 |
Моделирование лазерного поверхностного термоупрочнения
|
|
|
|
Задание
1. Запустить программу расчета, ввести исходные данные лабораторной работы № 1 {характеристики материала (HD = HB·1, 5; Е; m), параметры режима УЗО (A, f, D)}; выполнить расчет пять раз для значений углов Q0, равных – 60°, – 30°, 0°, 30°, 60°, фиксируя значения глубины очага деформации (hs), интенсивности деформации (ε i, 0), статического усилия (Fct).
2. Открыть файл «grafics_2. xls» из программы MS Excel, ввести в таблицы полученные расчетные значения, построить промежуточные графики hs = f (Fct) и ε i, 0 = f (Fct), определить значения hs и ε i, 0 для заданного преподавателем процента деформации, сохранить файл под новым именем.
3. Запустить программу расчета, ввести требуемые исходные данные, рассчитать распределение напряжений, для деталей толщиной 10, 20 и 30 мм (толщина расчетного слоя не более 1 мм), фиксируя значения результирующих напряжений и деформаций.
4. Вернуться к файлу «grafics_2. xls», ввести полученные значения, построить графики σ R = f (S), где S – толщина образца; построить графики изменения кривизны поверхности детали для длины детали
L = 100 мм.
5. Сделать выводы по полученным результатам.
Содержание отчета
1. Классификация и причины возникновения остаточных напряжений при УЗО.
2. Описание модели и алгоритма расчета.
3. Входные данные.
4. Промежуточные результаты расчета и графики.
6. Окончательные результаты расчета.
7. Графики.
8. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что является причиной возникновения остаточных напряжений при УЗО?
2. Как классифицируются остаточные напряжения?
3. Как влияют остаточные напряжения на свойства деталей?
4. Какие методы лежат в основе модели напряженно-деформи-рованного состояния при УЗО?
|
|
|
5. По какому алгоритму выполняются расчеты в модели?
6. Что является входными данными модели?
7. Что является выходными данными модели?
8. Что такое относительная остаточная осевая деформация и на что она влияет?
Лабораторная работа № 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
Цель работы: познакомиться с работой модели движущегося поверхностного теплового источника, исследовать с ее помощью процесс лазерного термоупрочнения, проанализировать результаты.
1. Краткие сведения о лазерных технологиях поверхностного упрочнения
Как известно, лазер – это источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.
Лазерное излучение – вынужденное монохроматическое излучение широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен микрометров. Лазерное излучение перекрывает диапазон длин волн 10–5¸ 10–2 см (от ближней ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра, включая видимую). Полный диапазон длин его волн примерно 0, 1¸ 1000 мкм, хотя длины волн крайних участков имеют только экспериментальные лазеры. Используемые на практике лазеры генерируют излучение с длиной волны l = 0, 3¸ 10, 6 мкм.
Лазерное излучение, обладая уникальными свойствами, позволяет сконцентрировать на поверхности обрабатываемого материала энергию при плотностях мощности от предельно малых до 1011 Вт/см2. Причем эту энергию можно передавать материалу бесконтактно, быстро и строго дозированно. Локальность тепловых процессов, происходящих в поверхностном слое при таких условиях облучения, обеспечивает высокие (примерно106¸ 108 °С/с) скорости нагрева и охлаждения, не достигаемые при использовании традиционных методов термической обработки. Такие особенности тепловых процессов обусловливают широкие возможности управления эксплуатационными характеристиками рабочих поверхностей деталей машин и инстру-ментов.
|
|
|
Управляя интенсивностью лазерного облучения, можно реализовать различные процессы в поверхностном слое обрабатываемого материала:
Þ нагрев до температур, не превышающих температур плавления, но достаточных для структурно-фазовых превращений;
Þ нагрев до температур, превышающих температуру плавления, но ниже температуры испарения;
Þ интенсивное испарение поверхности.
Эффекты, которые возникают в поверхностном слое обрабатываемого материала при протекании этих трех основных процессов, явились основой для разработки ряда методов лазерной обработки материалов, направленных на повышение эксплуатационных характеристик деталей машин и металлорежущих инструментов.
