Исследование кристаллизации, макроструктуры, дефектов и напряженного состояния кузнечных слитков для изделий тяжелого машиностроения с использованием систем компьютерного моделирования и автоматизированного проектирования

• Автор: Бузинов, Евгений Игоревич
• Шифр специальности: 05.16.02, 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 175 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Дефекты слитка и его напряженное состояние. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

1.1 Кристаллизация и строение крупных кузнечных слитков

1.2 Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин

1.2.1 Горячие трещины

1.2.2 Холодные трещины.

1.3 Дефекты крупных кузнечных слитков.

1.3.1 Поверхностные трещины продольные и поперечные

1.3.2 Осевые трещины.

1.3.3 Дугообразные трещины.

1.3.4 Химическая неоднородность
1.4 Образование дендритной структуры
1.5 Влияние изложницы на процесс кристаллизации.
1.6 Влияние температуры жидкой стали
1.7 Влияние скорости разливки.
1.8 Влияние химического состава стали.
1.9 Влияние растворенных в стали газов
1. Существующие в настоящее время модели кристаллизации
слитка.
1. Заключение
2 Моделирование кристаллизации и напряженного состояния слитка.
2.1 Программа ii
2.2 Разработка математической модели кристаллизации слитка
2.3 Факторы, влияющие на образование трещин в слитках.
2.4 Описание комплекса математических моделей .
2.4.1 Модель тепловых процессов
2.4.2 Модель формирования структурных зон
2.4.3 Модель давлений и плотности металла
2.4.4 Модель напряженного состояния материала
2.4.5 Оценка жесткости НС
2.5 Анализ напряженного состояния слитка
2.6 Интегральный критерий дефектообразования
2.7 Методика работы с комплексом
2.8 Заключение
3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных исследования структуры и дефектов кузнечных слитков .
3.1 Методика исследования слитков.
3.2 Расчет и анализ слитка ,2т стали ХНЗМФА 1
3.3 Расчет и анализ слитка ,2т стали ХНЗМФА, отлитого с
инокуляцией струи расплава Лз2
3.4 Расчет и анализ слитка ,5т стали ХНЗМФА, отлитого с
применением специального поддона 3.
3.5 Обобщение результатов по трем слиткам.
3.6 Заключение
4 Моделирование кристаллизации слитков с различными геометрическими и технологическими параметрами
4.1 Начальные условия для моделирования. Их влияние на процесс
кристаллизации и образование дефектов в слитке
4.2 Описание объектов исследования
4.3 Слитки с разной температурой разливки.
4.4 Слитки с разным отношением высоты к диаметру
4.4.1 Бесприбыльные слитки
4.4.2 Прибыльные слитки.
4.5 Слитки с разной конусностью.
4.5.1 Бесприбыльные слитки.
4.5.2 Прибыльные слитки
4.5.3 Бесприбыльные слитки с обратной конусностью
4.6 Слитки из разных марок сталей
4.7 Слитки с различным объемом прибыли.
4.8 Слитки разного развеса.
4.9 Разная теплопроводность литейной оснастки
4.9.1 Разная теплоотдача от зеркала металла.
4.9.2 Разная теплоотдача от стенок прибыли
4.9.3 Разная теплоотдача от стенок изложницы
4.9.4 Разная теплоотдача в поддон.
4. Один и тот же слиток в разные моменты времени.
4. Заключение.
5 Оптимизация геометрии слитка с целью получения бездефектной поковки.
5.1 Система автоматизированного проектирования Выбор слитка
5.2 Применение САПР Выбор слитка во взаимодействии с комплексом .
5.3 Управление геометрическими параметрами слитка с целью его
оптимизации.
5.3.1 Управление высотой расположения дугообразных трещин.
5.3.2 Выбор слитка с учетом размеров дефектных зон
5.4 Изготовление и макроконтроль поковок с прямой и обратной ориентацией в слитке
5.5 Заключение
Список использованной литературы


Все это время тс же процессы идут в утепленной, прибыльной части слитка, только гораздо медленнее. Прибыль, застывая последней, компенсирует недостаток металла в теле слитка, возникший вследствие усадки. Металл в прибыли под действием силы тяжести и капиллярных сил пропитывает осевую зону. Если эта пропитка недостаточна, то под усадочной раковиной образуется осевая рыхлость, рисунок 1. В укороченных слитках это явление менее выражено [1, , ). У-образные трещины; 2 - дугообразные трещины Рисунок 1. Осевая зона слитка имеет самые неблагоприятные условия для своего формирования. Затвердевание этой зоны происходит в условиях максимального переохлаждения расплава, имеющего минимальный температурный градиент, и характеризуется ускоренным нарастанием твердожидкой фазы в вертикальном направлении. По мнению большинства исследователей [, , , , 4 и др. При этом усадочные напряжения в кристаллическом каркасе возникают сразу после его образования. Е - модуль упругости; 8 - поверхностная энергия; V - коэффициент Пуассона, 1 - длина трещины, имеющейся в металле. Из формулы следует, что предел прочности зависит от модуля упругости Е, величина которого возрастает с уменьшением температуры и, по данным авторов [, ], меняется в широких пределах (5 - МПа). При этом, величина разрывающего напряжения снижается с увеличением инициирующей трещины. В роли инициирующей трещины могут служить скопления пор и неметаллических включений, располагающихся на границах между кристаллами, в результате образуется междендритная трещина. Любые построенные человеком агрегаты и конструкции испытывают на себе определенные нагрузки в течение эксплуатации. Каждая деталь имеет слабые места, в которых ее разрушение наиболее вероятно. Расчеты на прочность, позволяющие выявить эти места начали производить давно. Еще Леонардо да Винчи (XV - XVI века) при расчете деревянных конструкций заметил, что они обычно разрушаются в одних и тех же местах. Так появилось понятие концентрации напряжений []. На микроуровне металлический материал представляет собой упорядоченную кристаллическую решетку. В идеальном случае все узлы кристаллической решетки заняты атомами. Предел прочности такого материала (так называемая «теоретическая прочность») составляет огромную величину - десятки гигапаскалей* []. Для сравнения - предел прочности стали обычно составляет порядка нескольких сотен мегапаскалей. Всегда есть множество нарушений однородности кристаллической решетки - начиная от дислокаций и заканчивая трещинами и неметаллическими включениями, видимыми невооруженным взглядом. Трещины являются распространенным пороком стального слитка. Они появляются по различным причинам, из которых главные - наличие напряжений и ослабленных участков в слитке. Трещины могут образовываться как во время кристаллизации слитка, так и после его полного затвердевания. Напряжения в отливках (активные и остаточные) вызывают отрицательные последствия. Активные напряжения, возникающие в процессе затвердевания и дальнейшего охлаждения, являются причиной образования горячих, холодных трещин и коробления, снижают механические свойства сплавов. Остаточные напряжения, суммируясь с термическими при нагреве под термообработку, или с рабочими, при эксплуатации, могут вызвать разрушение заготовок []. При хранении, транспортировке и эксплуатации происходит релаксация остаточных напряжений, приводящая к изменению геометрии изделия и появлению отклонений размеров, превышающих допускаемые. Температурный интервал образования трещин и вид излома - основные признаки, по которым трещины разделяют на горячие и холодные. По принятой классификации холодные трещины характеризуются внутрикристаллическим изломом, горячие - межкристаллическим []. Холодные трещины образуются в области температур упругих деформаций; горячие - при высоких температурах, когда упругие деформации металла в области разрыва практически не возникают. О температуре образования горячих трещин в литературе существуют разные данные от -°С [3, 6, ] до температур выше солидуса [].