Аннотация
Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин все большее распространения получают методы модифицирования поверхностных слоев деталей с использованием концентрированных источников энергии, обеспечивающих высокие скорости нагрева – порядка 104…105 oC/с. Вследствие чего, достаточно затруднительно экспериментальное определение значений параметров термических циклов, необходимых для прогнозирования требуемой величины и характера распределения остаточных напряжений и деформация. В работе решается задача численного моделирования напряженно-деформированного состояния материала при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ). Построение конечно-элементной модели происходило в программных комплексах ANSYS и SYSWELD, использующих численные методы решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности (уравнение Фурье), диффузии углерода (2-ой закон Фика) и упругопластического поведения материала. Верификация результатов моделирования осуществлялась проведением натурных экспериментов с применением: оптической и растровой микроскопии; механического и рентгеновского методов определения остаточных напряжений. Установлено, что в рассматриваемом диапазоне изменения технологических режимов ВЭН ТВЧ уровень остаточных сжимающих напряжений на поверхности детали может достигать значений -500…-1000 МПа. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина переходного слоя должна составлять 25…33 % от глубины упрочненного слоя, что обеспечивает смещение пика растягивающих напряжений в более глубокие слои материала при уменьшении величины сжимающих напряжений на поверхности в пределах 6…10 %, исключая при этом вероятность появления закалочных трещин.
Ключевые слова: высокоэнергетический нагрев, индукционная закалка, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, остаточные напряжения, поверхностный слой
Список литературы
1. Advanced Tribology: proceedings of CIST2008 & ITS-IFToMM2008 / Jianbin Luo, Yonggang Meng, Tianmin Shao, Qian Zhao, eds. – Beijing: Tsinghua University Press; Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. – 1056 p.
2. Davis J.R. Surface Hardening of Steels: understanding the Basics. – Ohio: Materials Park: ASM International, 2002. – 364 p.
3. Ion J.C. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. – Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. – 576 p.
4. Béjar M.A., Henríquez R. Surface hardening of steel by plasma-electrolysis boronizing // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30, no. 5. – P. 1726–1728. – doi: 10.1016/j.matdes.2008.07.006
5. Multipass surface hardening of steel samples with inclined surfaces by concentrated electron beam in the air of atmosphere pressure / V.V. Abashkin, O.A. Gorshkov, A.A. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov // High Temperature Material Processes: an International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2004. – Vol. 8, no. 3. – P. 427–432. – doi: 10.1615/HighTempMatProc.v8.i3.80
6. Songa R.G., Zhanga K., Chena G.N. Electron beam surface treatment. Pt. 1: Surface hardening of AISI D3 tool steel // Vacuum. – 2003. – Vol. 69, no. 4. – P. 513–516. – doi: 10.1016/S0042-207X(02)00583-3
7. Pulsed electron beam facility (GESA) for surface treatment of materials / V. Engelko, B. Yatsenko, G. Mueller, H. Bluhm // Vacuum. – 2001. – Vol. 62, no. 2-3. – P. 211–216. – doi: 10.1016/S0042-207X(00)00446-2
8. Golkovskii M.G. Hardening and cladding of a relativistic electron beam outside the vacuum // Technological capabilities of the method. – Saarbrucken: LAPLAMBERT Acad. Publ., 2013. – 317 p.
9. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, A.A. Losinskaya, A.I. Popelyukh, E.A. Drobyaz // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 242. – P. 164–169. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.038
10. Rudnev V.I., Loveless D. 12.15 – Induction Hardening: Technology, Process Design, and Computer Modeling // Comprehensive Materials Processing. – 2014. – Vol. 12: Thermal Engineering of Steel Alloy Systems. – P. 489–580. – doi: 10.1016/B978-0-08-096532-1.01217-6
11. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Упрочнение поверхностных слоев деталей машин с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты // Ползуновский вестник. – 2005. – № 2-2. – С. 104–112.
12. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки материалов и сплавов. – М.: Металлургия, 1969. – 376 с.
13. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: вопросы металловедения и технологии. – Л.: Машиностроение, 1990. – 239 с.
14. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Связь параметров термических циклов, реализуемых в поверхностных слоях деталей машин, с глубиной упрочнения при воздействии объемных концентрированных источников нагрева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2004. – № 10. – С. 30–34.
15. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Степанова Н.П. Назначение режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников нагрева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2005. – № 3. – С. 22–24.
16. Kohli A., Singh H. Optimization of processing parameters in induction hardening using response surface methodology // Sadhana. – 2011. – Vol. 36, no. 2. – P. 141–152. – doi: 10.1007/s12046-011-0020-x
17. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Повышение поверхностной микротвердости стали при интеграции поверхностно-термической и финишной механической обработок // Научный вестник НГТУ. – 2006. – № 3. – С. 187–192.
18. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Зуб Н.П. Методика назначения режимов обработки, обеспечивающих рациональное распределение остаточных напряжений при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ // Научный вестник НГТУ. – 2008. – № 3. – С. 83–95.
19. Residual stresses in surface induction hardening of steels: comparison between experiment and simulation / D. Coupard, T. Palin-Luc, P. Bristiel, V. Ji, C. Dumas // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 487, no. 1-2. – P. 328–339. – doi: 10.1016/j.msea.2007.10.047
20. Totten G.E., Howes M., Inoue T. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. – Ohio: ASM International: Materials Park, 2002. – 499 p.
21. ASM HandBook. Vol. 9. Metallography and microstructures / prepared under the direction of the ASM International Handbook Committee; vol. ed. G.F. Vander Voort. – Ohio: Materials Park: ASM International, 2004. – 1184 p.
22. Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics / W.N. Sharpe, ed. – Leipzig-New York: Springer Science and Business Media, 2008. – 1098 p.
23. Моделирование процессов структурообразования при формировании сварного соединения из разнородных сталей / А.А. Никулина, В.Ю. Скиба, Е.Е. Корниенко, Е.Н. Миронов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 4 (53). – С. 54–61.
24. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. – Л.: Энергия, 1974. – 264 с.
25. Иванцивский В.В. Связь режимов обработки с теплофизическими процессами в материале при интеграции поверхностной термической и финишной механической обработок // Современная электротехнология в промышленности России [Электронный ресурс]: тр. Всерос. науч.-техн. конф., Тула, 27–28 окт. 2003 г. – Тула, 2003. – С. 249–258. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – ISBN 0320300984.
26. Физические свойства металлов и сплавов: справочник / под ред. Я.Л. Лифшиц. – М., 1980. – 320 с.
27. Теплопроводность твердых тел: справочник / под ред. А.С. Охотина. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 320 с.
28. Стали и сплавы. Марочник: справ. изд. / под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 608 с.
29. Denis S., Sjöström S., Simon A. Coupled temperature, stress, phase transformation calculation model numerical illustration of the internal stress evolution during cooling of a eutectoid steel cylinder // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 1987. – Vol. 18, no. 7. – P. 1203–1212. – doi: 10.1007/BF02647190
30. Hildenwall B., Ericsson T. Prediction of Residual Stresses in Case-hardening Steel // Hardenability Concepts with Application to Steel / D.V. Doane and J.S. Kirkaldy, eds. – Warrendale: AIME, 1978. – P. 579–605.
31. Прус А.А., Ермолаев Б.И. Металлы и сплавы: справочные данные о физико-механических свойствах при различных температурах и условиях нагружения. – М.: ЦНИИ, 1975. – 583 c.
32. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник. – М.: Металлургия, 1989. – 383 c.
33. Скиба В.Ю. Повышение эффективности технологического процесса обработки деталей машин при интеграции абразивного шлифования и поверхностной закалки ТВЧ: дис. … канд. техн. наук: спец. 05.03.01 / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 2008. – 257 с.
34. Fortunier R., Leblond J.B., Bergheau J.M. A Numerical Model for Multiple Phase Transformations in Steels during Thermal Processes // Journal of Shanghai Jiaotong University. – 2000. – Vol. E5, no. 1. – P. 213–220.
35. Sjöström S. The Calculation of Quench Stresses in Steel: Ph.D. Diss. № 84 / Linköping University, Linköping Studios in Science and Technology, Division of Solid Mechanics and Strength of Materials, Department of Mechanical Engineering. – Linköping, Sweden, 1982. – 126 p.
36. Иванцивский В.В. Управление структурным и напряженным состоянием поверхностных слоев деталей машин при их упрочнении с использованием концентрированных источников нагрева и финишного шлифования: дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.16.09 / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 2012. – 425 с.
