Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Даннаяработа не учитывает, в частности, нелинейность коэффициента диффузииуглерода.В работе [219] рассмотрен вопрос решения обратных диффузионныхзадачпооптимизациитехнологическихфакторовцементациииазотирования. Данная работа основана на решении прямой диффузионнойзадачи о насыщении стали углеродом, а также математического описанияпроцессаазотированиямодельютипатермодинамическоймоделиСтефана. Данная работа не учитывает легирование стали, не линейностькоэффициентадиффузиинасыщающихэлементов,образованиеразнообразных карбидных и карбонитридных фаз.Ограниченность описанных выше математических моделей вомногом обусловлена тем, что они выполнялись в 1970-90-е годы (заисключением[218,219]),когдапроизводительностьсредстввычислительной техники на много порядков уступала современным.Вместе с тем, ряд результатов, полученных в работах [13, 113, 215]для ионно-вакуумной нитроцементации, применим и к математическомумоделированию вакуумной цементации (нитроцементации).Вопросам математического моделирования цементации посвящентакже многочисленные зарубежные исследования.Так, ориентированная для практического применения модельнауглероживания и обезуглероживания стали в граничных условиях I родабез учета выделения карбидных фаз на основе уточненного коэффициентадиффузии углерода в аустените представлена в работах [220, 221].
На базеуказанной математической модели разработан программный комплекс,дающий возможность рассчитывать помимо концентрационных кривых119углерода содержание структурных компонентов стали и распределениетвердости (путем разработки эмпирически-теоретических соотношений,включаяуточнениезаконаФурьедлянепостояннойтемпературопроводности) после цементации, закалки и низкого отпускадля насыщенных углеродом в пределах от 0,1 до 1,0 % диффузионныхслоев на низколегированных сталях [222].Вработе[223](КНР)разработанаматематическаямодельнауглероживания сталей Cr25Ni35Nb (0,51 % C; 1,54 % Si; 0,8 % Mn; 24,7% Cr; 34,9 % Ni; 0,6 % Nb) и Cr35Ni45Nb (0,44 % C; 1,72 % Si; 0,94 % Mn;31,7 % Cr; 42,5 % Ni; 0,7 % Nb), которые используются в печах длякрекинга этилена.
В качестве граничного условия диффузионной задачииспользовали полученные эмпирическим путем (по кинетическим кривымконцентрации углерода на поверхности) зависимости потока углерода отвремени (граничные условия II рода). Расчетным путем (по имеющимсяданным о зависимости плотности потока от времени) определиликоэффициентыдиффузиитермодинамическихдля1000соотношенийи1100учитывали°С.Наколичествооснованииуглерода,связываемого в карбиды железа и легирующих элементов.Модели газовых процессов цементации углеродистых сталей безобразования карбидной фазы представлены также в работах [224, 225], вкоторых, соответственно, параметры массопереноса C и С определилирасчетным и экспериментальным путем. В статье [225] получилипараметрическое выражение С, учитывающее влияние на коэффициентмассопереноса углеродного потенциала газовой среды.Для расчетов диффузионных процессов, в том числе с образованиемновых фаз, разработан программный пакет DICTRA, применение которогодля конкретных задач предполагает разработку прикладных программ навстроенномпроблемно-ориентированнымязыкепрограммирования,который использует встроенные в пакет базы термодинамических данных.120Также возможна разработка интегрированных программных средств,некоторые из модулей которых могут быть написаны на других языкахпрограммирования [226, 227].
Данный пакет является эффективнымсредством разработки программ, реализующих математические моделидиффузионных процессов.Вместе с тем, решение диффузионных задач в конкретныхпостановкахможетбытьтакжеосуществленосиспользованиеминтегрированных сред других производителей объектно-ориентированныхпрограммного обеспечения. Это целесообразно для решения задачи,поставленной в настоящей работе, поскольку она предполагает наряду срешением диффузионной задачи определение параметров диффузионногослоя на основе расчета напряженного состояния в зубчатых передачах, атакже оптимизацию технологических факторов процессов. Кроме того,объектно-ориентированные языки программирования, как например ObjectPascal (Embarcadero Delphi), характеризуются большей гибкостью ипредоставляют более широкие возможности по реализации возможностейсредств вычислительной техники для решения прикладных задач в любыхпостановках [228].
Использование объектно-ориентированных языковболее удобно как при программировании, так и при использованиирезультирующего программного продукта конечным пользователем.Впервые модель процесса цементации стали, содержащей 0,17 % C;19 % Si; 0,53 % Cr, в среде метане пониженного давления (26,7 и 53,4 кПа),при температуре 1000 °С была разработана в работе [229].
Былоустановлено, что максимальная концентрация углерода на поверхности,вне зависимости от давления среды составляет около 1,5 % масс., в связи счем данное значение было принято как C. С также было установленоэкспериментально. Провели аппроксимацию компонентов выражениякоэффициента диффузии углерода, полученных C. Wells и другими,уравнениямивторогопорядка.Получилиудовлетворительную121адекватность расчетных и экспериментальных результатов.
