Obrabotka Metallov. 2016 no. 3(72)

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (72) 2016 44 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  – относительная магнитная проницаемость материала. При нагреве стали изменяются ее удельное электрическое сопротивление и магнитная про- ницаемость, причем удельное сопротивление возрастает вплоть до точки магнитных превра- щений, после чего его рост замедляется. Магнит- ная проницаемость слабо зависит от температу- ры примерно до 650…700  С, после чего быстро уменьшается и достигает величины, примерно равной магнитной проницаемости вакуума. Из изложенного следует, что распределение энергии по глубине материла не является постоянным. Кинетические кривые нагрева ТВЧ по- верхности изделия имеют перегиб в интервале температур 700…800  С. Процесс нагрева раз- деляется на начальный этап с большой почти постоянной скоростью нарастания температуры и этап замедленного нагрева выше температуры потери сталью магнитных свойств. Основная причина замедления нагрева в точке магнитных превращений заключается в перераспределении энергии по сечению изделия. Действительно, в процессе нагрева всегда создается некоторый температурный градиент по сечению обраба- тываемого объекта. Величины  e и  зависят от температуры материала. Распространение элек- тромагнитного процесса происходит, таким об- разом, в среде с переменными  e и  . В работе [25] рассмотрен случай, когда материал состо- ит из двух слоев, имеющих разные  e и  . Если бы первый слой был нагрет выше температуры 800  С, а второй не подвергся нагреву (20  С), то распределение вихревого тока точно соответ- ствовало бы зависимости, представленной на рис. 3. Следовательно, при условии, когда верх- ний слой материала потерял ферромагнитные свойства, а нижележащий слой нагрет до тем- пературы, не превышающей температуры точки Кюри, происходит перераспределение плотности тока. Максимум энерговыделения смещается от поверхности в слой, не потерявший ферромаг- нитных свойств. Алгоритм перераспределения энергии по глубине материала на разных стади- ях нагрева представлен на рис. 2. Важную роль в создании математической мо- дели играет расчет теплофизических и физико- механических свойств и генерация базы данных материалов. Зависимости теплофизических ха- рактеристик (теплопроводность  ( Т ), теплоем- кость с ( Т ) и удельная плотность ρ( Т )) для данных марок сталей приняты по данным работ [26–28]. При описании предела текучести  Т (Т), модуля Юнга E (Т), коэффициента Пуассона  (Т), мо- дуля упрочнения Н (Т) использовались данные, представленные в работах [29–36]. Результаты и обсуждение В процессе моделирования температурных полей в сталях при ВЭН ТВЧ по алгоритму, представленному в работе [17], было установ- лено, что при определенном сочетании режи- мов нагрева температура нижележащего слоя может достигать более высоких значений, чем на поверхности (рис. 4). Так, температура слоя на глубине Z = 0,2 мм от поверхности достигает значений температуры плавления материала, в то время как температура поверхностного слоя ниже этого значения. Это происходит за счет того, что при разогреве поверхностного слоя до температуры точки Кюри Т К , когда сталь теря- ет ферромагнитные свойства, большая часть энергии выделяется в нижележащем слое. При этом в поверхностном слое происходит интен- сивный отбор тепла охлаждающей жидкостью, Рис. 4. Термические циклы, реализуемые на различ- ной глубине поверхностного слоя при нагреве ВЭН ТВЧ: материал – сталь 45; q и = 200 МВт/м 2 , V д = 60 мм/с, R и = 1,2 мм; 1 – Z = 0; 2 – Z = 0,2 мм; 3 – Z = 0,8 мм Рис. 3. Распределение плотности тока по глубине в двухслойной среде