2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...........................................................5
Глава 1. Формирование структуры и механических свойств материалов при воздействии концентрированных потоков энергии. Состояние вопроса
и постановка задачи.................................................12
1. 1. Исследование тепловых процессов при воздействии
концентрированных потоков энергии..........................14
1.2. Формирование структуры поверхностного слоя материала 26
1.3. Напряженно-деформированное состояние упрочненного концентрированными потоками энергии материала...................29
1.4. Задачи исследования........................................34
Глава 2. Моделирование тепловых процессов при воздействии концентрированных потоков энергии ................................. 37
2.1. Особенности исследования тепловых процессов при электромеханической обработке...................................37
2.1.1. Моделирование источника энергетического воздействия..................................................40
2.1.2. Моделирование зависимости теплофизических характеристик материала от температуры.......................44
2.2. Математическая постановка и процедура численного решения задачи теплопроводности.........................................46
2.3. Особенности изменения температурных полей от движущегося источника большой мощности......................................51
Краткие выводы......................................................59
Глава 3. Формирование структуры поверхностного слоя материала при воздействии концентрированных потоков энергии.......................61
3.1. Особенности исследования структурных превращений...........61
3.2. Методика расчета параметров структурных зон...............68
3
3.3. Исследование влияния режимов обработки на параметры упрочненного слоя...............................................71
3.4. Управление структурой поверхностного слоя при электромеханической обработке...................................81
Краткие выводы.....................................................87
Глава 4. Моделирование механического поведения образца, поверхностно упрочненного концентрированными потоками энергии...................89
4.1. Особенности исследования напряженно-деформированного состояния материала в условиях температурно-силового воздействия.....................................................89
4.2. Математическая постановка и методика решения задачи.......94
4.2.1. Задача об упругом деформировании многослойного композитного цилиндра (суперэлемента)........................97
4.2.2. Задача об упругом деформировании составного цилиндрического образца.....................................106
4.2.3. Расчет упруго-пластических деформаций упрочненного стержня.....................................................107
4.2.4. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния материала...................................................110
4.3. К вопросу о расчетной прочности составных образцов с мягкими прослойками................................................... 113
4.4. Построение диаграммы деформирования и определение механических характеристик белого слоя.........................117
4.4.1. Построение диаграммы растяжения белого слоя.........117
4.4.2. Определение упругих постоянных белого слоя..........124
Краткие выводы....................................................128
Глава 5. Образование температурных, фазовых и остаточных напряжений в материале при воздействии концентрированных потоков энергии 130
5.1. Определение технологических температурных и фазовых
напряжений после электромеханической обработки...........130
4
5.2. Определение технологических остаточных напряжений после электромеханической обработки.................................138
5.3. Влияние технологических остаточных напряжений на механическое поведение поверхностно упрочненного материала.....................................................145
5.4. Программный комплекс управления механическим поведением упрочненного образца. Примеры расчетов........................146
Краткие выводы....................................................153
Заключение........................................................154
Библиографический список..........................................157
5
ВВЕДЕНИЕ
Поверхностный слой, его формирование с учетом условий эксплуатации, свойства и влияние на механическое поведение и служебные качества металлических деталей - перспективная и быстро развивающаяся область исследований [1]. Во многом это связано с внедрением эффективных современных способов обработки поверхности изделий с помощью концентрированных потоков энергии (КПЭ). Обычно к числу таковых относят струи и сгустки низкотемпературной плазмы, концентрированные пучки электронов и ионов, сфокусированное излучение импульсных и непрерывных лазеров с различными длинами волн, электрический ток высокой плотности и некоторые другие. Широкое применение КПЭ для научных целей и в различных областях промышленности стимулирует интенсивное изучение физико-химических процессов, протекающих в зоне воздействия КПЭ на материалы, и механического поведения последних в процессе и после обработки КПЭ [2].
Очевидно, что экстремальные условия энергетического воздействия, характерные для методов упрочнения КПЭ, существенно влияют на формирование структуры, физико-механических свойств и напряженного состояния стальных изделий. Сложность изучения подобных процессов усугубляется разнообразием форм импульсов энергии, значительным отклонением условий обработки поверхности твердого тела от состояния термодинамического равновесия, многообразием и одновременностью протекания большого числа физических и химических явлений, возникновением существенных внутренних напряжений, вызываемых действием градиентов температур.
