Таблица 5.1. Физические свойства стали марки 38ХН3МФА.
|
Температура испытания, |
20 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
|
Модуль нормальной упругости |
2,10 |
2,03 |
1,97 |
1,90 |
1,84 |
1,76 |
1,70 |
1,54 |
1,37 |
н. д. |
|
Плотность |
7900 |
|||||||||
|
Коэффициент теплопроводности |
34 |
34 |
34 |
33 |
32 |
32 |
30 |
29 |
28 |
н. д. |
|
Уд. электросопротивление |
300 |
321 |
365 |
437 |
516 |
613 |
750 |
897 |
1080 |
н. д. |
|
Температура испытания, |
20 - 100 |
20 - 200 |
20 - 300 |
20 - 400 |
20 - 500 |
20 - 600 |
20 - 700 |
20 - 800 |
20 - 900 |
20 - 1000 |
|
Коэффициент линейного расширения |
12,0 |
12,5 |
12,9 |
13,3 |
13,6 |
13,8 |
13,8 |
10,7 |
н. д. |
н. д. |
|
Удельная теплоемкость |
496 |
508 |
525 |
538 |
567 |
601 |
672 |
697 |
н. д. |
н. д. |
Зарубежный ближайший аналог материала 38ХН3МФА: DIN, WNr 34NiCrMoV14-5.
Таблица 5.2. Рассмотренные режимы работы оправки и номера рисунков к ним.
|
Диаметр оправки |
Режим работы |
Исследуемый параметр |
Номер рисунка |
|
63 мм |
Нагрев - охлаждение на воздухе |
Температурное поле |
5.1 |
|
Поле средних напряжений |
5.2 |
||
|
Температуры в точках |
5.3 |
||
|
Средние напряжения в точках |
5.4 |
||
|
Нагрев - охлаждение в воде |
Температуры в точках |
5.5 |
|
|
Средние напряжения в точках |
5.6 |
||
|
Предварительный нагрев -нагрев - охлаждение на воздухе |
Температуры в точках |
5.7 |
|
|
Средние напряжения в точках |
5.8 |
||
|
35 мм |
Нагрев - охлаждение на воздухе |
Температурное поле |
5.9 |
|
Поле средних напряжений |
5.10 |
||
|
Температуры в точках |
5.11 |
||
|
Средние напряжения в точках |
5.12 |
Рис.5.1. Температурное поле оправки в начале процесса прошивки при еще не установившемся режиме термоциклического нагружения.
На рисунке 5.1 показано поле температур в оправке с диаметром 63 мм в первом цикле процесса прошивки при еще не установившемся режиме термоциклирования. Точки P1 - P5 являются контрольными. В этих точках отслеживаются значения температур и средних температурных напряжений, которые показаны на соответствующих графиках. Как видно из рисунка, наиболее массивная часть оправки нагревается дольше (точки 1 и 4), чем, например, носок оправки, который нагревается значительно быстрее (точка 3). Градиент температур наблюдается от оси оправки к поверхностным слоям. Поверхностные слои нагреваются до более высоких температур. В процессе работы оправки в циклическом режиме нагрев - охлаждение картина температурного поля постоянно меняется и линии одинаковых температур смещаются сначала от приповерхностных слоев к центру, а затем наоборот - от центра к приповерхностным слоям.
Рис.5.2. Поле средних температурных напряжений в оправке в начале процесса прошивки при еще не установившемся режиме термоциклического нагружения.
На рис.5.2 показано поле средних температурных напряжений в процессе прошивки. Как видно из рисунка, в приповерхностных слоях оправки (точки 2 и 5) при максимальной температуре возникают напряжения со знаком "минус" и соответственно деформации сжатия. Это является типичным сочетанием температурного и силового циклов. В центре оправки при этом наблюдаются деформации растяжения. Деформация растяжения в приповерхностных слоях (напряжения со знаком "плюс") осуществляется при минимальной температуре цикла. Точка в носке оправки (точка 3) близка к приповерхностным слоям, поэтому характер изменения температурных напряжений в этой точке схож с предыдущими точками. Абсолютное значение средних температурных напряжений наибольшее на тех участках оправки, которые имеют наибольший диаметр: минимальное - в носке оправки, максимальное - в месте перехода конического участка в цилиндрический. Изолинии с нулевыми значениями температурных напряжений со временем перемещаются к оси оправки. Поскольку термические напряжения связаны с градиентом температур, то поле напряжений следует за полем температур. В слоях со средними по сечению температурами напряжения будут близки к нулевым значениям.
Возникающие напряжения можно разделить на радиальные, тангенциальные и продольные, но в данной работе это не рассматривается, и считаются средние напряжения.
Рис.5.3. График изменения температур в контрольных точках при работе оправки в циклическом режиме нагрев - охлаждение на воздухе.
На рис.5.3 показаны графики изменения температур в контрольных точках. Расположение этих точек по сечению оправки отмечено на рис.5.1. При охлаждении на воздухе коэффициент теплопередачи принят равным , что является несколько завышенным значением. График имеет характерную "пилообразную" форму. Изменения температуры в разных точках происходит не одинаково. Носок оправки (точка 3) нагревается быстрее и до более высоких температур ( в первом цикле и - при приближении к установившемуся режиму). В точке 4, расположенной в приповерхностном слое температура достигает значения в первом цикле и - при приближении к установившемуся режиму. Наименьшие значения температур наблюдаются в точке 1 ( в первом цикле и - при приближении к установившемуся режиму). Вследствие теплоинерционных свойств материала температуры на внутренних слоях оправки продолжают расти и в процессе охлаждения.
Следует отметить, что по прошествии восьми циклов режим все еще является неустановившемся. Для определения точного количества циклов до наступления установившегося режима было бы целесообразно произвести расчет для большего количества циклов. По материалам работы [4] установившийся режим наступает по прошествии 16 циклов.
Рис.5.4. График изменения средних температурных напряжений в контрольных точках при работе оправки в циклическом режиме нагрев - охлаждение на воздухе.
Как видно из рис.5.4, термические напряжения при прошивке не остаются постоянными и уменьшаются вследствие прогрева оправки (уменьшения градиента температуры) и релаксации. Наиболее существенное уменьшение напряжений в первом цикле, что естественно, поскольку в этот период действует полная разность температур цикла. В условиях жесткого нагружения в материале создаются остаточные напряжения другого знака. Во втором и последующих циклах часть температурной разности расходуется на снятие этих остаточных напряжений, поэтому возникающие напряжения меньше, чем в первом цикле. В каждом цикле напряжения стремятся к нулю к концу цикла в процессе охлаждения.
