Диссертация (Эволюция структуры и свойств конструкционных низколегированных сталей при кратковременных локальных термических воздействиях концентрированными источниками тепла), страница 10

3.3. Пример макроструктуры детали послевосстановления поверхности наплавкой1/6Рис. 3.4. Расчетная технологическая схемавосстановления поверхности деталиТермические циклы, действующие в окрестности точки А представлены нарис.3.5 (номера линий соответствуют номерам областей на рис.3.4). На рис. 3.6показаны графики термического цикла и скорости нагрева и охлаждения металла ввышеуказанной точке при восстановлении детали в области 3 (рис.

3.4).53Таблица 3.2Расчетные теплофизические параметры для точки А (Y=1,0см; Z = 0,8см)Параметристочник тепла в области 2Максимальная температураВремя пребывания металла при T> Ас3Средняя скорость охлаждения до точки Ас3Время охлаждения Δt8/5 в интервале 800-500ºCСредняя скорость охлаждения в интервале 800-500ºCисточник тепла в области 3Максимальная температураВремя пребывания металла при Ас3 > T > Ас1Время охлаждения Δt8/5 в интервале 800-500ºCСредняя скорость охлаждения в интервале 800-500ºCисточник тепла в области 4Максимальная температураВремя охлаждения Δt6/5 в интервале 600-500ºCСредняя скорость охлаждения в интервале 600-500ºCРис. 3.5. Термические циклы в окрестноститочки А при восстановлении детали по всейповерхности от области 1 до области 5РазмерностьВеличинаºCсºC /ссºC /с11302,801384,5067ºCссºC /с8003,555,9051ºCсºC /с6303,5328Рис.

3.6. Термический цикл и скорости нагреваи охлаждения в окрестности точки А привосстановлении размеров детали в области 3Таким образом, в рамках предложенной модели в результате расчета термическихциклов согласно принятой технологической последовательности можно получитьинформацию о полной тепловой обстановке для любой точки детали.3.3.2. Моделирование тепловой обстановки в процессе ремонтаРемонтные работы это одно из важнейших направлений, где может быть успешноприменена разработанная математическая модель [101]. Выполним расчетную оценку54тепловой обстановки в процессе ремонта с применением концентрированныхисточников теплоты, предусматривающего частичное удаление металла из зоныремонта.Вкачествепримерапроведемэкспериментальноеисследованиеиматематическое моделирование теплового процесса при подготовке к ремонту стальнойдетали путем удаления поверхностного слоя на глубину 8 мм и ширину 12 ммвоздушно-дуговым способом.

Макрошлиф детали и еѐ схема, на которой показанырасчетные изотермы, представлены на рис.3.7 и рис. 3.8.Из полученных результатов следует: если средние скорости нагрева металла приудалении металла (выборке) и восстановлении размеров детали сопоставимы (находятсяв интервале 500…700 оС/с), то средняя скорость охлаждения металла при выборке в 2-3раза превосходит скорость охлаждения при восстановлении геометрических размеровдетали.Рис. 3.7.

Макрошлифдетали после удаленияповерхностного слояРис. 3.8. Поле максимальных температур в осевойплоскости канавки при удалении поверхностного слоядетали: 1-25 оС, 2-75 оС, 3-125 оС, 4- 175 оС, 5-225 оС, 6275 оС, 7- 325 оС, 8-375 оС, 9-425оС, 10-475 оС, 11-525 оСПри каждом ремонте с применением концентрированных источников теплотыметалл подвергается двукратному нагреву. Первый нагрев осуществляют в процессеудаления металла в дефектном месте, второй нагрев - при восстановлении поверхности(размеров) деталей в зоне ремонта. Если после ремонта дефекты остаются,осуществляют повторную выборку и ее заполнение. Число нагревов металла в зонеремонта Nнагр определяется количеством выборок mвыб по формуле (3.5а).

