И самостоятельных занятий

ТЕПЛОФИЗИКА ТЕРМООБРАБОТКИ

 

Методические указания и справочные данные для проведения лабораторных работ по моделированию процессов теплообмена при термической обработке металлов

 для студентов специальности

150105 - Металловедение и термическая обработка металлов

 

Составитель: д.т.н., проф. Биронт В.С.

 

Красноярск, 2007

 

 

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ

И САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ЗАНЯТИЙ

При работе над курсом рекомендуется выполнить лабораторные работы под руководством преподавателя или самостоятельно по моделированию тепловых процессов в металлических изделиях, соответствующих выполнению различных видов термической обработки, начиная от простого нагрева и охлаждения, до системы непрерывно выполняемых сложных тепловых циклов (ступенчатые режимы, термоциклическая обработка).

На всех стадиях тепловых расчетов следует не только фиксировать результаты расчетов в виде первичных таблиц распределения температур по сечению обрабатываемого изделия, и соответствующие им графики изменения температур во времени, но и проводить дальнейшую их обработку для расчета градиентов температур, возникающих в процессе обработки, изучения влияния тех или иных параметров, соответствующих заданию, на характер распределения температур, значения градиентов, зависимостей длительности нагрева, прогрева, охлаждения поверхности изделия и сердцевины.

Эту работу целесообразно выполнять с использованием стандартного программного обеспечения, например, с помощью электронных таблиц системы Excel.

Лабораторные работы целесообразно проводить в следующей последовательности:

1. Анализ распределения температуры по сечению массивного изделия при нагреве под закалку и отпуск в различных средах. В качестве нагревающих сред при нагреве под закалку следует использовать воздух, жидкометаллический расплав (свинец), расплавленные соли. При моделировании нагрева при отпуске в качестве нагревающих сред использовать масло (масляная ванна с рабочей температурой до 200 °С), расплавы солей и щелочей (в интервале температур от 300 до 700 °С), и воздух с активной вентиляцией в рабочем пространстве отпускной печи. Первую лабораторную работу целесообразно выполнять с использованием программного средства "TPL-2" или "TEPLO".

Таблицы, полученные в результате расчетов, занести на лист системы EXCEL для последующей обработки.

По результатам работы необходимо:

- определить длительность нагрева до заданной температуры изделия одной и той же формы, одного и того же размера, из материала одного и того же химического состава при нагреве на воздухе, в жидкометаллическом расплаве (свинец), расплавленных солях;

- рассчитать скорости нагрева одного и того же изделия в различных условиях нагрева (среднюю за весь цикл нагрева, а также скорость нагрева на первом этапе – 1/3 всего цикла, скорость нагрева на завершающем этапе – также последняя 1/3 всего цикла);  

- определить градиенты температур по сечению за период нагрева, в том числе определить их максимальные значения для каждого из принятых условий нагрева;

- построить столбчатые диаграммы (в системе Excel), где показать изменение длительности нагрева изделия до заданной температуры, скоростей нагрева на начальном и конечном этапах, максимального градиента температур в зависимости от среды нагрева, а также  графики изменения температурных градиентов в период нагрева для каждой среды.

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

2. Анализ распределения температуры по сечению массивного изделия при охлаждении. При этом моделируются тепловые процессы, протекающие при закалке и нормализации. Во-первых, в данной лабораторной работе необходимо просчитать температурное поле, возникающее при охлаждении массивного изделия на воздухе. Варианты этого расчета могут быть выполнены с использованием вентиляционного воздушного охлаждения, для чего при расчете можно указать различные скорости движения воздуха. Роль этого параметра можно в дальнейшем (при обработке результатов) оценить количественно построением графиков зависимости длительности охлаждения изделия, и величины максимального градиента температур, возникающего при таком охлаждении, от скорости воздушного потока.

