Как стать автором
Обновить
41.4

Зачем инженеру-конструктору нужны свойства материала и где их взять

Время на прочтение 6 мин
Количество просмотров 2.9K

Хабр, привет. Меня зовут Олег Копаев, я руковожу командой компьютерного моделирования в компании «Северсталь». Моделирование производства и использования продукции помогает компаниям сократить затраты. Вместо того чтобы экспериментировать на реальном производстве, лучше сначала смоделировать и отладить процесс и только затем запускать производство. 

Но чтобы от расчетов была польза, нужно учесть все нюансы. В том числе это касается физических свойств материалов. Если использовать стандартные шаблоны и не учитывать специфику производителя, то результаты таких расчетов могут не сойтись с реальностью.

Я расскажу, почему важно получать полные физические свойства материалов, где их взять и какие возможности это открывает.

Проблема: негде взять расширенные свойства материалов

Большинство производителей металлопроката выдают сертификат качества для своей продукции. В нем обычно содержатся только значения, нормируемые по стандарту: предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, химический состав и так далее.

Но этих данных недостаточно, чтобы точно смоделировать процесс изготовления и эксплуатации готовых изделий. Поэтому инженеры в расчетах используют упрощенные способы:

  • Допускают, что все марки стали одинаковы. В программах для моделирования есть встроенная база материалов, например: «сталь», «углеродистая сталь» или «высокопрочная сталь». Часто инженеры пользуются именно этими базами.

  • Находят данные в открытом доступе, обычно это статьи в интернете или учебники. Я встречал расчеты, где использовались результаты испытаний 60-х и 70-х годов.

Но такие способы не учитывают конкретного производителя и стандарт на марку стали. Производители используют разное оборудование и технологии, поэтому даже одна марка стали от разных производителей будет иметь разные физические свойства. Если это не учитывать, точность расчетов снижается, что может привести к большому количеству брака в процессе изготовления или выпуску некачественной продукции. 

Рассмотрим несколько примеров, как расширенные физические свойства помогают в производстве.

Пример 1: Производим качественные изделия без брака

Совместно с клиентом мы провели эксперимент — смоделировали производство кронштейнов водосточной системы. Мы хотели оценить влияние свойств металла на само производство и конечный результат. Другими словами, какова вероятность, что кронштейны сломаются еще на этапе производства, и насколько качественные в итоге они получатся.

Мы получили шесть образцов стали одной марки разных металлургических компаний. Испытали их в своих лабораториях и определили все нужные нам свойства металла. Затем смоделировали процесс штамповки и оценили его результаты в сравнении с критерием FLD — это оценка вероятности того, что при деформации материал разрушится.

Самое проблемное место в производстве кронштейна — вот этот изгиб. Именно тут чаще всего появляются трещины.

Участок кронштейна, на котором чаще всего появляются дефекты
Участок кронштейна, на котором чаще всего появляются дефекты

На картинках ниже — результаты моделирования. Безопасными считаются значения меньше 0,7. То есть чем выше максимальное значение, тем выше вероятность разрушения.

  • Металл поставщиков №2 и №3 использовать нежелательно, потому что FLD сильно выше нормы.

  • Металл поставщиков №4 и №6 в пределах нормы.

  • Металл поставщиков №1 и №5 лучше всего использовать для производства, потому что брака будет меньше всего.

Сравнение вероятности образования дефектов при штамповке кронштейна из проката разных поставщиков
Сравнение вероятности образования дефектов при штамповке кронштейна из проката разных поставщиков

Затем мы смоделировали испытание готовых кронштейнов. По стандарту DIN_EN_1462 они должны выдерживать нагрузку в 75 кг, при этом остаточная деформация должна быть не более 5 мм. Если она больше, такое крепление считается ненадежным.

Чтобы проверить это, на стену крепятся 3 кронштейна с интервалом 1 метр. На них укладывается водосток, и к центральному кронштейну прикладывается нагрузка в 750 Н (≈ 75 кг). Затем измеряется остаточная деформация кронштейна — насколько крюк стал ниже после нагрузки.

Ниже приведены результаты моделирования. Кронштейны, изготовленные из проката поставщиков №2 и №5, не удовлетворяют требованиям стандарта.

Расчет остаточной деформации после нагружения кронштейнов
Расчет остаточной деформации после нагружения кронштейнов

Учитывая результаты обоих расчетов, лучше выбрать прокат поставщиков №1, №4 или №6. Этот пример хорошо демонстрирует, как использование точных свойств материалов позволяет обеспечить высокий уровень качества. Чаще — без увеличения (или с небольшим увеличением) затрат, ведь достаточно просто закупить сталь у другого поставщика.

Нельзя сказать, что прокат приведенных в примере поставщиков некачественный — он соответствует стандартам. Просто для данного конкретного производства металл одних компаний подходит лучше, чем других. Для других изделий все может быть наоборот. Но не имея полного набора физических свойств, мы бы об этом не знали.

Пример 2: Разрушаем устоявшиеся стереотипы

Металлургия — динамично развивающаяся отрасль, где постоянно совершенствуются марки стали, появляются новые технологии и возможности. При этом прекращают действовать старые, хоть и устоявшиеся закономерности.

