Решатель «Термообработка» предназначен для моделирования процессов термообработки (ТО) сталей, сопровождающихся распадом аустенита, включая нормализацию, отжиг, закалку и др., а также операции отпуска. Результат моделирования представляет собой прогноз распределения микроструктуры и механических свойств (твердость, предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение) в теле заготовки. В то же время результатом совместной работы теплового решателя являются данные о температурах в объеме заготовки в ходе нагрева и охлаждения, а при подключении задачи анализа напряженно-деформированного состояния доступен прогноз дефектов, связанных с несоответствием по геометрии и локальным разрушением (образование трещин).

Исследование процессов ТО может быть проведено для заготовок, полученных литьем, любыми методами обработки давлением и др. В первом случае расчет ТО может стать продолжением исследования процессов получения литых заготовок с наследованием исходной конечно-элементной геометрической модели, изменение и настройка которой под дополнительный вид анализа выполняются непосредственно внутри POLIGONSOFT. Общая идеология разработки технологии ТО с использованием численного анализа средствами POLIGONSOFT пояснена на схеме.

Анализ может быть выполнен с использованием разных математических моделей процесса ТО, что позволяет пользователю выбрать наиболее подходящую, комбинировать модели распада аустенита и отпуска, а также сопоставлять результаты расчетов, полученных при подключении разных моделей. Доступные модели представляют собой глубоко модернизированные версии, опирающиеся на известные подходы к решению задачи анализа процессов ТО:

• на основе исследований лаборатории Крезо-Луар (превращение аустенита и отпуск);
• с использованием данных о прокаливаемости стали (превращение аустенита);
• обобщенная модель на основе правила аддитивности Шейла-Кана, уравнений Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова, Койстинена-Марбургера, Зенера-Хиллерта (превращение аустенита);
• модели Юста и Шписа (отпуск).

При выполнении анализа с использованием ряда моделей требуется ввод кривой прокаливаемости или термокинетической диаграммы (ТКД) распада аустенита. Для этого может быть использована соответствующая база данных в составе POLIGONSOFT либо встроенный инструмент генерации, требующий лишь ввода химического состава стали и условий аустенитизации. Доступность такого генератора, в том числе как альтернативного источника доступа к данным, являющимся основой начала разработки технологий ТО, представляет значительную самостоятельную ценность для технолога-термиста.

Автоматизация процесса разработки технологии ТО с привлечением компьютерного моделирования

Основные варианты постановки задач, пригодных к решению с использованием средств численного анализа процессов ТО в составе POLIGONSOFT:

• разработка режима ТО для обеспечения необходимого комплекса механических свойств и структуры в объеме стальной детали произвольной конфигурации;
• преодоление проблемы выявления несоответствий при контрольных испытаниях механических свойств в образцах, отобранных из ответственных участков детали и из проб-свидетелей;
• анализ процессов нагрева и охлаждения при использовании имеющегося цехового оборудования, отладка временных диапазонов при выполнении операций в ходе ТО, выбор подходящих закалочных сред и др.;
• поиск способов предотвращения размерных несоответствий, коробления, возникновения закалочных трещин;
• доводка химического состава стали в пределах выбранной марки для гарантированного обеспечения соответствия механических свойств предъявляемым требованиям;
• выбор подходящей марки стали для новой детали в ходе конструирования;
• решение обратной задачи для выявления коэффициентов теплоотдачи и др. по известным результатам контроля механических свойств.

Задачи, связанные непосредственно с анализом тепловых процессов и напряженно-деформированного состояния при ТО, могут быть решены в приложении к металлическим заготовкам из любых сплавов.

Задание кривой прокаливаемости и ТКД при моделировании ТО и интерфейс ввода данных для их автоматической генерации

Температуры по сечению вала на 20-й секунде от старта закалки (а) и комплексный результат расчетного анализа его качества по завершении ТО (б) (3а-3б)

Препроцессинг задачи моделирования нормализации литой рамы тележки грузового вагона мод. 18-100 (а), прогноз распределения предела текучести (МПа, сверху) и относительного удлинения (%, снизу) (б) (4а-4б)