При моделировании процессов закалки необходимо выполнить расчеты с использованием в качестве закалочных сред воды, масла, свинцовой и соляной ванн. При этом температуру воды целесообразно использовать комнатную (20 - 40 °С), масла - 50 - 60 °С, либо 120 - 140 °С, что соответствует обычной или ступенчатой закалке. Закалка в расплавах солей и жидком свинце также соответствует ступенчатой или изотермической закалке.

При этом следует учитывать, что температура свинцовой ванны должна быть выше температуры плавления свинца (327 °С), а соляных или щелочных, соответственно, выше температуры плавления применяемых солей (обычно выше 200 °С). Вторую лабораторную работу, как и первую, целесообразно выполнять с использованием программного средства "TPL-2" или "TEPLO".

Таблицы, полученные в результате расчетов, занести на лист системы EXCEL для последующей обработки.

По результатам работы необходимо:

- определить длительность охлаждения изделия одной и той же формы, одного и того же размера, из материала одного и того же химического состава при охлаждении на спокойном воздухе, в вентиляционных потоках с различной скоростью движения воздуха, в масле, в воде, в жидкометаллическом расплаве (свинец), расплавленных солях;

- рассчитать скорости охлаждения одного и того же изделия в различных условиях охлаждения (среднюю за весь цикл охлаждения, а также скорость охлаждения на первом этапе – 1/3 всего цикла, скорость охлаждения на завершающем этапе – также последняя 1/3 всего цикла);  

- определить градиенты температур по сечению за период охлаждения, в том числе определить их максимальные значения для каждого из принятых условий охлаждения;

- построить столбчатые диаграммы (в системе Excel), где показать изменение длительности охлаждения изделия, скоростей охлаждения на начальном и конечном этапах, максимального градиента температур в зависимости от среды охлаждения и скорости движения воздуха при воздушном охлаждении, а также  графики изменения температурных градиентов в период охлаждения для каждой среды.

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

3. Анализ влияния размеров изделия на тепловое поле при нагреве и охлаждении. В этом случае лабораторная работа предусматривает проведение серии расчетов по единому температурному технологическому режиму, предусматривающему нагрев в одной из сред (например, на воздухе) и охлаждение в одной из сред (например, в масле) тел с различными расчетными размерами. При этом, так же, как и в первых работах, необходимо оценить как первичное поле при нагреве и охлаждении, так и роль размера изделия на уровень возникающих температурных градиентов и длительность процессов нагрева и охлаждения, соответственно, поверхностных слоев и сердцевины изделия.

Таблицы, полученные в результате расчетов, занести на лист системы EXCEL для последующей обработки.

По результатам работы необходимо:

- определить длительность нагрева и охлаждения изделия из материала одного и того же химического состава при осуществлении одной операции термической обработки, включающей нагрев до заданной температуры в одной среде (воздух или соль, или другие среды), охлаждение в одной (любой из ранее рассмотренных) среде для трех деталей одной и той же формы разных размеров (например, 50 мм, 100 мм и 150 мм);

- рассчитать скорости нагрева и охлаждения изделий различных размеров в принятых условиях термической обработки  (среднюю за весь цикл нагрева и охлаждения);  

- определить для каждого размера изделия градиенты температур по сечению за периоды нагрева и охлаждения, в том числе определить их максимальные значения для обоих операций термической обработки;

- построить графики (в системе Excel), где показать изменение длительности нагрева и охлаждения изделий, скоростей охлаждения, максимального градиента температур в зависимости от размера изделия.

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

4. Анализ влияния формы массивного изделия на тепловое поле при нагреве и охлаждении. В этом случае лабораторная работа предусматривает проведение серии расчетов также по единому температурному режиму, но в качестве нагреваемых изделий выбираются пластина, цилиндр и шар, имеющие одно и то же значение расчетного сечения (одинаковый радиус шара и цилиндра и половину толщины пластины). В качестве технологических сред нагрева и охлаждения целесообразно выбирать те же среды, которые анализировались в третьей работе, чтобы иметь возможность сравнить роль формы изделия и его размерных характеристик из предыдущих расчетов.

Таблицы, полученные в результате расчетов, занести на лист системы EXCEL для последующей обработки.