Если ремонтдетали осуществляют в месте расположения сварного соединения, нужно учитывать исварочный термический цикл, действовавший при еѐ изготовлении, в соответствии свыражением (3.5 б). Пример такого ремонта приведен на схеме рис. 3.9.Nнагр = 2 mвыбNнагр = 2 mвыб + 1(3.5 а)(3.5 б)55Рис. 3.9. Схема двукратного ремонта деталиПри ремонте из-за многократных нагревов на участке, где локализованвысокотемпературный нагрев, происходит постепенная деградация материала. Когдасвойства стали падают ниже допускаемого уровня, дальнейший ремонт следуетпрекратить, что ставит вопрос о ремонтоспособности стали и ремонтопригодностиизделий. Рекомендации по изменению технологии ремонта во избежание проблем,связанных с деградацией свойств, приведены в главе 6.3.3.3.Выборпараметровтермическихцикловдляимитационногомоделирования на дилатометре теплового воздействия на исследуемые сталиДля изучения теплового воздействия и прогнозирования изменений свойствметалла в работе осуществлялась имитация термических циклов на модельных образцах(результаты имитации термических циклов на дилатометре представлены ниже в главе4), характерных для ряда промышленных технологий в машиностроении, например,таких как нанесение рабочих поверхностных слоев или восстановление размеровдеталей при ремонте (см.

рис. 3.3 и рис. 3.10а). Анализ реальных кратковременныхтермических воздействий на материал в процессе изготовления деталей или их ремонтапозволил их систематизировать по основным характеристикам термического цикла (см.раздел 3.1.) и условно разделить на группы по максимальным температурам Tmax и поскоростям охлаждения металла ωохл (рис.10г).Полученные с помощью математической модели данные позволили выбратьпараметрытермическихцикловдлямодельныхобразцовприпоследующеммоделировании на дилатометре теплового воздействия на металл в ЗТВ исследуемыхсталей.56абвгРис.3.10.

Пример локального термического воздействия при ремонте: макрошлиф фрагментавосстановленной детали (а) и ее расчетная схема (б); реальный термический цикл при 1кратном нагреве (в) и схема возможных 2-кратных термических воздействий (г)При постоянной погонной энергии увеличение толщины деталей приводит кросту скорости охлаждения металла в околошовной зоне и уменьшению размеров ЗТВ.Рост погонной энергии вместе с ростом ширины ЗТВ (и, соответственно, каждой изобластей ЗТВ) вызывает снижение скорости охлаждения. Поэтому представляло интересисследование структуры металла на модельных образцах при сравнительно низкихскоростях охлаждения.Результаты математического моделирования процесса двухпроходной сварки илинаплавки в рамках предложенной модели сравнивались с выполненными расчетами пометодике [84].

Расчетные значения скоростей охлаждения в ЗТВ практически совпали.Здесь следует в подтверждение корректности расчета сослаться на работу [54], согласнокоторой для 1-ого валика ω8/5=15оС/с, т.е. разработанная модель адекватно отражаеттеплофизические процессы в металле при кратковременных воздействиях на неголокальных концентрированных источников теплоты.57Из полученных данных следует, что при погонных энергиях 5…6 кДж/мм,скорости охлаждения в одном и том же интервале температур при выполнении второговалика несколько ниже, чем первого (таблица 3.3).Таблица 3.3.Расчетные значения скоростей охлаждения в ЗТВРасчет по разработанной моделиСкорость охлаждения, ⁰С/сТемпературный интервал, ⁰С700-800900-10001100-13501-валик2-валикРасчет по методике [84]15-169-1135-3817-2043-4926-30Температурный интервал, ⁰С700-800900-10001100-13501-валик2-валик15-1710-1235-3718-2045-5028-31Скорость охлаждения, ⁰С/сДля имитации на дилатометре двукратного теплового воздействия на металл,например, при двухпроходной сварке или наплавке двух соседних валиков (как этопоказано на рис.

3.10а) были выбраны для моделирования термические циклы соследующими характеристиками (см. таблицу 3.4.), а именно: нагрев до Т max1 = 1350⁰С,кратковременная выдержка при этой температуре, охлаждение до 250⁰С, повторныйнагрев Тmax2в интервал температур от 700 до 950⁰С через 50⁰С, кратковременнаявыдержка и охлаждение (рис.

3.10г) [48].Исходя из расчетных значений скоростей охлаждения в ЗТВ (таблица 3.3),скорость охлаждения при первом термическом цикле была выбрана 50⁰С/с (Tmax1 =1350⁰С). Дополнительно изучались структуры, формируемые при охлаждении образцовна 1-ом цикле со скоростью 20⁰С/с – такой режим охлаждения возможен притемпературах выше Ас3 при пологопадающей правой ветви термического цикла, чтохарактерно для высоких погонных энергий (5...6 кДж/мм).В интервале температур от 1000⁰С до 700⁰С в реальных условиях скоростиохлаждения ниже.

