Численное моделирование температурно-структурного и напряженного состояний в процессе закалки железнодорожного рельса

Изготовление высокопрочных железнодорожных рельсов — чрезвычайно важная проблема. В связи с этим разработка методов численного анализа температурно-структурного и напряженного состояния рельсов в процессе закалки, способствующих рационализации технологических режимов их изготовления, является актуальной задачей. Создана математическая модель, позволяющая описывать температурные поля, распределение структуры и термических напряжений в рельсе в течение всего процесса закалки. В основу решения нелинейной нестационарной задачи теплопроводности и термоупругопластичности положен метод конечных элементов. Для описания теплообмена использованы граничные условия третьего рода. Моделирование превращения аустенита в феррито-карбид в изотермических условиях проведено на основе уравнения Авраами. Переход от изотермической кинетики распада аустенита к неизотермическим условиям осуществлен согласно теории изокинетических реакций с привлечением правила аддитивности. Представлены результаты расчета температур, структур и напряжений в железнодорожном рельсе для различных моментов закалки. Показано, что головка рельса Р65 после закалки имеет структуру пластинчатого феррито-карбида. Мартенсит при закалке в масло присутствует только в структуре шейки и вблизи пера подошвы. Разработанные программные средства могут быть полезны для прогнозирования прочности рельса при эксплуатации.

Литература

[1] ГОСТ P 51685–2013. Рельсы железнодорожные. Москва, Изд-во стандартов, 2001. 23 с.

[2] Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассобмен. Москва, Издательский дом МЭИ, 2006. 550 с.

[3] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Fox D.D. The finite element method for solid and structural mechanics. New York, Elsevier, 2014. 657 p.

[4] Вафин Р.К., Покровский А.М., Лешковцев В.Г. Прочность термообрабатываемых прокатных валков. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 264 с.

[5] Попов А.А., Попова Л.Е. Справочник термиста: Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Москва, Машгиз, 1961. 430 с.

[6] Christian J.W. The Theory of Transformations in Metals and Alloys. Pt. I, II Oxford, Pergamon Press, 2002. 1200 p.

[7] Покровский А.М., Рыжиков А.В. Математическое моделирование температурного и фазово-структурного состояний при наплаве биметаллического прокатного валка. Машиностроение и инженерное образование, 2016, № 1, с. 42–51.

[8] Деммель Д. Вычислительная линейная алгебра: теория и приложения. Москва, Мир, 2001. 429 с.

[9] Гуляев А.П., Гуляев А.А. Металловедение. Москва, ИД Альянс, 2011. 644 с.

[10] Покровский А.М. Оценка ресурса прокатных валков с учетом остаточных напряжений от термической обработки. Производство проката, 2005, № 9, с. 26–31.