По результатам работы необходимо:

- определить длительность нагрева и охлаждения изделия из материала одного и того же химического состава при осуществлении одной операции термической обработки, включающей нагрев до заданной температуры в одной среде (воздух или соль, или другие среды), охлаждение в одной (любой из ранее рассмотренных) среде для трех деталей одного и того же размера (например 50 мм или 100 мм или 150 мм), но разной формы (пластина, цилиндр, шар);

- рассчитать скорости нагрева и охлаждения изделий различных размеров в принятых условиях термической обработки (среднюю за весь цикл нагрева и охлаждения);  

- определить для каждой формы изделия градиенты температур по сечению за периоды нагрева и охлаждения, в том числе определить их максимальные значения для обеих операций термической обработки;

- построить столбчатые диаграммы (в системе Excel), где показать изменение длительности нагрева и охлаждения изделий, скоростей охлаждения, максимального градиента температур в зависимости от формы изделия.

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

5. Анализ распределения температуры в массивном изделии при ступенчатых режимах нагрева. В данной лабораторной работе полный расчетный температурный интервал следует разбить на два этапа (предварительного подогрева и окончательного нагрева) и выполнить двухстадийные расчеты с использованием режима «с продолжением». Такая схема расчета позволяет увидеть преимущества ступенчатого нагрева массивного изделия по сравнению с непрерывным нагревом с загрузкой в печь, нагретую до температуры окончательного нагрева. Основным достоинством ступенчатого режима является уменьшение уровня температурных градиентов, возникающих в изделии, что и нужно проанализировать при дополнительной обработке результатов расчетов. Эффект использования ступенчатого нагрева усиливается в случае применения внешних нагревательных сред, обеспечивающих высокоинтенсивные режимы теплообмена. Поэтому, наряду с расчетами ступенчатого нагрева в воздушных средах, целесообразно выполнять аналогичные расчеты с использованием соляных или жидкометаллических ванн.

При выполнении данной лабораторной работы следует использовать в качестве контрольного расчета результаты, полученные в работе №1. Для работы № 5 следует использовать те же исходные данные, которые использовались в контрольном расчете. Следует лишь разбить цикл нагрева на 2 этапа, примерно на ½ температурного интервала нагрева.

Работу следует вести в режиме расчетов с «продолжением». При этом расчеты нагрева следует проводить:

- первый расчет – с использованием на обоих этапах нагрева одной и той же быстронагревающей среды (соль или свинец);

 - второй расчет – первый этап в среде с меньшей нагревающей способностью по сравнению со вторым этапом нагрева (например, 1-й этап – воздух, 2-й – соль; или 1-й этап – соль, 2-й – свинец, и т.д.).

При проведении расчетов на каждом из этапов (в том числе, при осуществлении «продолжения» расчета) корректировать сведения о температуре каждой среды и конечную температуру этапа в соответствующих меню ввода данных.

Полученные результаты расчетов использовать для работы в системе EXCEL, сравнивая их между собой и результатами расчетов при непрерывном нагреве, полученными ранее в лабораторной работе № 1. Для корректного сравнения следует выбирать для расчета в 5-й работе изделие, которое было использовано в работе № 1.

При работе в системе EXCEL необходимо

- рассчитать скорости нагрева изделия на обоих этапах ступенчатого нагрева (среднюю за весь цикл нагрева, а также начальную на каждом этапе – 1/3 цикла на соответствующей ступени);  

- определить градиенты температур по сечению за период нагрева (за оба этапа), в том числе определить их максимальные значения для обоих этапов нагрева и сравнить их с аналогичными данными при непрерывном нагреве (из первой работы);

- построить столбчатые диаграммы (в системе Excel), где показать изменение скоростей нагрева на первой и второй ступени, максимальных градиентов температур в зависимости от среды нагрева, а также  графики изменения температурных градиентов в период нагрева. При построении диаграмм использовать соответствующие данные, полученные при непрерывном нагреве (из первой работы);

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

6. Анализ распределения температуры в массивном изделии при ступенчатых режимах охлаждения. В данной лабораторной работе анализируется операция ступенчатой закалки, поэтому весь расчетный температурный интервал закалочного охлаждения следует разбить так же, как и в предыдущей задаче, на два этапа: первичного охлаждения в горячих средах (расплавах солей, свинца или в масляной ванне) и окончательного охлаждения, например, в масле.

