Глава ІІ. Методика на експерименталните изследвания

В настоящата глава е показана схема на експеримента и са описани стандартни методики за: рентгено-спектрален микроанализ, определяне на твърдост, металографски анализ и за рентгено-структурен анализ.

В изследването са използвани призматични образци с размер 20х20х50 mm от стомани 5ХНМ и 3Х2В8Ф и 15х15х60 mm от стомана 4Х5МФС, подложени на предварителна термична обработка по технология, предназначена за прес-форми за леене. След това образците са обработени при различни режими с непрекъснат СО2 лазер и е проведено изпитание на термоциклиране.


2.3. Методика на термоциклична обработка

Поради големия брой фактори, които влияят върху началото на локалното разрушаване на материала под влияние на термичната умора, не е възможно да се разработи универсална експериментална методика. Най-често устойчивостта на термична умора на стомани, които се използват за метални форми за леене, се изследва при нагряване чрез многократно потапяне в течен метал със състав, същия като на метала, за който е предназначен инструмента, като охлаждането се осъществява във вода.

В проведеното изследване образците са подложени на термоциклична обработка, като нагряването е проведено във вана с разтопена алуминиева сплав AlSi12 при температура Тmax=680 °С - а охлаждането - във вана с вода при температура Тmin=20 °С. Температурата на охлаждане е подбрана с цел ускоряване на процесите, протичащи при термоциклиране и намаляване общото време на изпитанията, а продължителността на циклите - така, че образците да се нагряват и охлаждат по цялото сечение. По експериментален и математически методи чрез използване на аналитично и числено решение са установени параметрите на термичния цикъл и е получена циклограмата (фиг.2.8), по която са проведени експериментите на термоциклиране.

2.3.1. Експериментална методика за установяване параметрите на термичен цикъл

За осъществяване на експериманталното изследване е изработен образец с призматична форма и размери 20х20х50 mm от стомана 4X5МФС, като в центъра му е монтирана хромел-алюмелева термодвойка Ø0,3 (фиг.2.3 и фиг.2.4), свързана към X-Y Recorder 622.01 endim.



                   Фиг.2.3. Използвана апаратура - а) и схема на експерименталната уредба - б):
                      1. Електросъпротивителна пещ; 2. Графитна пота с разтопена алуминиева сплав; 3. Образец с термодвойка хромел-алюмел;
4. Термодвойка никел-хром-никел; 5. Термопреобразувател Comeco RT18; 6. X-Y Recorder 622.01 endim; 7. Вана с вода; 8. Термометър лабораторен.



Фиг.2.4. Опитен образец с държач и термодвойка
1-тръба; 2-изолатор керамичен; 3-гайка преходна;
4-термодвойка хромел-алюмел Ø 0.3; 5-образец.
Експериментите са провеждани чрез потапяне на образеца в разтопена алуминиева сплав AlSi12 с температура 680 °С. Температурата на алуминиевата сплав е контролирана посредством термодвойка никел-хром-никел, свързана с дигитален термопреобразувател Comeco RT18. При изравняване на температурата в точка Р (централната част на образеца) с тази на повърхността, което се отчита по записа на време-температурната крива, той се вади от стопилката, пренася се и се потапя във вана с вода. Температурата на водата е 20 °С и се контролира с лабораторен термометър. Охлаждането се извършва до изравняване на температурите в централната част и тази на водата.

От направените 10 експериментални записа на температурата в зависимост от времето в централната точка Р на образеца по време на термоциклиране е построена графика по усреднените стойности от експериментите и е сравнена с опитно получените резултати.


2.3.2. Математическа методика за установяване параметрите на термичен цикъл

За да се намери нестационарното разпределение на температурата в пробното тяло, изобразено на фиг.2.4, е решено диференциалното уравнение на топлопроводността (2.1) при гранични условия (2.2), начално условие (2.3) и съответните геометрични и физични условия.

Диференциално уравнение:

,             (2.1)

където: r - плътност; с - специфична топлоемкост; Т - температура; t - време; lх, ly, lz - коефициент на топлопроводност; x,y,z - декартови координати.

Гранични условия:

,             (2.2)

където: q - топлинен поток през граничната повърхност чрез конвекция; а - коефициент на топлообмен от (към) граничната повърхност; Tf - температура на околната среда.

Начално условие:

,                 (2.3)

където Т0 - начално разпределение на температурата.

Геометричните условия са: разглежда се тяло с крайни размери. Тъй като тялото е с форма на паралелепипед, то може да се представи като сечение между три безкрайни хомогенни и изотропни пластини с дебелини равни на размерите на тялото по трите координатни оси - 0,02 / 0,02 / 0,05 m. Физичните условия са: топлофизични характеристики (l, c, r), независещи от температурата; температурата на околната среда е постоянна величина; коефициентът на топлообмен е постоянен, но различен по различните гранични повърхности.