Интенсивное тепловое воздействие мощных энергетических потоков на локальные объемы стали, сопровождающееся высокоскоростным их нагревом в область критических температур фазовых превращений, одновременными пластическими деформациями, вызванными как внутренними
б
температурными и структурными напряжениями, так и, в некоторых случаях, внешними контактными давлениями, сверхбыстрым охлаждением за счет отвода тепла вглубь основного металла, создает условия для протекания фазовых превращений и возникновения специфической мартенситной структуры - белого слоя. При этом высокая дисперсность белых слоев, значительная искаженность и неоднородность их кристаллического строения, наличие в структуре карбидов, нитридов и оксидов, а также изменение в результате действия больших температур и давлений электронного строения и химических связей отдельных фаз обуславливают возможность получения весьма ценных физико-механических, электрохимических, коррозионных и эксплуатационных характеристик материала, упрочненного рассматриваемыми способами [3].
Совокупность рассматриваемых взаимосвязанных явлений, протекающих в поверхностном слое материала в процессе его обработки КПЭ, предопределяет закономерности образования напряженно-деформированного и остаточного напряженного состояния материала в ходе такого воздействия, и, как следствие, обуславливает особенности механического поведения и свойств поверхностно упрочненного образца. Следует отметить, что различные условия эксплуатации деталей, обработанных КПЭ, требуют создания на поверхности изделия соответствующего распределения упрочненных фрагментов. Такая структурная неоднородность поверхностного слоя значительно затрудняет моделирование механического поведения материала, «армированного» подобным образом. При этом, как было показано выше, исследование напряженно-деформированного состояния материала при воздействии КПЭ и механического поведения поверхностно упрочненного образца самым тесным образом связано с анализом «предыстории» (причины) указанных явлений, а именно с изучением тепловых процессов и фазовых превращений в ходе обработки металла рассматриваемыми методами. В этой связи при моделировании механического поведения материала в условиях действия КПЭ исследователю при-
7
ходится выходить, некоторым образом, за рамки собственно механики деформируемого твердого тела и соприкасаться с вопросами теплофизики и металловедческими аспектами такого рода воздействия.
Таким образом, для того чтобы описать столь сложные процессы формирования структурно-напряженного состояния и свойств, влияния упрочнения КПЭ на работоспособность изделий в различных условиях и научиться управлять ими, необходимо целенаправленное проведение комплексных теоретических и экспериментальных изысканий. Актуальность же подобных исследований не вызывает сомнений, тем более, что многие особенности воздействия КПЭ и на сегодняшний день изучены недостаточно подробно, а данное перспективное и динамично развивающееся научное направление не является еще установившимся и законченным разделом теории и практики обработки материалов.
Здесь следует заметить, что при дальнейшем изложении нам показалось целесообразным из всего многообразия технологий воздействия КПЭ на материалы выделить электромеханическую обработку (ЭМО), как один из характерных способов такого воздействия, которая отличается экономичностью, простотой во внедрении, экологической чистотой, и на ее примере рассмотреть ряд общих проблем, присущих данным методам, и некоторые частные аспекты, свойственные только ЭМО.
В этой связи целью данной работы является решение задачи комплексного моделирования процесса формирования структуры, свойств, напряженно-деформированного состояния и механического поведения углеродистых сталей при электромеханическом упрочнении.
Еще раз обратим внимание на то, что воздействие импульсных высокоэнергетических источников тепла на поверхность твердого тела сопровождается сложными физико-химическими процессами. В поверхностном слое происходят одновременно структурные изменения, фазовые превращения и химические реакции. Эти обстоятельства значительно затрудняют математическое описание картины формирования, по сути дела, тела
Я
с новыми свойствами, в которой, помимо рассмотрения эволюции температурных полей, учитывались бы и такие взаимосвязанные явления, как возникновение механических напряжений, перераспределение углерода и других химических элементов, различие теплофизических характеристик сосуществующих фаз, объемные эффекты фазовых превращений.
Сложность и многоуровневость взаимодействия процессов в рассматриваемой системе требуют для своего моделирования привлечения ряда точных наук, как термодинамика, физика твердого тела, механика многофазных систем и других. На наш взгляд, практическое решение указанной проблемы на современном этапе развития науки возможно на основе создания комплекса взаимосвязанных моделей энергетического воздействия, температурного поля, преобразования структуры, свойств и напряженно-деформированного состояния исходного тела, его механического поведения при заданных термосиловых условиях и других (рис.1).
Модель С
напряженно- /
деформированного состояния тела /
Модель механического поведения упрочненною тела
Моде л ь^)и биомеханических характеристик упрочненного тела
Модель системы
остаточных
напряжений
Модель | АМ(н)ель формирования
возникновения Vструктуры и
и эволюции Ся \ і і. і
температурного поля 1 характеристик фаз
Рис.1. Система математических моделей формирования структуры и свойств материала при обработке КПЭ
9
Построение такого комплекса моделей и проведение на их основе исследований процесса ЭМО и свойств стальных цилиндрических образцов в данной работе осуществляется в несколько этапов, что позволяет упростить математическую постановку и решение рассматриваемых задач.