При выполнении данной лабораторной работы следует использовать в качестве контрольного расчета результаты, полученные в работе №2. Для работы № 6 следует использовать те же исходные данные, которые использовались в контрольном расчете.

При этом выполняются двухстадийные расчеты охлаждения сначала в ванне горячего охлаждения, а затем в масляном баке с использованием режима расчета «с продолжением».Следует лишь разбить цикл охлаждения на 2 этапа, используя одну из температур ступеньки в интервале от 500 до 120 ºС, соответствующую той или иной охлаждающей среде. При этом следует учитывать, что температура плавления свинца 327 ºС, температура соли не может быть ниже 200 ºС, а температура горячего масла не может быть выше 160 ºС

Работу следует вести в режиме расчетов с «продолжением». При этом расчеты ступенчатого охлаждения следует проводить:

- первый расчет – с использованием на обоих этапах охлаждения масла: сначала высокотемпературного (на первом этапе), а затем – сравнительно холодного (50-60 ºС);

 - второй расчет – первый этап охлаждения в соли или свинце с соответствующей температурой, второй этап – в масле или на воздухе.

При проведении расчетов на каждом из этапов (в том числе, при осуществлении «продолжения» расчета) корректировать сведения о температуре каждой среды и конечную температуру этапа в соответствующих меню ввода данных.

Полученные результаты расчетов использовать для работы в системе EXCEL, сравнивая их между собой и результатами расчетов при непрерывном охлаждении, полученными ранее в лабораторной работе № 2. Для корректного сравнения следует выбирать для расчета в 6-й работе изделие, которое было использовано в работе № 2.

При работе в системе EXCEL необходимо

- рассчитать скорости охлаждения изделия на обоих этапах ступенчатого охлаждения (среднюю на каждом этапе охлаждения в использованных для расчета средах);  

- определить градиенты температур по сечению за период охлаждения (за оба этапа), в том числе определить их максимальные значения для обоих этапов охлаждения и сравнить их с аналогичными данными при непрерывном охлаждения (из второй работы);

- построить столбчатые диаграммы (в системе Excel), где показать значения скоростей охлаждения на первой и второй ступени по сравнению со скоростями охлаждения при непрерывной закалке в средах, использованных при проведении работы № 2; значения максимальных градиентов температур в зависимости от режима охлаждения при ступенчатой закалке по сравнению с непрерывной в разных средах; а также  графики изменения температурных градиентов в период нагрева. При построении диаграмм использовать соответствующие данные, полученные при непрерывной закалке (из второй работы);

По результатам анализа сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel.

 

7. Анализ распределения температуры в изделиях при термоциклической обработке в разных средах. После освоения расчетов ступенчатых режимов можно приступать к выполнению любых сложных режимов, включающих последовательные стадии расчетов, включая первичный нагрев, неполные циклические охлаждения и нагревы, и окончательное охлаждение, в единой цепи расчетов с продолжениями. В этой работе представляют интерес сами первичные данные о распределении температур по сечению изделий и изменение температуры в каждом сечении в периоды циклических нагревов и охлаждений.

Режимы термоциклической обработки оказываются эффективными в случае использования быстрых нагревов и охлаждений с помощью интенсивных теплообменных сред. Поэтому при термоциклировании рационально для нагрева использовать, например, воздушную среду, а для охлаждения – расплав солей, имеющих заданную температуру по режиму термоциклирования.