Аналитично решение

Решението на диференциалното уравнение в частни производни (2.1) може да се представи във вид на произведение на решенията на две или три обикновени диференциални уравнения, съгласно теоремата за преумножаване на решенията. Това дава основание решението на двумерни и тримерни задачи да става с помощта на решенията на едномерни задачи.

,                 (2.4)

където:

Q1(x,t) - решение за безкрайна пластина с дебелина 0,02m;
Q2(y, t) - решение за безкрайна пластина с дебелина 0,02m;
Q3(z, t) - решение за безкрайна пластина с дебелина 0,05m.

Решението на диференциалното уравнение (2.1) при гранично условие (2.2) и начално условие (2.3) за безкрайна пластина се дава от израза (2.5):

,                 (2.5)

където:

- критерий на Фурие; mn - корени на характеристичното уравнение ;
- критерий на Био;
 -  безразмерна координата;
- безразмерна температура (при нагряване Тo = 293 K, Тf = 953 К; при охлаждане Тo = 953 K, Тf =293 К).

Началните стойности за коефициентите на топлообмен (гранични условия от трети род) при нагряване в течен алуминий са пресметнати по критериални зависимости, а при охлаждане във вода са приети от литературни източници. За уточняване на тези стойности е използван итерационен метод, като решаването на задачата се извършва с помощта на аналитичното решение (2.4). За критерий при определяне на най-близък до реалния коефициент на топлообмен a е използван критерият за минималната стойност на средноквадратичното отклонение между аналитичното решение и експерименталните данни, определено по:

,                 (2.6)

В резултат на това решение за коефициента на топлообмен a са получени следните стойности:

а) при нагряване  - a = 1846 W/(m²K), при smin = 10,031 ºС;
б) при охлаждане - a = 2472 W/(m²K), при smin = 16,417 ºС.


Числено решение

За осъществяване на численото решение е използван програмен продукт, в основата на който лежи методът на крайните елементи (МКЕ). С помощта на МКЕ се извършва числено решение на (2.1) при гранично условие (2.2), начално условие (2.3), посочената геометрия и константи. Началните стойности на коефициентите на топлообмен са определени по начина, използван при аналитичното решение. За уточняването на тези стойности и тук се прилага итерационен метод, като решаването на задачата се извършва с помощта на МКЕ, който лежи в основата на програмния продукт ANSYS 5,5. За критерий при определяне на най-близък до реалния a е използван критерият (2.6), при което са получени следните стойности:

а) при нагряване: по страничните повърхности a = 2000 W/(m²K), по горните хоризонтални повърхности a = 1400 W/(m²K),
а по долната - a = 2600 W/(m²K) при smin = 8,32 ºС;
б) при охлаждане - по страничните повърхности a = 4000 W/(m²K), по горните хоризонтални повърхности a = 5200 W/(m²K),
а по долната - a =2800 W/(m²K) при smin = 7,34 ºС;

С помощта на получените гранични условия е пресметната посредством аналитично и числено решение температурата в материала на образеца в точка Р(0,0,0), където е поставена термодвойката, като функция на времето (фиг.2.7).


Фиг.2.7. Време-температурни криви в т.Р в процес на нагряване и охлаждане:
числена - Tnum, аналитична - Tanal и експериментална - Texp.


2.3.3. Параметри на термичния цикъл

Обобщените резултати от експерименталното аналитичното и численото решение показват сравнително добро съвпадение (фиг.2.7). Различието между аналитичната и експерименталната крива в началото на процеса на охлаждане, дължащо се на по-ниския коефициент на топлообмен при слоесто кипене при реалня процес, не оказва съществено влияние върху продължителността на охлаждането.

От направените анализи на кинетиката на температурното поле при термоциклиране на призматичен образец със зададени размери е установено, че продължителността на нагряване до изравняване на температурата в централната точка Р с тази на повърхността е около 45 s, като времето за охлаждане във вода е от същия порядък - 45 s. Общото времетраене на един термичен цикъл, състоящ се само от нагряване и охлаждане е 90 s. Малката разлика в големината на коефициентите на топлопредаване по време на нагряване и охлаждане обуславя сравнително еднаквото времетраене и средна скорост на процесите, която е от порядъка на 15 К/s.

Реалният експеримент включва и време от 5 s за пренасяне на образеца от пещта с разтопената алуминиева сплав до ваната с вода и при това условие продължителността на един реален термоцикъл е 95 s (фиг.2.8), като влиянието на субективния фактор при извършване на експеримент без механизация се изразява в допълнително удължаване на времето с не повече от 10 s. Между отделните термоцикли са необходими между 40-60 s за почистване на образците от полепналата алуминиева сплав и за подсушаване.


Фиг.2.8. Циклограма при експерименти на термоциклиране


Получените параметри на един цикъл на изпитание служат за база при провеждане на по-нататъшните експерименти. Термоциклирането на образците, подложени на обемна термична обработка и на лазерно въздействие, е осъществено по циклограмата, показана на фиг.2.8.


« « « предходна страница             следваща страница » » »