Материал: U0vSrbCC8k
Учет фазовых превр щений при моделировании термических напряже- ний производится с помо ью дилатометрических кривых. Эксперименталь-
ный способ получения по ледних крайне затруднен в связи с высокими ско-
ростями нагрева.
Предложена методика построения дилатометрических диаграмм в виде
отрезков прямых, основанная на предположении, что линии нагрева и охлаж-
дения сходятся при темпе атуре плавления нагреваемой стали (рис. 3.2).
Рис. 3.2
Угловые коэффициенты α1, α2 отрезков 0D и DF приве ены в справоч-
ной литературе для перли ных и аустенитных структур соответственно, а α3 |
|
и α4 |
отрезков CE и FB оп еделяются из полученных дилатом трических диа- |
грамм. |
|
|
Пусть в прямоуголь ой системе координат на оси аб цисс отложена |
температура, а на оси ординат – относительное линейное расширение |
|
y = |
L/L0, где L0 – исходная длина образца; L – ее прираще ие за счет тем- |
пературного расширения. Коэффициенты α1 и α2 заданы. Линия y1 с угло-
вым коэффициентом α1, соответствующим коэффициенту линейного расши- рения перлитно-ферритно о нагреваемого металла, при темп ратуре Ts пере- секается с линией y2 с уг овым коэффициентом α2, соответс вующим коэф-
фициенту линейного расширения аустенита при охлаждении. Можно постро- ить линии y3 и y4 с коэфф циентами α3 и α4 и определить их ак
α3 = (α1 (Ts – Aс1) – α2 (Ts – Ac3))(Ac3 – Ac1)–1,
α4 = (α1 (Ts – Tc) – α2 (Ts – Tb))(Tb – Tc)–1,
16
где Tb, Tc и Ac1, Ac3 – температуры начала и конца мартенситных и аустенит-
ных превращений соответственно. С помощью заданных и вычисленных ко- эффициентов производится учет структурных превращений.
Параметры, характеризующие фазовые превращения при охлаждении, можно задать двумя способами. Командой Мартенситные вызывается окно
с таблицей из двух столбцов, в которой задаются значения α4 = f(T) в период мартенситных превращений при Tb ≤ T ≤ Tc. Эта функциональная зависи-
мость получается экспериментально или расчетным путем. При линейной
аппроксимации мартенситных превращений командой Ферритно- перлитные вызывается окно с таблицей из пяти столбцов. В первый столбец таблицы вносится скорость охлаждения обрабатываемого изделия. В ту же
строку следующих столбцов заносятся значения температур начала и конца фазовых превращений при этой скорости, угловой коэффициент, аналогич- ный α3 или α4, и значение предела текучести материала при 20 °С, соответ-
ствующее режиму термообработки (скорости охлаждения).
Для характеристики превращений при охлаждении достаточно запол- нить таблицу для трех-четырех значений скорости охлаждения. Малая ско- рость охлаждения (≤10 °С/с) характерна для глубинных слоев изделия за пределами закаленного слоя. При этой скорости происходит превращение ау- стенита в феррито-перлит. Начало превращения соответствует Ас3, а конец –
Ас1, предел текучести Y20 после таких превращений будет самым низким, от- вечающим свойствам стали после отжига или нормализации. Такой характер
превращений сохраняется вплоть до критической скорости охлаждения vk ( 300 °С/с), при которой аустенит превращается в мартенсит. Температуры начала Tb и конца Tс мартенситных превращений от скорости охлаждения не
зависят, если она ≥vk. Можно принять Tb = 350 °С и Tс = 20 °С. Предел теку- чести Y20 при скоростях охлаждения ≥vk соответствует закаленному состоя-
нию стали (после низкого отпуска).
Следующая строка должна содержать информацию о стали при скоро-
стях закалки, характерных для исследуемого процесса (v 104 °C/c). Для
этих скоростей температуры начала и конца превращений и механические свойства можно взять из предыдущей строки.