Важнейшим технологическим параметром термоциклической обработки является длительность выдержки при первой и последующих выдержках при верхней и нижней температурах термоциклирования. Для определения минимально допустимой длительности выдержек при циклировании следует провести две серии расчетов при одних и тех же условиях нагрева и охлаждения одной и той же детали (изделия, заготовки), но в первой серии расчетов – при контроле температуры по центру, а во второй – по поверхности.

По результатам расчетов необходимо определить разницу в длительностях нагревов и охлаждений, которая и является минимально допустимой длительностью выдержки при каждой из ступеней циклирования.

Поэтому, табличные данные, полученные в обеих сериях расчетов нужно перенести в электронные таблицы EXCEL, а по ним построить:

- непрерывные графики изменения температуры во всех точках циклируемого тела для обеих серий расчетов;

- по графику, полученному с использованием контроля температуры по центру определить длительности нагрева (охлаждения в циклах) поверхностных слоев, и время, требуемое для выравнивания температуры по сечению циклируемой детали при первичном нагреве, при последующих выдержках в циклах при верхней и нижней температурах циклирования. По этим полученным значениям построить столбчатую диаграмму со значениями длительностей этих выдержек.

Расчеты в обеих сериях следует вести в режиме расчетов с «продолжением» (4расчета с одной первичной загрузкой теплофизических данных). Значения температур и условий нагрева и охлаждения, охлаждающие и нагревающие среды, и другие параметры режимов, необходимо сохранить одинаковыми для всех проводимых расчетов.

Представляет интерес обсуждение результатов расчетов, выполненных несколькими студентами группы, которые используют для выполнения расчетов различные исходные данные (разные формы и размеры изделий, различные марки стали, различные нагревающие и охлаждающие среды в циклах и при первичном нагреве и т.д.). Такое обсуждение может быть проведено в рамках совместного семинара по итогам занятия. 

По результатам анализа необходимо сформулировать выводы, в которых бы словами были описаны графические зависимости, полученные в виде графиков и диаграмм в системе Excel и в результате обсуждения на семинаре.

 

8. Анализ уровня и распределения внутренних напряжений при различных вариантах термической обработки, включая процессы нагрева и последующего охлаждения. Принципиально такую лабораторную работу можно выполнять на примере любого режима, например, закалочного нагрева и охлаждения. Однако при выборе такого режима целесообразно опираться на результаты ранее выполненных работ, где уже проводилась оценка уровня возникающих температурных градиентов в изделиях, как при нагреве, так и при охлаждении. Поэтому, при выборе анализируемой технологии рационально опираться на уже полученные данные и просчитать варианты, в которых предположительно должны возникать максимальные значения напряжений и минимальные. Подтверждения этому можно будет получить на основе использования для расчетов программ "TPL-3" или "ost1".

Для выполнения работы №8 поднимите результаты расчетов, выполненных в лабораторных работах №1 и №2. Выберите из них условия нагрева и охлаждения, обеспечивавших образование наибольших температурных градиентов (при нагреве – среда нагрева – свинец, а при охлаждении – среда охлаждения – вода), и наименьших градиентов (нагрев и охлаждение на воздухе). Изделие той же формы и размеров, что и в первой и второй работах.

Введите те же исходные данные в программу TPL-3 и убедитесь, что графики нагрева и охлаждения (согласно результирующих таблиц распределения температурного поля) точно совпадают с результатами ранее проведенных расчетов.

Введите дополнительные характеристики стали согласно запросам меню программы (коэффициенты линейного термического расширения, пределы прочности и текучести стали и др.). Получите в результате расчетов по указаниям меню вывода таблицы распределения напряжений, возникающих при нагреве и, соответственно, при охлаждении.

Переход от к нагрева к охлаждению проводите в режиме расчетов «с продолжением». Результирующие таблицы внутренних напряжений переведите в систему EXCEL для построения соответствующих эпюр, как для процесса нагрева, так и для охлаждения.

Проведите анализ возникающих напряжений при нагреве и охлаждении в связи с условиями выполнения этих процессов. Определите роль фазовых и структурных превращений, оказывающих влияние на конкретные эпюры напряжений