Лазерное термическое упрочнение – это процесс, при котором тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала нагревается до температур выше температуры структурно-фазовых превращений, после чего охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу материала. В этих условиях материал поверхностного слоя подвергается автозакалке. Эффект упрочнения наблюдается преимущественно в углеродосодержащих и некоторых легированных специальных сталях и сплавах и заключается в образовании в поверхностном слое специфической высокодисперсной, слабо травящейся, дезориентированной в пространстве структуры. Эта структура обладает повышенной дисперсностью блоков и плотностью дислокаций, имеет микротвердость, в 1, 1¸ 5 раз превышающую микротвердость структуры основы. Глубина упрочненного слоя в зависимости от режимов облучения может достигать 0, 05¸ 3 мм. Процесс лазерного упрочнения можно реализовать, применяя как импульсное, так и непрерывное излучение. Чаще всего используют СО2 – лазеры непрерывного действия мощностью 1¸ 10 кВт. В настоящее время твердость стали на поверхности и в слое толщиной до 0, 5 мм после лазерной закалки достигает порядка 40¸ 60 (по шкале Роквелла). Деформация в слое глубиной 50¸ 100 мкм, имеющая место при лазерной закалке, меньше, чем при других видах закалки. При закалке больших поверхностей используют перемещение материала со скоростью
0, 5¸ 2 м/мин. Возможно также объединение движения лазерного пучка с перемещением материала. Область применения лазерного упрочнения очень обширна. Его используют для повышения износостойкости режущего инструмента, рабочих поверхностей толкателей и матриц вырубных и гибочных штампов, упоров, регулировочных винтов, направляющих металлорежущих станков, деталей контрольно-измери-тельного инструмента, изготовленных из инструментальных углеродистых и легированных сталей. Также термическое упрочнение используют при обработке быстроизнашивающихся поверхностей деталей гидроагрегатов, топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания, поршней и других подобных деталей.
|
|
|
Лазерный отжиг – это процесс лазерной обработки сравнительно тонких листовых материалов, основанный на излучении с относительно низкой плотностью мощности (примерно 102¸ 103 Вт/см2), обеспечивающем скорости нагрева и охлаждения, не превышающих критических значений. В результате облучения в поверхностном слое или во всем объеме материала (если его толщина соизмерима с глубиной зоны термического влияния) образуется характерная структура отжига или отпуска. Лазерный отжиг используют при обработке концов плоских и спиральных пружин, изготовленных из пружинных сталей, бронз, для снятия внутренних напряжений в сварочных швах, а также для локального отжига участков напряжений, где возможна концентрация напряжений.
Лазерное термическое упрочнение с оплавлениемповерхности отличается от упрочнения без фазового перехода большими размерами зоны лазерного воздействия, более выраженной неоднородностью структуры поверхностного слоя. Структура в последнем случае состоит как минимум из трех слоев. Наружный слой имеет характерное для закалки из жидкого состояния дендритное строение. Ниже располагаются зона термического влияния (ЗТВ) и переходный слой. Свойства, (в частности, микротвердость, микро- и макронапряжения поверхностного слоя, облученного в режиме оплавления) существенно зависят от химического состава обрабатываемого материала. Серьезным недостатком лазерного упрочнения в режиме оплавления является нарушение исходной шероховатости, что требует проведения финишной механической обработки. Этот вид термического упрочнения используют на операциях, предшествующих финишной обработке. Метод также применяют для повышения износостойкости поршневых пальцев, распределительных колец гидроагрегатов, обкаточных роликов, контактных поверхностей металлических уплотнений, быстроизнашивающихся деталей из сплавов на основе алюминия, деталей, полученных методами порошковой металлургии.
|
|
|
Аморфизация поверхности – это процесс, при котором с помощью лазерного облучения в режиме интенсивного оплавления создается
в поверхностном слое обрабатываемого материала максимально возможный градиент температур. При таких условиях скорости охлаждения материала в узком поверхностном слое толщиной 0, 02¸ 0, 05 мм могут достигать 106¸ 107 °С/с, что в ряде случаев является достаточным для «замораживания» разупорядоченной при расплавлении структуры, т. е. для перевода материала в аморфное состояние. Процесс лазерной аморфизации поверхности можно осуществить непосредственно на сплавах специальных составов, в том числе и на основе железа, а также на ряде других материалов, предварительно покрытых одно- или многокомпонентными составами, которые самостоятельно либо в совокупности с материалом основы склонны к аморфизации под действием лазерного излучения. Аморфизацию применяют для повышения износостойкости и улучшения магнитных характеристик магнитофонных головок, повышения износостойкости и коррозионной стойкости сварочной проволоки, медицинского инструмента, лопаток газовых турбин и компрессоров.
Для управления выше рассмотренными процессами необходимо знать взаимосвязь режимов лазерного воздействия с распределением температур и скоростей нагрева и охлаждения в объеме детали. Один из методов получения этой информации – математическое моделирование.
|
|
|
