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

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ ПРИ НЕПРЕРЫВНО-ИМПУЛЬСНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКЕ

В. Г Щукин,

ИТПМ им. СО РАН, Новосибирск, Россия

Рассматривается модель импульсной индукционной обработки поверхности стальных деталей с подвижным источником энергии. В то время, как режимы индукционной обработки с непрерывным источником наиболее просты для моделирования и вследствие этого изучались подробно в течение последних десятилетий [1, 2], варианту импульсного воздействия уделялось много меньшее внимание. Между тем, 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.

Данная работа посвящена расчету полей напряжений и деформаций в толстом стальном образце (Cт. 45) при его обработке высокочастотными импульсами одинаковой амплитуды. Индуктор с плоской рабочей поверхностью движется вдоль поверхности образца с постоянной скоростью Vx. Зона термического воздействия (ЗТВ) во время действия каждого импульса имеет вид узкой длинной полосы, чья ширина l много меньше характерных размеров образца (l <<Lx1, Lx2 и D, см. рис. 1).

Рис. 1. Схема импульсной закалки и расчетная область

По мере движения индуктора в стальном образце формируется области с различным фазовым составом: в нагретой зоне образуется аустенит, который при охлаждении со скоростью выше критической переходит в упрочняющую мартенситную фазу. Целью моделирования является определение эволюции во времени поля напряжений (деформаций) в поперечном сечении образца, в том числе – расчет остаточных напряжений и пластических деформаций в «хвосте» полосы обработки.

Эволюция тепловых, электромагнитных полей и полей напряжений и деформаций в любом поперечном сечении образца описывается той же системой уравнений, что и в случае одиночного импульса [3]. Объемный источник энергопоглощения в поверхностном слое стали при непрерывно-импульсном режиме имеет вид:

Расчеты проводились для частоты поля f=440 кГц, удельного потока энерговыделения на поверхности стали в течение первого импульса W=15 кВт/см2, ширине ЗТВ l =2 мм и для двух значений скорости движения индуктора Vx=1 и 0.6 cм/c.

ã , , 2011

Длительность импульсов и пауз в обоих вариантах расчета составляли timp=30 мс и tpause=90 мс, соответственно. Число импульсов (n=1, 2,…) не превышало 12, что связано с ограниченными возможностями компьютера.

Изменения со временем температуры и среднего напряжения =(σxx +σyy +σzz)/3 для некоторых точек поверхностного слоя приведены на рис.2.

Рис. 2. Динамика изменения температуры (а) и средних напряжений (б) при скорости движения индуктора Vx= 0.6 см/с в точках с координатами: x=y=0 (1); x=0, y=0.3 мм (2); y=0, x =-2 мм (3)

Как следует из результатов моделирования, каждая точка поверхностного слоя испытывает 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). В этой зоне образуется более пластичная (по сравнению с начальной перлито-ферритной) фаза аустенита, что ведет к уменьшению амплитуд колебаний как сжимающих, так и растягивающих напряжений (рис.2б). Вне области теплового воздействия происходит охлаждение стали с монотонным понижением скорости. 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Melander M. Theoretical and experimental study of stationary and progressive induction hardening // J. Heat. Treat. 1985. V.4. N 2. P. 145-166.

2.  Xu D., Li Z., Luo J. Expressions for predicting the residual stress in surface induction hardening of steel bars // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 1996. V. 4. P. 111-122.

3.  , В. Моделирование энергопоглощения в стали при обработке мощными высокочастотными импульсами различной частоты //ПМТФ. 2004. Т. 45, N 6. С. 154-168.