4-7 Jule 2011, Barnaul
XXII Conference on Numerical Methods for Solving Problems in the Theory of Elasticity and Plasticity

Щукин В.Г.   Марусин В.В.  

Численное исследование напряженного состояния поверхностного слоя стали при непрерывно-импульсной высокочастотной обработке

Reporter: Щукин В.Г.

Определение переходных и остаточных напряжений, индуцированных в стали в процессе ее обработки высокочастотными (ВЧ) импульсами, требует применения сложных моделей, принимающих во внимание электромагнитные, тепловые, металлургические и механические явления. Актуальность решения этой проблемы заключается в том, что образование поверхностных слоев с большими остаточными сжимающими напряжениями является одним из способов упрочнения деталей машин и механизмов. Рассматривается модель непрерывно-импульсной индукционной обработки поверхности стальных деталей с подвижным источником энергии.   Импульсная обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с непрерывной, одно из которых – возможность значительно, более чем на порядок, увеличить мощность  энерговклада и, следовательно, сократить общую длительность процесса. Индуктор с плоской рабочей поверхностью движется вдоль поверхности образца с постоянной скоростью. Конструкция индуктора такова, что зона термического воздействия (ЗТВ) имеет вид узкой длинной полосы, ширина которой много меньше характерных размеров образца. Тогда эволюция теплового и электромагнитного полей в поперечном сечении образца может быть описана с помощью двумерных моделей, а для расчета напряженного состояния применима модель плоской деформации. Пластичное поведение материала описывается моделью Боднера-Партома, которая широко используется во многих исследованиях механического поведения материалов в случае высоких скоростей деформации. Учитывается влияние изменения фазового состава образца в процессе обработки на его теплофизические и механические свойства. Расчеты проводились для частоты поля f=440 кГц, удельного потока энерговыделения на поверхности стали в течение  первого импульса W=15 кВт/см2, ширине ЗТВ 2 мм и  для двух значений скорости движения индуктора Vx=1 и 0.6 cм/c. Длительность  импульсов и пауз в обоих вариантах расчета составляли timp=30 мс и tpause=90 мс, соответственно. Как следует из результатов моделирования, каждая точка поверхностного слоя ис-пытывает несколько последовательных стадий нагрева и охлаждения. Соответственно, сжимающие напряжения, которые генерируются на стадии нагрева, при охлаждении сменяются на растягивающие. Тепловое воздействие каждого импульса в направлении, обратном движению индуктора, ограничено расстоянием, приближенно равным ширине ЗТВ (2-2.5 мм). Мартенсит закалки образуется в дальнем «хвосте» полосы обработки, где выполняются условия:     T≤MS=260 0С, но скорость охлаждения остается достаточно высокой (выше критической Vкрит≈10 К/с). В области с преобладанием мартенситной фазы остаточные сжимающие напряжения варьируются от -100 до -200 МПа. Пластические деформации максимальны при воздействии первого импульса, а затем снижаются по мере удаления от ЗТВ и постепенного охлаждения. Остаточные пластические деформации слабо зависят от конечного фазового состава.

 

Abstracts file: Щукин.doc


To reports list