Автоматичне зварювання, 2016, №12



2016 №12 (02)

DOI of Article 10.15407/as2016.12.03

2016 №12 (04)

---

Журнал «Автоматическая сварка», № 12, 2016 г., с. 15-22
 

Прямое численное моделирование формирования дендритной структуры металла шва с дисперсными тугоплавкими инокулянтами

Д. Ю. Ермоленко, А. В. Игнатенко, В. В. Головко

Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Реферат
Исследованы преимущества введения в расплав дисперсных тугоплавких инокулянтов с целью управления и оптимизации первичной структуры металла шва высокопрочных низколегированных сталей. Рассмотрены основные предположения и ограничения предложенной в данной работе модели процесса кристаллизации металла шва. Подробно описана модель кристаллизации расплава с учетом влияния введенных дисперсных тугоплавких инокулянтов. Представлена гипотеза о механизме взаимодействия тугоплавкого инокулянта с движущимся фронтом кристаллизации, которая была принята в расчетах. Описано влияние различных легирующих элементов на поверхностную энергию границы раздела фаз. Описаны граничные условия предложенной модели, реализованной в виде авторского программного обеспечения. Приведены результаты вычислительных экспериментов, показывающие возможность управлять параметрами и морфологией первичной структуры металла шва высокопрочной низколегированной стали путем введения в расплав дисперсных тугоплавких инокулянтов (на примере введения TiO2). Представлено сопоставление экспериментальных и вычислительных результатов измерения параметров первичной структуры. Разработанная математическая модель и программное обеспечение, написанное на ее основе, подходит для прогнозирования размерных параметров и морфологии первичной структуры металла шва с учетом введенных в сварочную ванну тугоплавких инокулянтов. Библиогр. 17, табл. 1, рис. 10.
 
Ключевые слова: дендритная структура, дисперсные тугоплавкие инокулянты, кристаллизация, высокопрочные низколегированные стали, морфология, математическое моделирование
 
Поступила в редакцию 09.09.2016
 
Подписано в печать 23.11.2016
 

1. Sandeep J. Issues in welding of hsla steels / J. Sandeep, R. Chhibber, N. P. Mehta // Advanced Materials Research. – 2012. – Vol. 365. – P. 44–49.
2. Головко В. В. Влияние неметаллических включений на формирование структуры металла сварных швов высокопрочных низколегированных сталей / В. В. Головко, И. К. Походня // Автоматическая сварка. – 2013. – № 6. – С. 3–11.
3. Ермоленко Д. Ю. Численное моделирование и прогнозирование микроструктуры металла сварных швов при сварке высокопрочных сталей (Обзор) / Д. Ю. Ермоленко, В. В. Головко // Автоматическая сварка. – 2014. – № 3. – С. 3–12.
4. Головко В. В. Влияние введения в сварочную ванну титаносодержащих инокулянтов на структуру и свойства металла швов высокопрочных низколегированных сталей / В. В. Головко, С. Н. Степанюк, Д. Ю. Ермоленко // Автоматическая сварка. – 2015. – № 2. – С. 16–20.
5. Галенко П. К. Изотермический рост кристаллов в переохлажденных бинарных сплавах / П. К. Галенко, М. Д. Кривилев // Математическое моделирование. – 2000. – Т. 12, № 11. – С. 17–37.
6. Galenko P., Danilov D. Local nonequilibrium effect on rapid dendritic growth in a binary alloy melt / P. Galenko, D. Danilov // Physics Letters A. – 1997. – 235, № 3. – P. 271–280.
7. Mullins W. W. Stability of the planar interface during crystallization of a dilute binary alloy / W. W. Mullins, R. F. Sekerka // J. Applied Physics. – 1964. – V. 35. – P. 444–459.
8. Kurz W. Fundamentals of solidification / W. Kurz, D. J. Fisher // Trans Tech Publications Ltd. – 1992. – 305 p.
9. Galenko P. Local nonequilibrium effect on undercooling in rapid solidification of alloys / P. Galenko, S. Sobolev // Physical Rewiew E. – 1997. – V. 55, № 1. – P. 343–352.
10. Pavlyk V. Modeling and direct numerical simulation of dendritic structures under solidification conditions during fusion welding / V. Pavlyk. – Aachen: Shaker Verlag GmbH, 2004. – 147 p.
11. Галенко П. К. Конечно-разностная схема для моделирования кристаллического структурообразования в переохлажденных бинарных сплавах / П. К. Галенко, М. Д. Кривилев // Математическое моделирование. – 2000. – Т. 12, № 12. – С. 11–23.
12. Guillemot G. Modeling of macrosegregation and solidification grain structures with a coupled cellular automaton-finite element model / G. Guillemot, C.-A. Gandin, H. Combeau // ISIJ International. – 2006. – vol. 46, № 6. – P. 880–895.
13. Sasikumar R. 2-dimensional simulation of dendrite morphology / R. Sasikumar, R. Sreenivasan // Acta Metallurgica et Materialia. – 1994. – № 2(7). – P. 2381–2386.
14. Панасюк А. Д. Стойкойсть неметаллических материалов в расплавах / А. Д. Панасюк, В. С. Фоменко, Г. Г. Глебова. – К.: Наукова думка, 1986. – 351 с.
15. Попель С. И. Теория металлургических процессов / С. И. Попель. – М.: ВИНИТИ, 1971. – 132 с.
16. Дилтей У. Компьютерное моделирование формирования микроструктуры металла шва при сварке плавлением / У. Дилтей, В. Павлик, Т. Райхель // Автоматическая сварка.

– 1997. – № 3. – С.3–9.

17. Головко В. В. Технология сварки высокопрочных низколегированных сталей с введением титаносодержащих инокулянтов / В. В. Головко, С. Н. Степанюк, Д. Ю. Ермоленко // Наноразмерные системы и наноматериалы: исследования в Украине / [Коллективная монография; под. ред. А. Г. Наумовца]. – НАН Украины. – К.: Издательский дом «Академпериодика», 2014. –768 с.