292 / 457
Механики XXI веку. №15 2016 г.
292
Структурные исследования образцов осуществляли с использованием светового микроскопа
Axio Observer A1m и растрового микроскопа EVO 50 XVP компании «Carl Zeiss».
Математическое моделирование.
Подготовка конечно-элементной модели осуществлялась в
программном комплексе
ANSYS
. Генератором
ANSYS Meshing
была сформирована гексаэдрическая
КЭ сетка с использованием следующих типов конечных элементов:
Solid bodies
– твердые тела моде-
лировали 8-узловыми тетраэдрами
SOLID
45;
Surface bodies
поверхностные тела моделировали 4-
узловыми 4-угольными оболочковыми элементами –
SHELL
63;
Line bodies
– линейные тела модели-
ровали 2-узловыми линейными элементами
LINK
8. Размер конечных элементов составлял 0,01 … 1
мм. Общее количество элементов (
Elements
) – 108800.
Моделирование процесса ВЭНТВЧ осуществляли в системе SYSWELD, позволяющей ис-
пользованием модели упруго-вязкопластического поведения материала и современного математиче-
ского аппарата, осуществить расчет температурных полей, распределения структурных составляю-
щих, твердости, внутренних напряжений и деформаций [26 - 30].
Воспользоваться разработанным математическим аппаратом теории теплопроводности стано-
вится возможным только лишь при соответствующем описании теплового источника в месте его дей-
ствия [18].
Адекватность математической модели проверялась опосредованно посредством предвари-
тельно проведенных структурных исследований и определения микротвердости упрочненного слоя.
Результаты и обсуждение.
Расчеты показали, что в условиях ВЭН ТВЧ достигаются доста-
точно высокие значения скоростей нагрева
V
Н
= 5…50·10
3
o
C/с и охлаждения (в интервале температур
(700…500) °С –
V
O_700-500
= 3…33·10
3
o
C/с, в интервале температур (400…150) °С –
V
O_400-150
=
200…4100
o
C/с). Максимальная температура на поверхности составляет 1700…1750
o
C – образование
высокоуглеродистого слоя происходит с оплавлением поверхности.
Такая динамика распределения теплового поля по сечению пластины является причиной не-
однородных структурно-фазовых превращений в материале и возникновения в нем остаточных де-
формаций и напряжений, уровень которых на поверхности может достигать значений
= -300…-400
МПа. При проверке адекватности математической модели максимальная погрешность не превышала
4…8 %.
На рисунке 2 представлены результаты оптической микроскопии и моделирования структур-
но-фазовых превращений для стали 20 с высокоуглеродистым поверхностным слоем, образованным
после охлаждении на воздухе. При обработке ВЭН ТВЧ образуется градиентная структура материала:
на поверхности образуется структура доэвтектического чугуна, далее наблюдается зона, характерная
для заэвтектоидной стали, переходящая в зону основного металла (рис. 2).
а)
б)
Рис. 2. Распределение структурных составляющих стали 20 с высокоуглеродистым поверхностным слоем : а)
оптическая микроскопия; б) результаты моделирования структурно-фазовых превращений.
При этом глубина упрочненного слоя составила
h
= 0,23 мм, а величина переходной зоны –
0,04 мм. Микротвердость поверхностного слоя составляла 6000 МПа, при этом максимальное значе-
ние остаточных напряжений сжатия на поверхности
= -340 МПа (расчетное значение
= -384
МПа). Особенностью переходной зоны в данном случае является выделение избыточного цементита
видманштеттова типа, что говорит о высоких температурах нагрева этой области и высокой скорости
охлаждения (рис. 3,
а
).