Компьютерное моделирование процесса волочения проволоки из перлитной стали с учетом микро-структурного строения

Abstract

Сталь с перлитной структурой является классическим примером наноструктурированного материала. Холоднотянутая высокоуглеродистая сталь с перлитной микроструктурой является сырьем для современных армирующих канатов. Главными свойствообразующими процессами в ходе волочения такой стали являются изменения межпластиночного расстояния и металлографической структуры, а также переориентация зёрен. Однако экспериментальное исследование динамики данных процессов является затруднительным и трудоемким. Исследован процесс девятикратного волочения стальной проволоки с перлитной структурой. На основе мультимасштабных компьютерных моделей было изучено поведение перлитных колоний на поверхности и центральном слое проволоки. В качестве программного решения был использован коммерческий комплекс Abaqus. Ключевыми факторами были ориентации цементитных пластин относительно оси волочения, межпластиночное расстояние и форма цементитных включений. На основе конечно- элементных моделей установлены закономерности переориентации перлитных колоний, изменения формы и размеров цементитных пластин и локализации деформации в феррите. Установлено, что цементитные пластины, которые были параллельными оси волочения, испытывают максимальное утонение и изменение межпластиночного расстояния. Пластины цементита, которые были перпендикулярны оси волочения, наиболее подвержены разрушению. Однако установлено, что при определенных значениях межпластиночного расстояния этот эффект может снижаться. В случае расположения перлитной колонии под углом к оси волочения наблюдалась их интенсивная переориентация относительно оси волочения. При этом наблюдались значительный изгиб цементитных пластин и их подверженность фрагментации. На основании моделирования установлены функциональные зависимости межпластиночного расстояния и утонения пластин цементита от степени деформации. Произведено сравнение расчетного значения механических свойств проволоки с реальным экспериментом. Результаты моделей были верифицированы посредством металлографических исследований. Cold-drawn high-carbon steel wire with pearlite microstructure is one of the most popular raw material for modern reinforcing ropes. Lamellae thinning, changes in interlamellar interface and metallographic texture, strain localization are the main property-forming phenomena in the wire drawing process. However, the experimental study of these phenomena dynamics is difficult and time-consuming. Drawing process of pearlitic steel wire was investigated. Behavior of pearlite colonies on the surface and the central layer of the wire was researched based on the multiscale computer simulation. Cementite lamellae orientation in relation to the drawing axis, interlamellar spacing and shape of cementite inclusions were key factors. Regularities of the pearlite colonies reorientation, changing the shape and size of cementite lamellae and strain localization in the ferrite were established on the basis of FEM. It was established that the cementite lamellae, that are parallel to the drawing axis, had the maximum thinning. Interlamellar distance in pearlite colonies with such lamellae changed most intensively. Cementite lamellae, that are perpendicular to the drawing axis, are the most susceptible to fracture. It found that for certain values interlamellar distance this effect can be reduced. Intensive reorientation of pearlite colonies in relation to the drawing axis was observed in the case of their location at an angle to the drawing direction. At the same time there were a significant bending of cementite lamellae and their susceptibility to fragmentation. Estimated values of the wire mechanical properties were compared with a real experiment. The simulation results were verified by metallographic analysis.