Obrabotka Metallov. 2017 no. 2(75)

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 2 (75) 2017 70 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 2 Свойства материалов, используемых для математического моделирования Материал Плотность, кг/м 3 Коэффициент термического расширения, 1/ ̊С Модуль Юнга, ГПа Коэффициент Пу- ассона Предел текучести на сжатие / растя- жение, МПа Предел прочности на сжатие / растя- жение, МПа Сталь 45 7826 0,000012 210 0,28 245 / 245 – / 470 Армко-железо 7826 0,000012 210 0,28 140/140 – / 250 Медь М1 8940 0,0000165 130 0,35 120 / 120 – / 230 MnS 4000 0,0000181 90 0,3 – – Al 2 O 3 3950 0,000005 367 0,25 300 / 2100 300 / 2100 включением сульфида марганца MnS, твердым оксидом алюминия Al 2 O 3 или оставался незапол- ненным (пора). Данные о свойствах включений были получены из литературных источников [9, 15] (табл. 2). В связи с тем что распределение на- пряжений вблизи включений строчечного типа зависит от ориентации включения относительно направления действия внешней нагрузки, стро- чечные включения располагали параллельно, перпендикулярно и под углом 45  относитель- но направления действия внешней сжимающей силы. Подготовка конечно-элементной модели (по- строение 3D-модели образца, назначение типа конечных элементов (КЭ) и создание регуляр- ной КЭ-сетки) осуществлялась в программном комплексе ANSYS . Генератором ANSYS Meshing была сформирована гексаэдрическая КЭ-сетка с использованием следующих типов конечных элементов: Solid bodies – твердые тела моделиро- вали 8-узловыми тетраэдрами SOLID 45; Surface bodies поверхностные тела моделировали 4-уз- ловыми 4-угольными оболочковыми элемента- ми – SHELL 63; Line bodies – линейные тела мо- делировали 2-узловыми линейными элементами LINK 8. Размер конечных элементов варьировал- ся в интервале 50 нм…1 мм. Общее количество элементов ( Elements ) составляло 340 000. При моделировании использовалась модель изотроп- ного поведения тел ( Isotropic Elasticity ). На ос- новании данных [9, 15], приведенных в табл. 2, в совокупности с функционалом компонента системы ANSYS Engineering Data была подго- товлена база с описанием всего комплекса фи- зико-механических характеристик материалов. Результатом моделирования являлись картины распределения интенсивности полей напряже- ний вблизи дефектов различной формы, размера и морфологии. Проверку достоверности данных математи- ческого моделирования проводили при помощи рентгеноструктурного анализа зональных на- пряжений с последующим сравнением результа- тов с данными математического моделирования. В качестве модельного материала использовали образцы из армко-железа, являющегося гомо- генным материалом, у которого в отличие от стали 45 в  -фазе не возникают дополнитель- ные внутренние напряжения, связанные с фазо- вым наклепом. С целью получения равновесной структуры с минимальным уровнем внутрен- них напряжений образцы подвергали отжигу в вакуумной печи. Определение напряжений в образцах производилось на рентгеновском дифрактометре ARL X’TRA. Перед съемкой рентгенограмм проводилась подготовка поверх- ности образцов. После механического шлифова- ния и полирования для удаления наклепанного слоя с анализируемой поверхности проводили дополнительную операцию электрополирова- ния со съемом поверхностного слоя на глубину 400…500 мкм. Напряжения определяли в образ- цах как в исходном (ненагруженном) состоянии, так и в образцах, подвергнутых одноосевому сжа- тию. Для создания сжимающих напряжений об- разцы устанавливали в приспособление (рис. 1)