методичка (Методические указания к лабораторным работам по курсу - Компьютерное материаловедение), страница 5

Для решения этого уравнения необходимо задать начальные и граничные условия. Типичными граничными условиями являются условия третьего рода(закон Ньютона), задающие плотность теплового потока междуповерхностью охлаждаемого тела и закалочной жидкостью:q = α(Тср – Тп),где q – удельный тепловой поток, α – коэффициент теплоотдачи; Тср и Тп – температуры среды и поверхности охлаждаемоготела соответственно.

Коэффициент теплоотдачи α характеризуетинтенсивность теплоотвода, т. е. охлаждающую способность ЗС.При прочих равных условиях (форма детали, ее материал и т. д.)вместе с начальными условиями коэффициент теплоотдачи однозначно определяет решение уравнения теплопроводности итепловое состояние тела. Поэтому необходимо знать значениекоэффициента теплоотдачи при различных температурах.Температурную зависимость коэффициента теплоотдачи ЗСможно определить экспериментально. В качестве образца служит цилиндр или шарик размеров настолько малых, что можнопренебречь разницей температур в центре датчика и на его поверхности (теплотехнически тонкое тело).

Материал образцадолжен быть устойчив к воздействию высоких температур, внем не должно происходить фазовых превращений при нагревеи охлаждении, чтобы тепловые эффекты от превращений не искажали реальную картину охлаждения.Плотность теплового потока, отводимого от теплотехнически тонкого тела,m ⋅ c ⋅ dTq =,F ⋅ dt28где m – масса; c – удельная теплоемкость; F – площадь поверхности образца.В соответствии с законом Ньютона плотность теплового потока между поверхностью образца и закалочной жидкостьюq = α (Тср – Тп).Учитывая равенство тепловых потоков, получим выражениедля вычисления коэффициента теплоотдачи:α=m ⋅ с ⋅ dTm ⋅V ⋅ с=,F ⋅ dt ⋅ (Tп − Т ср ) F ⋅ (Tп − Т ср )где V – скорость охлаждения поверхности образца.абРис.

4.3. Регистрация кривых охлаждения:а – датчик; б – схема установки: 1 – датчик; 2 – электропечь; 3 – бак;4 – трансформатор; 5 – ЭВМ; 6 – устройство сопряжения;7 – программное обеспечениеВ данной лабораторной работе коэффициенты теплоотдачиЗС рассчитывают по кривым охлаждения датчика из хромоникелевого сплава (рис. 4.3). Датчик представляет собой цилиндрдиаметром 12,5 и длиной 60 мм, в геометрическом центре кото29рого помещена термопара (рис. 4.3, а). Эксперимент проводят спомощью установки (рис.

4.3, б). Датчик 1 нагревают в лабораторной электропечи 2 до 850 °С в течение 10 мин, а затем переносят его в закалочный бак 3 с исследуемой ЗС. Сигнал термопары датчика регистрируют с помощью компьютера 5, к которому через устройство сопряжения 6 подключают проводатермопары. Устройство сопряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого показаниядатчика с частотой 0,5 с в цифровом виде поступают на последовательный порт компьютера.

Обработка данных проводится спомощью специально разработанной программы 7.Методика выполнения работы1. Скопировать листы с именами ЗС согласно варианту изфайла «Исходные данные.xls» в новую книгу Excel в своей рабочей папке. На каждом листе имеются два столбца – «Время» и«Температура», т. е. каждый лист содержит кривую охлажденияв численном виде. Затем в своей книге на одном графике построить три кривые охлаждения в координатах «Температура –Время» и перенести их в отчет.2. Рассчитать скорости охлаждения ЗС методом численногодифференцирования.

Скорость охлаждения в каждый моментвремени рассчитывается по формулеV =Т −TdT= i i +1 ,dtt−ti +1 iгде dT = Ti – Ti+1 – изменение температуры за один временнойшаг; dt = ti + 1 – ti = 0,5 с – интервал времени, заданный прирегистрации кривой охлаждения.3. На одном графике построить зависимости скоростей охлаждения ЗС от температуры и перенести их в отчет.4. По графикам определить для каждой ЗС следующие характеристики:– максимальную скорость охлаждения Vmax, °С/с;– температуру достижения максимума скорости охлажденияТmax, °С;– скорость охлаждения при 300 °С V300, °С/с;– время достижения температуры 600 °С t600, с;30– время достижения температуры 400 °С t400, с;– время достижения температуры 200 °С t200, с.5. Рассчитать температурные зависимости коэффициентовтеплоотдачи ЗС. Коэффициент теплоотдачи в каждый моментвремени охлаждения рассчитывается по формулеα=mVс,F (Tп − Т ср )где m – масса датчика, кг (диаметр датчика 12,5 мм, длина60 мм, плотность материала датчика 8400 кг/м3); V – скоростьохлаждения, °С/с; с = 460 Дж/(кг ⋅ °С) – теплоемкость материала датчика; F – площадь поверхности датчика, м2 (геометрические размеры указаны выше); Тп – температура поверхностидатчика, °С (принять ее равной температуре, которую показывает термопара датчика); Тср – температура ЗС (принять ее равной 20 °С).6.

