Obrabotka Metallov 2013 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (60) 2013 95 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ таких расчетов необходимо оценить погрешность путем сравнения тестовых расчетов либо задача- ми, имеющими известное решение, либо с экспе- риментальными данными. Цель данной работы – оценка достоверности результатов связанного анализа теплообмена и термических деформаций образца из алюминиево- го сплава. Численное моделирование процесса закалки Для моделирования процесса погружения детали в закалочную среду задана расчетная область (рис. 1), представляющая собой параллелепипед с габаритны- ми размерами 200×41×18 мм. В качестве начальных условий для расчета были заданы: – материал детали – алюминиевый сплав АК6, – начальная температура стержня 515 ºС, – закалочная среда – вода, – температура закалочной среды 27 ºС. Решение задачи проводилось с помощьюконечно- элементного анализа в программе ANSYS 14 в два этапа: первый этап заключался в решении неста- ционарной тепловой задачи, второй представлял со- бой расчет перемещений образца под действием на- пряжений, вызванных локальным нагревом. Кроме того, учитывался нелинейный характер теплообмена между водой и поверхностью детали, зависящий от температуры [2], для чего был написан макрос, изме- нявший коэффициент теплообмена в зависимости от температуры на поверхности образца. Для упрощения расчетов и снижения числа конечных элементов использовалась симметрия детали. Погружение в закалочную среду произво- дилось со скоростью 0,05 м/с вдоль размера 41 мм. Для обеспечения устойчивости решения учитыва- лось условие 2 , 4 ITS Δ = α где ITS – начальный шаг по времени; Δ 2 – приве- денная длина конечного элемента в направлении температурного градиента; α – коэффициент тем- пературопроводности. Так как процесс погружения детали в закалоч- ную среду продолжается менее 1 с, для расчетов выбран шаг по времени 0,01 с, и исходя из шага по времени задан размер ячейки. В результате про- веденных расчетов была получена зависимость рас- пределения температуры по сечению стержня от вре- мени (рис. 2). Расчет показал разницу ~100 ºС между отдельными частями образца. Такая разница темпе- ратур вызывает значительные напряжения в детали, которые могут вызвать пластические деформации, учитывая тот факт, что при нагреве величина предела текучести снижается. Данные распределения температур, полученные в расчете конвективного теплообмена, были использова- ны в структурном анализе, в результате чего были по- лучены значения эквивалентных напряжений (рис. 3). Из распределения напряжений можно сделать вывод, что внешние слои стержня при контакте с закалочной средой охлаждаются и сжимаются, в то время как внутренние слои остаются горячими и препятствуют сжатию внешних слоев. Следователь- но, во внешних слоях действуют напряжения растя- жения, во внутренних – напряжения сжатия. Далее наружный слой теряет возможность пластически Рис. 1 . Эскиз стержневого образца а б Рис. 2 . Распределение температур (ºС) в стержне в различные моменты времени при погружении в закалочную среду: а – 0,03 с; б – 0,4 с а б Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений (МПа) в расчетной области образца в различные моменты времени: а – 0,03 с; б – 0,4 с