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

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 конечноэлементная 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.

1. Верховлюк, А. М. Особенности роста шаровидных включений графита в чугуне / А. М. Верховлюк, В. С. Шумихин, А. В. Назаренко // Процессы литья. – 2007. – № 5. – С. 11–18.

2. Skaland, T. A model for the graphite formation in ductile cast iron. Part I. Inoculation mechanisms // Metallurgical Transactions A. – 1993. – Vol. 24. – P. 2321–2345.

3. Покровский, А. И. Анализ химического состава и морфологии графитных включений в высокопрочном чугуне / А. И. Покровский // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр. в 2 кн. Кн. 1. Новые технологии и материалы / ред. колл.: В. Г. Залесский (гл. ред.) [и др.]. – Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2021. – С. 224–234.

4. Stefanescu D. M. Solidification and modeling of cast iron – a short history of the defining moments / D. M. Stefanescu // Materials Science and Engineering A. – 2005. – Vol. 413–414. – P. 322–333.

5. Stefanescu D. M. Modeling of cast iron solidification – the defining moments / D. M. Stefanescu // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2005. – Vol. 38, No. 7. – P. 1433–1447.

6. Stefanescu, D. M. State of the art in solidification modeling of cast iron / D. M. Stefanescu // Science and Processing of Cast Iron VIII. – 2006. – P. 32–41.

7. Kinetics of nucleation and growth of graphite at different stages of solidification for spheroidal graphite iron / G. Alonso [et al.] // International Journal of Metalcasting. – 2017. – Vol. 11. – P. 14–26.

8. Revisiting the graphite nodule in ductile iron / E. Ghassemali [et al.] // Scripta Materialia. – 2019. – Vol. 161. – P. 66–69.

9. Stefanescu, D. M. The meritocratic ascendance of cast iron: from magic to virtual cast iron / D. M. Stefanescu // International Journal of Metalcasting. – 2019. – Vol. 13, iss. 4. – P. 726–752.

10. Graphite nucleation in compacted graphite cast iron / G. Alonso [et al.] // International Journal of Metalcasting. – 2020. –Vol. 14. – P. 1162–1171.

11. Stefanescu, D. M. Numerical micro‑modeling of solidification / D. M. Stefanescu // Science and Engineering of Casting Solidification. Edited by D. M. Stefanescu. – Springer, Boston, MA, 2009, pp. 1–44.

12. Catalina, A. V. A new analytical approach to predict spacing selection in lamellar and rod eutectic systems / A. V. Catalina, S. Sen, D. M. Stefanescu // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2003. – Vol. 34, No. 2. – P. 383–394.

13. Beltran-Sanchez, L. A quantitative dendrite growth model and analysis of stability concepts / L. Beltran–Sanchez, D. M. Stefanescu // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2004. – Vol. 35, No. 8. – P. 2471–2486.

14. Catalina, A. V. Prediction of room temperature microstructure and mechanical properties in lamellar iron castings / A. V. Catalina, X. Guo, D. M. Stefanescu, L. Chuzhoy, M.A. Pershing // AFS Transactions. – 2000. – Vol. 94. – P. 889–912.

15. Соценко, О. В. Компьютерная DLA‑модель формирования шаровидного графита в высокопрочном чугуне / О. В. Соценко // Металл и литье Украины. – 2009. – № 9. – С. 3–9.

16. Соценко, О. В. Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах / О. В. Соценко // Металл и литье Украины. – 2012. – № 12. – С. 3–9.

17. Остроумова, Г. М. Моделирование процесса нуклеации углеродных наноструктур: дис. … канд. физ.‑мат. наук / Г. М. Остроумова. – Долгопрудный, 2020.