1-му этапу соответствует математическая модель теплового воздействия на материал движущимся концентрированным потоком энергии и температурного поля, возникающего в результате такого воздействия.
На 2-ом этапе производится построение модели формирования структуры и теплофизических характеристик материала на основе решения тепловой задачи и определяется геометрия и топология областей с различной структурой и фазовым составом.
3-й этап связан с формированием математической модели напряженно-деформированного состояния образца с неоднородным поверхностным слоем в условиях температурно-силового воздействия, в рамках которой определяются остаточные напряжения в любой точке обработанного материала, а также моделируется механическое поведение и рассчитываются механические характеристики упрочненного тела. Моделирование проводится с учетом информации об изменении свойств, структуры, фазового состава и распределении температурных полей по объему материала, полученной на предыдущих этапах решения задачи.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы по результатам проведенных в ней исследований. Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении. Работа содержит 170 страниц текста, 52 рисунка и 2 таблицы. Список использованной литературы включает 142 источника.
В первой главе на основании обзора литературы рассмотрены существующие подходы, используемые для описания процессов формирования структуры и свойств материала в области воздействия КПЭ.
10
Анализируются работы по нагреву и охлаждению тел, фазовым и структурным превращениям в зависимости от термического цикла исследуемой точки, изменению напряженного и деформированного состояния материала, вызванному действием КПЭ. Обращается внимание на существование ряда серьезных проблем математического моделирования в данной области. Поставлены задачи исследования.
Во второй главе представлена математическая модель возникновения и эволюции температурного поля, образующегося в материале при действии на его поверхности мощного движущегося источника тепла. Рассматриваются некоторые особенности исследования тепловых процессов, связанные с необходимостью описания реальной формы источника, структуры энергетических импульсов, зависимости величины теплофизических характеристик материала от температуры. Дана общая постановка задачи распространения тепла при воздействии на материал КПЭ. Описывается процедура численного решения уравнения теплопроводности методом конечных разностей. Излагается методика изменения схемы расположения граничных условий по расчетному контуру при движении источника. Представлены основные результаты расчетов - распределения температурных полей по объему материала и во времени и их анализ.
В третьей главе рассматривается математическая модель формирования структурного состояния материала в процессе теплового воздействия концентрированных потоков энергии. Показано, что основные сложности моделирования связаны с высокими температурными градиентами, которые обуславливают сдвиг критических температур и скоростей закалки относительно их значений, традиционно приводимых в справочной литературе и определенных в условиях, близких к равновесным. Описывается методика анализа температурного цикла исследуемой точки и определения на его основе геометрии и топологии зон, в которых произошли фазовые превращения, по объему материала. Исходя из последующего изучения картин расположения структурных областей, получены
11
и представлены в графической форме зависимости геометрических параметров упрочненного фрагмента от основных режимов обработки. Обсуждаются некоторые возможности управления процессом упрочнения материала с целью формирования требуемых в конкретных эксплуатационных условиях характеристик структурного состояния поверхностного слоя.
В четвертой главе в рамках расчетной схемы многослойного композитного составного цилиндра моделируется напряженно-деформированное состояние материала при воздействии КПЭ и механическое поведение упрочненного образца в условиях температурно-силового воздействия. Приведены основные уравнения и предложен метод решения поставленной задачи в упругой и упруго-пластической области деформирования. Изложена методика решения обратной задачи - восстановления упругих постоянных и вида диаграммы растяжения материала упрочненного поверхностного слоя по поведению образца в целом.
В пятой главе рассмотрены некоторые особенности определения и представлены расчетные данные по распределению осевых, окружных и радиальных структурных и термических напряжений, возникающих при ЭМО стальных цилиндрических образцов, а также получены картины изменения начальных остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя. Исследуется влияние начальных остаточных напряжений на механическое поведение упрочненного образца при статическом растяжении. Приводится краткая аннотация разработанного программного комплекса моделирования процесса формирования структуры и свойств материала при воздействии КПЭ и некоторые примеры расчетов, иллюстрирующие возможности его использования.
12
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Характер деформирования и разрушения поверхностно упрочненного образца из металлического сплава во многом определяется особенностями изменения структуры и свойств по глубине материала. Нередко на работоспособность деталей основное влияние оказывает качество металла не столько всего сечения, сколько поверхностного слоя. Анализ литературных данных, приведенных в обзорных работах [3-7], свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах микро- и макропластической деформации [8, 9] и разрушения металлов [6], в процессах усталости, ползучести, износа [1] и т.д. При этом неуклонный рост требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, инициирует исследование новых методов повышения физико-механических свойств материалов, в том числе и методов воздействия КПЭ (наиболее распространенными из которых являются электроискровая [10], фрикционно-упрочняющая [11], электромеханическая [12], электронно-лучевая [13], лазерная [14] обработки), направленных на формирование в поверхностном слое во многом уникальной структуры, так называемого белого слоя [3].