При температурах 800…700⁰С скорость охлаждения может бытьниже в 2 раза [48]. Поэтому, ориентируясь на скорости охлаждения для второго проходапо таблице 3.3, для имитации были выбраны на 2-ом цикле скорости охлаждения 1⁰С/с и5⁰С/с.58Таблица 3.4.Параметры термических циклов при двукратном нагреве модельных образцовTmax 1, оСωохл 1, оС /сTmax 2, оСωохл 2, оС /с900151585015950135020700151515950158007509008501350508007507001515151515Для сравнения также была произведена имитация однократного термическоговоздействия на металл в ЗТВ путем нагрева образцов до температур Tmax,представленных в следующем ряду: 1350; 1100; 900, 800, 750, 700оС. Моделируемыйцикл сварки состоял из нагрева, выдержки при указанных температурах и охлаждения,что соответствует тепловой обстановке в различных областях ЗТВ от участка крупногозерна до участка отпуска. Охлаждение производилось со скоростями в интервале от1оС/с до 100оС/с, причем выбор конкретной скорости охлаждения определялся изнеобходимости сравнения структур, получаемых при двукратном тепловом воздействии.59Выводы по главе 31.

Разработана математическая (теплофизическая) модель применительно ктехнологиям, используемым при изготовлении и ремонте деталей машиностроения,которая охватывает основные способы нагрева металла при кратковременныхлокальных термических воздействиях на материал источников теплоты, реализуемыепри сварке плавлением в процессе наплавки и ряде других случаев, включая воздушнодуговую строжку и ремонтные технологии.2. Выполненные в рамках разработанной модели численные решения с помощьюпрограммы Flex-EDF показали, что предложенная модель позволяет:- установить влияние технологических режимов нагрева при сварке и строжкеметалла, формы и конструктивных размеров деталей, погонной энергии и условийпредварительного подогрева на действующий термический цикл, определяющийструктуру и свойства металла в ЗТВ;- определить основные параметры термических циклов, возникающих в процессереализации промышленных (или ремонтных) технологий в процессе изготовлениямашиностроительных деталей (или при их ремонте), а именно: максимальнуютемпературу цикла; скорость нагрева в любом интервале температур; время пребыванияметалла в определенном температурном интервале, например, выше критической точкиАс3; длительности и скорости охлаждения в температурном интервале превращенияаустенита.3.

Результаты математического моделирования процесса двухпроходной сварки врамках предложенной модели сравнивались с выполненными расчетами по методике[84] и экспериментальными данными работы [54]. Расчетные значения скоростейохлаждения в ЗТВ практически совпали. Таким образом, подтверждено, чторазработанная модель адекватно отражает теплофизические процессы в металле прикратковременных воздействиях локальных концентрированных источников теплоты.4. Полученные с помощью разработанной модели данные позволили выбратьпараметры термических циклов при имитационных нагревах модельных образцов надилатометре Bähr Thermoanalyse DIL805 и исследовательском комплексе «GLEEBLE3800» для оценки теплового воздействия на исследованные стали.60ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ4.1.

Эволюции структуры и ее влияние на вязкость в ЗТВ при двукратномтепловом воздействии на металл деталей при их изготовленииИзвестно, что в ЗТВ формируется ряд структур, которые непрерывно изменяютсяот зоны сплавления до основного металла [26, 56, 58]. Если для управления и контролянад структурами и свойствами металла шва технологи имеют набор возможностей отразработки специальных сварочных материалов до технологических приемов имероприятий, то применительно к металлу ЗТВ эта задача вырождается до поискаспособов контроля над тепловой обстановкой. Так как чувствительность материала ккратковременным нагревам определяет его работоспособность в составе изделия, вопросдеградации свойств сталей в ЗТВ по мере развития технологий, предусматривающихлокальный нагрев на повышенных погонных энергиях (нередко включающих повторныетехнологическиенагревы)сохраняетсвоюактуальность.Настоящийразделдиссертационной работы является продолжением исследований и обобщениемрезультатов, выполненных автором в составе творческого коллектива и представленныхв [57, 59-61, 101].Анализ структур ЗТВ сварных соединений штатных деталей различныхпроизводителей позволил установить особенность структуры металла в местепересечения ЗТВ 2-го прохода с ЗТВ от 1-го валика.