17
3.1.3. Граничные условия
Следующая строка в меню Данные главного меню окна Stresses & Strains – Закрепленные узлы. Во вложенном меню этой строки две коман- ды: Координаты и По узлам. Порядок их использования такой же, как при задании граничных температур в тепловой задаче. Закрепление узлов произ-
водится для предотвращения поворота исследуемой области под действием сил. В то же время закрепленные узлы не должны препятствовать свободно- му температурному расширению тела. Каждый узел можно закрепить от пе- ремещения либо вдоль оси x (вставляется символ 10 в строку столбца Type таблицы, вызванной командой Координаты), либо вдоль оси y (вставляется символ 01), либо по обоим направлениям (вставляется символ 11). Непра- вильное закрепление приводит к искажению полей напряжений и деформа- ций в теле.
Остальные команды в меню Данные при моделировании поверхностной закалки не используются.
3.2. Расчет напряжений и деформаций
Расчет деформаций и напряжений подготавливается и проводится с по-
мощью меню Расчет главного меню окна Stresses & Strains. Подготовка осуществляется созданием макрофайла со свойствами командой Свойства при нагреве и заполнением окна Files for Material Properties, а также соз-
данием макрофайла с исходными данными для расчета командами Напря-
жения и деформации Итерационный метод и заполнением окна Files for
Stresses and Strains Task.
Расчет производится запуском макрофайла с расширением .tm2. При этом в окно Stresses & Strains требуется ввести число этапов для расчета на- пряжений и деформаций, равное сумме этапов нагрева и охлаждения. Даль- нейшие команды и информация подобны командам и информации при расче- те температурного поля.
18
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
После завершения расчета необходимо произвести анализ результатов и определить:
1) скорость нагрева – среднюю и в диапазоне температур Ас1…Ас3; 2) скорость охлаждения – среднюю и в диапазоне температур Тс…Т b;
3) максимальную температуру нагрева; 4) толщину закаленного слоя как расстояние от поверхности нагрева в
глубину тела до границы с температурой 850…900 °С;
5) этап охлаждения, на котором температура закаленного слоя ≥Тb; вы-
вести графические изображения температурного поля и остаточных напря- жений в виде фрагментов, на 60–70 % заполненных закаленным слоем, в от- дельные файлы;
6) то же, что и в п. 5, но для последнего этапа; 7) причину разного характера остаточных напряжений на поверхности в
изображениях, полученных в п. 5 и 6.
5. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ПО ЗАКАЛКЕ
Поверхностной лазерной закалке подлежит длинномерная заготовка, по- перечное сечение которой имеет форму пятиугольника (плоская деформация) с одной вершиной в начале координат и с шестью вариантами координат ос- тальных четырех вершин (табл. 5.1).
Предусмотрено 40 вариантов заданий (табл. 5.2), отличающихся либо конфигурацией сечения, которая определяется номером сечения и плоско- стью его симметрии, либо расположением поверхности нагрева, в которую вводятся источники тепла q. Вариант индивидуального задания соответству- ет порядковому номеру фамилии в списке группы.
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
Вариант |
Координаты вершин (x; y) |
|||
сечения |
|
|
|
|
A |
B |
C |
D |
|
1 |
0; 3 |
2; 3 |
3; 2 |
3; 0 |
2 |
0; 3 |
2; 3 |
3; 4 |
3; 0 |
3 |
0; 2 |
2; 3 |
3; 3 |
3; 0 |
4 |
0; 4 |
2; 3 |
3; 3 |
3; 0 |
5 |
0; 3 |
3; 3 |
3; 2 |
2; 0 |
6 |
0; 3 |
3; 3 |
3; 2 |
4; 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.2 |
|
|
Вариант задания |
|
Номер |
Поверхность |
Плоскость |
|
|||
|
|
сечения |
нагрева |
симметрии |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
1 |
11 |
21 |
31 |
1 |
АВС |
|
A0 |
||
2 |
12 |
22 |
32 |
1 |
ВСD |
|
D0 |
|
|
3 |
13 |
23 |
33 |
2 |
ABC |
|
A0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
14 |
24 |
34 |
3 |
ABC |
|
CD |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
15 |
25 |
35 |
3 |
0AB |
|
D0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
16 |
26 |
36 |
4 |
ABC |
|
CD |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7 |
17 |
27 |
37 |
5 |
BCD |
|
A0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
18 |
28 |
38 |
5 |
CD0 |
|
AB |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
19 |
29 |
39 |
6 |
BCD |
|
AB |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
30 |
40 |
6 |
BCD |
|
A0 |
||
Десять вариантов задания тиражируются до 40 с помощью характери- стик источников нагрева и материала (табл. 5.3).
20