Здесь остановимся на сущности электромеханической обработки (ЭМО), применительно к которой излагается весь последующий материал работы. Электромеханическое упрочнение реализуется при пропускании электрического тока большой плотности и низкого напряжения через зону контакта детали и инструмента, движущихся во взаимноперпендикулярных направлениях со скоростью V и подачей *9 (рис. 1.1). При этом происходит высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее ин-
13
тенсивное охлаждение за счет отвода тепла в глубь металла. В результате мощного теплового «удара» на поверхности материала формируется белый слой - специфическая мартенситная структура, обладающая высокой прочностью и износостойкостью [12]. Принципиальная схема процесса электромеханической обработки показана на рис. 1.1.
Рис.1.1. Принципиальная схема электромеханической обработки
Ниже приведен обзор работ и анализ возможных подходов к решению проблемы построения системы математических моделей, описывающих явления в зоне энергетического влияния и результаты воздействия КПЭ на вещества. Основные направления исследований в области взаимодействия мощных потоков энергии с материалами связаны с изучением процессов теплопереноса в зоне обработки, а также моделированием напряженно-деформированного состояния материала после упрочнения.
/220/380 В
блок регулировки напряжения
силовой трансформатор
динамометрии корпус приспої
14
1.1. Исследование тепловых процессов при воздействии концентрированных потоков энергии
Существующие методы решения задач теплопроводности можно классифицировать по разным признакам. Один из них - форма получения результатов решений. В том случае, когда решения представимы в виде формул, позволяющих по заданным значениям аргументов получать значения искомых функций, говорят, что решения найдены с помощью аналитических методов. Численные методы, в отличие от аналитических, позволяют получать решения в конечном множестве точек, соответствующих дискретным значениям аргументов. Часто для анализа аналитических решений применяются численные методы. Таким образом, в данном случае можно говорить о синтезе аналитических и численных методов [15].
Разработкой методов расчетного определения температурных полей занимались многие отечественные и зарубежные ученые. Данному разделу прикладной математики посвящено большое число работ, имеется обширная библиография.
Подробный обзор публикаций по применению различных расчетных методов наряду с решением широкого класса тепловых задач представлен в работах А.Л. Лыкова [16, 17], Л.А. Коздобы [18], Г.Ф. Мучника и И.Б. Рубашева [19], Н.М. Беляева и A.A. Рядно [20], Г. Карслоу и Д. Егера [21] и многих других.
Следует отметить, что в настоящее время существуют надежные методы экспериментального определения теплового состояния нагреваемых объектов [22,23], однако получаемая при этом информация во многих случаях является недостаточной (например, для расчета полей термических напряжений), так как термометрирование носит дискретный характер и температурное поле не может быть определено в объеме всего тела. Кроме того, к недостаткам экспериментальных методов следует отнести то, что при измерениях неизбежно возникает искажение температурного
15
поля в местах приваривания термопар и, в особенности, при сверлении отверстий для определения температуры во внутренних точках тела. Поэтому для практического определения и анализа теплового состояния расчетные методы в большинстве случаев предпочтительнее экспериментальных.
К сожалению, выбор метода и программы его реализации пока основан больше на интуиции и искусстве исследователя, чем на объекгивных показателях. При оценке технических возможностей и целесообразности применения каждого из методов необходимо учитывать: степень сложности решаемых задач; диапазон задач, охватываемых данным методом; гибкость метода, то есть возможность быстрого перехода от одного класса задач к другому; уровень общности результатов решения; трудоемкость подготовительных работ; трудоемкость решения; сложность и стоимость устройств, необходимых для реализации данного метода.
Большой вклад в развитие аналитических методов решения задачи теплопроводности при воздействии на материал КПЭ внесен коллективом ученых под руководством H.H. Рыкалина, которым в конце 40-х начале 50-х годов, применительно к расчетам тепловых процессов при сварке, был разработан метод источников [24]. Коротко остановимся на сути этого метода.
Извеегно, что закон распределения температуры от мгновенного точечного источника тепла мощностью Q, помещенного в начало координат, из решения линейного (с независящими от температуры коэффициентами) дифференциального уравнения теплопроводности, выглядит следующим образом
T(R-‘)= , б'Д у/г-ДР
X • (4 • л • а ■ t)
/ -2 N
R
(1)
•/♦а*/
где а и Я - коэффициенты температуро- и теплопроводности материала со-
У У У У
ответственно; г - рассматриваемый момент времени; /? = х" + у'+2' -квадрат радиус-вектора, определяющего координаты точки в сферической
- Київ+380960830922