной стадии численного моделирования рассматривается растяжение образца до разрушения. Значения критерия 
перед имитацией деформации в каждой последующей клети стана определяются для момента достижения предельных истинных деформаций в месте разрыва, рассчитанных по экспериментальным данным, как 
, где Ψ - сужение в шейке. Таким образом, определение предельных значений критерия, зависящих от температуры, скорости, степени деформации и накопленной деформации, производится в момент, соответствующий появлению трещин на виртуальном образце при заданной предельной деформации:
Предлагаемым способом были определены предельные значения нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham в процессе горячей прокатки листового проката на непрерывном стане 2000 и реверсивном стане 5000. Для этого были выполнены следующие операции.
Выбрали образец для моделирования многопроходной деформации с последующим определением пластичности и предельных деформаций (фиг. 1). Воспроизводили многопроходную прокатку на станах 2000 и 5000 с заданными температурно-деформационными режимами. Для воспроизведения многопроходной прокатки на станах использовали метод «растяжение-сжатие». Проводили «реальные» испытания на растяжение до разрушения образца с определением пластичности стали и предельных деформаций в каждой из клетей стана 2000 или проходе стана 5000, непосредственно после воспроизведения всех стадий прокатки. При этом задавали температуру и скорость деформации во время растяжения, равную скорости деформации в данной клети, например, температуры испытания для различных технологий обработки металлов давлением могут варьироваться от 20 до 1400°С, а скорости деформации от 0 до 200 с-1. Например, при определении пластичности металла в 8-й клети стана 2000 образцы проходили следующую обработку:
- нагрев до 1200°С и выдержка в течение 60 с для полной аустенизации;
- имитация прокатки в 5 клетях черновой группы стана с заданными термомеханическими параметрами прокатки и временами пауз между проходами;
- выдержка и охлаждение на промежуточном рольганге;
- имитация прокатки в 6 и 7 клетях чистовой группы стана с заданными термомеханическими параметрами прокатки и временем паузы между проходами;
- деформация растяжением до разрушения в 8-й клети стана 2000 с определением максимальной истинной деформации до разрушения и сужения образца в шейке после охлаждения.
Пластичность оценивали при помощи измерения относительного сужения образца в шейке в относительных единицах по формуле 
, где Fo и Fк - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца. Начальная площадь поперечного сечения образца Fo=6 мм, после испытания на растяжение до разрушения в 8-й клети стана 2000 конечная площадь поперечного сечения образца Fк=0,56 мм, отсюда относительное сужение образца в шейке в относительных единицах 
.
Предельную деформацию вычисляли по формуле 
. После испытания образца на растяжение до разрушения перед 8-й клетью стана 2000 предельная деформация 
.
Для определения 
на термомеханическом комплексе имитировали горячую прокатку на станах, а в программной среде численно моделировали обработку образцов как на термомеханическом комплексе. Виртуальные образцы по размерам соответствовали фиг. 1.
На фиг. 2 представлены: конечно-элементная модель образца для математического моделирования обработки образцов на термомеханическом комплексе (а); финальная стадия разрушения образца при моделировании в программной среде (б) и на термомеханическом комплексе (в) в 8-й клети стана 2000 при температуре Т=870°С; финальная стадия хрупкого разрушения образца при физическом и математическом моделировании (г, д). Полученные предельные значения нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham используются для оценки возможности разрушения сталей в процессе горячей прокатки. Для этого проводится численное моделирование процесса горячей прокатки на виртуальных станах 2000 и 5000 в программной среде и с расчетом нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham. Затем расчетные значения СК-Л сравниваются с предельными значениями 
и делается заключение о возможности разрушения исследуемого металла в соответствии с соотношением (2).
Расчетное значение СК-Л в 8-й клети стана 2000 при моделировании прокатки в программной среде составило 0,86, а предельное значение 
, отсюда следует, что 
, значит при горячей прокатке в 8-й клети стана 2000 разрушение металла происходить не должно.
Таким образом, предлагаемый способ значительно облегчает и повышает достоверность определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham для любых процессов обработки металлов давлением, например прокатке, ковке, штамповке, волочении и др., что позволяет разрабатывать неразрушающие режимы пластической обработки металлов и сплавов и приводит к повышению выхода годного металла.
Способ определения предельных значений нормализованного критерия разрушения Cockcroft-Latham, включающий испытания на растяжение до разрушения, воспроизведение испытаний на растяжение методом численного моделирования в программной среде, сопоставление результатов численного моделирования с результатами «реальных» испытаний на растяжение, отличающийся тем, что перед испытанием на растяжение проводят температурно-деформационную обработку металла, определяют относительное сужение в шейке образца, вычисляют предельную деформацию, после чего определяют предельное значение критерия разрушения при достижении предельной деформации.
