Моделирование внутреннего строения шаровидного включения графита в высокопрочном чугуне и его поведения при нагружении

Abstract

Целью работы является построение методом конечных элементов модели шаровидного включения графита в высокопрочном чугуне, моделирование процесса его разрушения при двустороннем сжатии и верификация моделей при проведении экспериментов по сжатию. Построены трехмерная модель шаровидного включения графита в высокопрочном чугуне, а также конечно-элементная модель, которая включает в себя более миллиона конечных элементов. При построении модели основывались на предположении, что в центре включения графита находится микроскопическая инородная шарообразная частица. По одной из версий она представляет собой сложную комбинацию оксидов, сульфидов и оксисульфидов, причем наружный слой частицы когерентен с решеткой графита; по другой версии – это частица кремнистого феррита, которая обрамлена графитом, имеющим поликристаллическое секторальное строение в виде пирамидальных структур с вершинами, расходящимися от центра частицы. В основании пирамид находятся пяти- и шестиугольники. Каждый сегмент пирамиды включает в себя множество графитных пластин, расположенных параллельно и наслаивающихся друг на друга. Численное моделирование двухосной (четырехсторонней) деформации шаровидного включения графита с использованием программы Ansys показало, что центральный зародыш не деформируется и не разрушается; напряжения в нем не превышают 53 МПа. Разрушение вначале происходит по границам графитовых пирамидальных структур, а на определенных этапах и сами они разрушаются. В продольном сечении заметно также смещение графитных плоскостей внутри пирамид. Напряжения в различных частях пирамидальных структур различаются на порядок и варьируются от 14 МПа (в основном в центральной части) до 192 МПа (на краях графитного включения). Для верификации компьютерных моделей были проведены эксперименты на сжатие образцов высокопрочного чугуна при комнатной температуре на разрывной машине. Исследования с помощью РЭМ подтвердили секторально-пирамидальное строение включения графита с наличием внутри пирамид параллельных плоскостей. Экспериментально доказано, что, начиная с определенной нагрузки, происходит полное разрушение составляющих пирамиду пакетов из графитных плоскостей. Результаты моделирования четырехстороннего сжатия адекватно описывает поведение шаровидного включения графита. В дальнейшем полученные результаты будут использованы для сравнения поведения графита при высокотемпературной (900–1000 °C) деформации чугуна методом выдавливания.