Математическое моделирование процессов образования и поведения градиентных структур в металлах при внешних энергетических воздействиях

• Автор: Сарычев, Владимир Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новокузнецк
• Количество страниц: 147 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ И ПОВЕДЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СТРУКТУР ПРИ ВНЕШНИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

1.1 Математическое моделирование процессов при поверхностном

упрочнении и поведение градиентных структур при внешних нагрузках.

1.2 Создание гетерогенных плазменных потоков, их взаимодействие с

поверхностью и математическое описание процессов образования поверхностноупрочненных слоев

1.3 I фактические вопросы эксплуатации металлов с градиентной

структурой при внешних энергетических воздействиях.

1.4 Постановка задачи
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ
ГЕТЕРОГЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
2.1 Экспериментальные исследования формирования гетерогенных
плазменных потоков.
2.2 Математическое моделирование формирования гетерогенного
плазменного потока.
2.3 Выводы.
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ
ГРАДИЕТНЫХ СТРУКТУР В МЕТАЛЛАХ ПРИ ВНЕШНИХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
3.1 Механизм образования поверхностнопериодических структур при
воздействии гетерогенных плазменных по токов.
3.2 Математическое описание процессов формирования
поверхностнопериодических структур.
3.3 Математическое моделирование теплофизических процессов при
образовании градиентных структур по глубине.
3.4 Расчет температурных полей при термоупрочнении сортового
проката.
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ГРАДИЕНТНОЙ СТРУКТУРОЙ.
4.1 Обоснование предложенной модели.
4.2 Получение расчетных формул связи между перемещениями и
напряжениями на границе слоя
4.3 Получение матрицы перехода для напряжений и смещений на
смежных слоях.
4.4 олучение расчетных формул для пакета на винклеровом
основании
4.5 Асимптотический анализ напряжений в зоне сопряжения слоев
4.6 Численный алгоритм расчета напряженного состояния.
4.7 Расчет и анализ напряженного состояния на границе раздела двух
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Третья схема реализуется при <7л»<7п и в этом случае при условиях глубинного нагрева зависимость температуры от координаты монотонна, и твердость монотонно спадает (4] (схема К. З. Шспеляковского). Все три схемы предполагают, что используется поверхностный разогрев. Существует четвертая схема создания градиентных структур при термообработке, исследованная под руководством К. Ф.Стародубова [5]. В этом случае возможно резкое переохлаждение поверхности с последующим разогревом, в результате чего могут возникать немонотонные градиентные структуры. Также образование немонотонных градиентных структур с участком пониженной твердости возможно при условии воздействия концентрированных потоков энергии на закаленные стали (зона термического влияния [6]). Более детальный анализ схем и процессов теплопереноса с учетом кинетики фазовых и структурных превращений требует создание математических моделей и компьютерного моделирования. К3 ( лазер, плазма, потоки заряженных частиц и др), 0п(Т)-плотность тепловых потерь, связанных с радиационным и конвективным теплообменом. Грдины и образования немонотонной градиентной структуры. Тем не менее, указанные исследования показывают, что для металлов учет нелинейных зависимостей приводит к качественно иным следствиям, например, скорость нагрева в зависимости от времени имеет локальные минимумы и максимумы, отсутствующих в линейных моделях и влияющих на характер структурных и фазовых превращений. Большой вклад этого направления внесен в анализ процессов плавления и течения расплава при внешних энергетических воздействиях. Большое внимание к построению моделей нагрева и охлаждения при ТВЧ воздействии проявили ученые МГУ во главе с А. Н.Тихоновым совместно со специалистами ПО ЗИЛ []. Процессы теплопереноса описываются одномерным уравнением теплопроводности с граничными условиями третьего рода с учетом температурных зависимостей теплофизических характеристик и доказывается, что в достаточно медленном диапазоне скоростей закалки «°С/с коэффициент теплообмена можно для целей моделирования в конкретных условиях принять постоянным порядка 1(ГВт/{м2оС). Математическое моделирование включает два этапа: 1) по экспериментальным зависимостям температуры от времени на поверхности подбираются и уточняются теплофизические характеристики процесса. Знание зависимости температуры от времени в каждом сечении позволяет ее наносить на термокинетическую диаграмму и рассчитать глубину мартенситного слоя, долю фаз в каждом сечении и структурный состав слоя. Далее теоретически восстанавливается зависимость твердости по глубине. Описанный математический эксперимент позволил получать только монотонное изменение твердости, и поэтому переносить его на моделирование немонотонных градиентных структур нельзя. Грдины на количественном уровне и пролить свет на возможности построения теоретических математических моделей процесса закалки с немонотонными градиентными свойствами. Вопросам моделирования и формирования градиентных структур при импульсном упрочнении металлов и сплавов посвящены монографии и обзоры [ -], в которых не наблюдались и не анализировались немонотонные градиентные структуры при воздействии КПЭ на незакаленные металлы и без плавления поверхности. В монографии К). И. Бабея 1 ] изложены физические основы формирования структурно-напряженного состояния в процессе импульсного нагрева, одновременного пластического деформирования и последующего быстрого охлаждения. Специальное точение, механоультразвуковая и фрикционно-упрочняющая обработки стали создают такие температуры (Ю°С). ГПа) и времена воздействия (0. БС) на глубину - мкм и микротвердостью 8 ГПа. На закаленных сталях при импульсном упрочнении под НС наблюдается зона пониженной микротвердости (провал) и повышенной трави мости, т. Па незакаленных сталях имеет место переходная зона с монотонным снижением микротвердости до основной структуры. Немонотонная зависимость объясняется вторичным отпуском стали, меньшим количеством карбидообразующих элементов (С, С г и др. Как считает автор, в зависимости от теплопроводности стали в ней могут наблюдаться продукты распада мартенсита (троостит, сорбит, феррит).