Сделаливывод, что при вакуумной цементации углеродный потенциал равенпредельной растворимости углерода в аустените.Адекватная модель вакуумной цементации с чередованием стадийактивного насыщения и диффузионного выравнивания впервые быларазработанаП. Кулейнауглероживанияисотрудникамиуглеродистыхидляслучаяэкономно-легированныхсталей,(Польша)насыщаемой без образования карбидной фазы [140, 230-233]. Даннаямодель также дает возможность оценить результирующую твердостьдиффузионного слоя после закалки в потоке газа.
Вместе с тем,информация о возможности оценки прочих эксплуатационных свойствотсутствует.Модель используется на практике фирмой SECO/WARWICK (США,Польша) для текущего контроля и оптимизации процесса науглероживанияв атмосферах низкого давления в вакуумных установках химикотермической и термической обработки [234, 235]. Модель расчетафакторов технологии FineCarb® [128, 140] использует базу данныхприменяемых материалов, при расчете учитывает массу садки (для оценкитвердости после закалки), а также геометрию детали.Также разработан ряд математических моделей, описывающихпроцессы азотирования.Так, расчетная модель роста протяженности диффузионного слоя входе процесса, учитывающая различные значения коэффициента диффузииазота в феррите, '-, - и -фазах предложена в работе [236].
Результатыданной работы дополнены расчетом твердости в зависимости отнасыщенности азотированного слоя в работе [237].Исследование [238] посвящено анализу кинетики термическиактивированного роста частиц нитридов нитридообразующих элементов, атакже их коагуляции.122В статьях [239, 240] на основе применения кинетических итермодинамических соотношений выполнены расчеты распределенийтвердости и фазового состава азотированных слоев.В обобщающей работе [241] рассмотрены вопросы расчета кинетикиобразования и роста выделений нитридов и оксидов в ходе диффузионногонасыщения сплавов металлов азотом и кислородом, а также о движенииграницы раздела однофазной и двухфазной областей.
Определены подходык нахождению решений обобщенных задач, однако расчеты результатовконкретных технологических режимов отсутствуют.Методика определения азотного потенциала для газовых и ионновакуумных процессов азотирования на основе положений термодинамикипредложена в работе [90].Вопросыоценки прочностныхсвойств цементованныхслоевосвещены в целом ряде зарубежных исследований. В наибольшей степенираскрыта проблема расчета скорости роста трещины в зависимости откоэффициента интенсивности напряжений в сердцевине цементованныхсталей, применяемых в аэрокосмической и автомобильной отраслях приизготовлении зубчатых колес (CBS M-50 Nil, химический состав: 0,13 % C,4,25 % Mo, 4,14 % Cr, 1,32 % V, 3,49 % Ni; CBS-1000M, химическийсостав: 0,15 % C, 4,49 % Mo, 1,05 % Cr, 0,39 % V, 3,01 % Ni) [242-243].Показана высокая вязкость сердцевины обеих сталей, обеспечивающаязамедленный рост усталостной трещины. Вместе с тем, при оценкевыносливости насыщенность диффузионного слоя углеродом и егоэффективную толщину не учитывали, что делает расчет не полным.Вопросам моделирования роста усталостной трещины, в том числерешения задач о распространении трещины численными методамиконечных элементов посвящено ряд обобщающих работ [245-247 и др.].Однако в данных работах не рассмотрены вопросы влияния назакономерности усталостного разрушения структурных неоднородностей в123диффузионных слоях (карбидные и карбонитридные фазы, градиентыконцентраций насыщающих элементов и т.п.).Методикарасчетнойоценкиконтактнойвыносливостицементованных зубчатых колес, представленная в работе [248], как и вбольшинстве отечественных работ [77, 78 и др.], основана на определенииспособности поверхности зуба сопротивляться касательным напряжениям,в том числе в условиях, трения известными методами.Применению численных методов при определении распределенияконтактных напряжений в приповерхностной области у места контактаупругих цилиндров посвящена работа [249], которая, впрочем, в большойстепени устарела.Таким образом, проблема глубинных контактных напряжений и ихвлияния на несущую способность диффузионных слоев деталей машин внаучной литературе в достаточном объеме не рассмотрена.1.6 Выводы по главе1.
Выполненанализвысоконагруженныхзубчатыхколес,применяемых в авиационном агрегатостроении. Установлено, что сдальнейшим развитием конструкций авиационных силовых установок,возрастают нагрузочные и скоростные характеристики зубчатых передач,что влечет рост требований к их эксплуатационным свойствам: контактнойи изгибной выносливости, а также к сопротивлению адгезионному иабразивному изнашиванию. Необходимость применения зубчатых передачс увеличенным коэффициентом перекрытия, шевронных колес и т.п.обуславливает рост температур в зубчатом зацеплении. Это справедливо вравной степени к другим транспортным средствам, для которых большоезначение имеет ограничение по массе, особенно к современнымавтомобилям.1242. Отмечается усложнение системы легирования применяемых ввысоконагруженных зубчатых передачах упрочняемых ХТО теплостойкихсталей, помимо хорошо известных и освоенных – типа 16Х3НВФМБ-Ш и20Х3МВФ-Ш,вкоторыхобразуютсяразличныекарбидныеикарбонитридные фазы, количество и морфологию которых необходимонадежно контролировать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
