4-7 июля 2011 г., Барнаул
22-я Всероссийская конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности

Щукин В.Г.   Марусин В.В.  

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

Докладчик: 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.

 

Файл тезисов: Щукин.doc


К списку докладов