На одном графике построить зависимости коэффициентов теплоотдачи ЗС от температуры и перенести их в отчет.7. Смоделировать охлаждение бесконечной детали прямоугольного сечения в трех ЗС согласно варианту. Задача решаетсямоделированием процесса охлаждения детали (путем решенияуравнения теплопроводности методом конечных разностей) ввыбранной среде, охлаждающая способность которой заданатемпературной зависимостью коэффициента теплоотдачи.Запустить программу sf7.xls∗. На листе «данные» задать марку стали и первую ЗС (выбрать названия из списков). Задатьначальную температуру (температуру закалки) и продолжительность расчета (время охлаждения) согласно варианту задания.8.

На листе «деталь» задать область ЗС – выделить прямоугольник размером, большим, чем размер сечения детали, и нажать кнопку «определить среду». Затем внутри этого прямоугольника выделить прямоугольник с размерами, соответствующими варианту задания, и нажать кнопку «определить деталь».Затем задать две контрольные точки – в центре сечения и вблизи края детали (чтобы задать контрольную точку, необходимовыделить ячейку и нажать кнопку «определить контрольнуюточку»).

В этих точках будут рассчитаны кривые охлаждения.______________∗ Программа разработана преподавателем кафедры «Материаловедение»Ампилоговым А.Ю.319. Вернуться на лист «деталь» и нажать кнопку «Начать расчет».10. По окончании расчета перейти на лист «кривые охлаждения». Там изображена термокинетическая диаграмма стали сналоженными на нее кривыми охлаждения детали. Зарисоватьэскиз термокинетической диаграммы в отчете и нанести на негокривую охлаждения центра детали.11. Повторить расчет для двух других ЗС и нанести еще двекривые охлаждения центра детали на график.12. Сделать выводы о том, в каких из изученных ЗС даннаядеталь закалилась насквозь; сравнить возможные закалочныедеформации в исследованных ЗС.Контрольные вопросы1.

Приведите классификацию ЗС.2. Как происходит охлаждение в жидких кипящих средах?3. Опишите особенности охлаждения в полимерных средахс обратимой растворимостью.4. Как проводится эксперимент по определению коэффициентов теплоотдачи ЗС?5. Из каких соображений выбирают материал и размерыдатчика?6. Опишите конструкцию датчика.7. Опишите экспериментальную установку.8.

Какая из исследованных ЗС обеспечит наименьший уровень напряжений в детали, а какая – наибольший?9. Что такое критическая скорость охлаждения, критический диаметр?10. Как определить, закалилась ли деталь насквозь в даннойЗС?32СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1. Материаловедение: Учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов,В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 561 с.2. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальныестали: Учеб.

для вузов. М.: МИСиС, 1999. 407 с.3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов:Учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.4. Люты В. Закалочные среды: Справ. / Под ред. С.Б. Масленкова: Пер. с пол. Челябинск: Металлургия. Челябин. отдние, 1990. 192 с.5. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана: Справ. термиста. М.: Металлургия, 1991. 502 с.6. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы.

М.: Наука, 1978. 346 с.33ОГЛАВЛЕНИЕРабота № 1. Определение механических свойств углеродистыхсталей ...............................................................................Работа № 2. Равновесные превращения в системе «железо – цементит» .............................................................................Работа № 3. Термическая обработка углеродистых сталей.................Работа № 4. Изучение охлаждающей способности закалочныхсред и прогнозирование структуры детали послетермической обработки ...................................................Список рекомендуемой литературы .....................................................3439162433Методическое изданиеШевченко Светлана ЮрьевнаМетодические указанияк лабораторным работам по курсу«Компьютерное материаловедение»Редактор А.В.

СахароваКорректор М.А. ВасилевскаяКомпьютерная верстка И.А. МарковойПодписано в печать 01.10.2007. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.Печ. л. 2,25. Усл. печ. л. 2,09. Уч.-изд. л. 1,95. Тираж 50 экз.Изд. № 94. Заказ №Издательство МГТУ им. Н.Э. БауманаТипография МГТУ им. Н.Э. Баумана105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 200735.