Приведу пример производства колесных дисков для автомобилей. Считается, что высокопрочная сталь не подходит для дисков, потому что она обладает низкой пластичностью и высокой хрупкостью.

Традиционно для производства дисков используется сталь S235JR. Это довольно старая марка, сейчас существуют другие, более подходящие варианты. Вот сравнение диаграмм деформирования сталей: традиционная S235JR (черная) и современные 07ГБЮ, HDT580F, HDT580X (цветные).

Так как мы рассматриваем производство дисков, тут важно обратить внимание на два момента:

  1. Чем длиннее кривая вправо, тем пластичнее металл.

  2. Чем выше находится кривая, тем большей прочностью обладает металл.

Получается, что чем больше площадь под кривой, тем лучше металл подходит для изготовления колесных дисков. На графике видно, что сталь HDT580X при увеличении пределов текучести и прочности на 200 МПа имеет более высокий уровень пластичности, чем традиционная S235JR.

Диаграммы деформирования сталей, используемых в России для производства колесных дисков автомобилей
Диаграммы деформирования сталей, используемых в России для производства колесных дисков автомобилей

Этот пример демонстрирует, как накопление знаний разрушает стереотипы. Сейчас уже нельзя говорить, что высокопрочные стали не подходят для изготовления дисков.

Но такие выводы невозможно сделать только на основании данных в сертификате качества, в нем попросту нет необходимых данных для расчета. Для этого нужно знать расширенный набор физических свойств металла, а такие данные предоставляют далеко не все производители металлопроката.

Решение проблемы: карточки материалов

Мы хотим исправить эту ситуацию и помочь нашим клиентам получать всю необходимую информацию о прокате. Для этого мы с 2016 года развиваем специальный ресурс для инженеров —  открытый портал (без смс, но всё-таки с регистрацией), на котором клиенты могут получить детальную информацию о физических свойствах всего нашего проката.

Кроме стандартных свойств, вроде текучести, прочности и удлинения, мы предоставляем расширенные свойства: критерий разрушения при листовой штамповке (FLD), усталостные свойства  и другие. Эти свойства можно использовать для оценки процессов переработки продукции или эксплуатации готовых изделий.

В первую очередь портал будет полезен:

  • инженерам-конструкторам;

  • инженерам-расчетчикам для моделирования и проведения инженерных расчетов;

  • технологам для разработки технологии или настройки оборудования. 

Данные о прокате представлены в виде карточек материалов, которые можно скачать и использовать в своих процессах.

Каталог карточек материалов. Есть поиск по маркам стали и фильтр по различным параметрам.
Каталог карточек материалов. Есть поиск по маркам стали и фильтр по различным параметрам.

Сейчас на портале несколько сотен карточек материалов, которые содержат различную информацию:

  • Диаграммы деформирования для 0°, 45° и 90° к направлению прокатки.

  • Диаграммы деформирования при повышенных температурах (100-900°C).

  • FLD-диаграммы.

  • Результаты определения коэффициента деформационного упрочнения, анизотропии, термического упрочнения.

  • Результаты усталостных испытаний.

  • Результаты испытаний на свариваемость.

  • Трибологические свойства (в формате Triboform).

  • Теплофизические свойства и плотность при температурах 20-1200°C.

Сами файлы карточек представлены в нескольких форматах. Программ для моделирования очень много, только наши клиенты пользуются несколькими десятками различного ПО, и мы не можем предоставлять карточки для всех возможных форматов. Поэтому мы пошли двумя путями.

Карточки для распространенного ПО: Autoform и Triboform. Этими программами пользуется большинство наших клиентов в автомобильной промышленности, поэтому в первую очередь мы сосредотачиваемся на этих форматах. Такие карточки можно просто импортировать в базу материалов ПО и пользоваться ими.

Карточка материала в программе Autoform
Карточка материала в программе Autoform

Универсальный формат. Это просто Excel-файл с физическими свойствами материала. Его нельзя импортировать в программу для моделирования напрямую, но можно скопировать нужные свойства руками.

Фрагмент универсальной карточки в формате Excel-файла
Фрагмент универсальной карточки в формате Excel-файла

Также по запросу клиентов мы можем подготовить карточки для других программ, например Ansys, Abaqus, PAM-STAMP. Подготовка занимает от недели до месяца, в зависимости от формата файла, наличия стали в производстве и некоторых других факторов.

Кроме карточек материалов, на портале также есть:

  • Возможности компании «Северсталь» и наших партнеров в области компьютерного моделирования; создания цифровых двойников материалов, процессов и изделий;

  • Контент на основе наших исследований и в сотрудничестве с партнерами — статьи, обзоры возможностей и трендов.

Мы довольны тем, что у нас получилось, но хотим спросить: а вы как считаете, что можно улучшить в наших карточках и на нашем портале?

Теги:
Хабы:
+8
Комментарии 2
Комментарии Комментарии 2

Публикации

Информация

Сайт
www.severstal.com
Дата регистрации
Дата основания
Численность
свыше 10 000 человек
Местоположение
Россия