Диффузия и массоперенос примесей в обрабатываемом металле при механической обработке.
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Технология машиностроения
Автор:
Швецов И. В.
Год издания: 2001
Кол-во страниц: 119
Дополнительно
В монографии представлены новые способы оценки диффузии и массопереноса примесей в обрабатываемом металле при механической обработке и в газовоздушной среде зоны обработки. Рассматриваемые исследования и физические модели в представленной работе отражают физические, химические и механические изменения в системе ЗИССо (заготовка - инструмент - стружка - среда охлаждения). Изложены основы теории диффузии и массопереноса в зоне обработки и методы математического и физического моделирования. Монография предназначена для студентов, магистрантов и аспирантов машиностроительных специальностей вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Магистратура
- 15.04.01: Машиностроение
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования Российской Федерации Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого И. В. Швецов Диффузия и массоперенос примесей в обрабатываемом металле при механической обработке Великий Новгород 2001
УДК 621.9 • ББК 34.442 , . . . . Рецензенты Профессор., л т.л , Ю М. Зубарев Доцент, к. т. н., А. Ф. Бабошкин Швеиов И. В. Диффузия и массоперенос примесей в обрабатываемом металле при механической обработке. НовГУ имени Ярослава мудрого. - Великий Новгород, 200 i. - 120 с. В монографии представлены новые способы оценки диффузии и массопереноса примесей в обрабатываемом металле при механической обработке и в газовоздушной среде зоны обработки. Рассматриваемые исследования и физические модели в представленной работе отражают физические, химические и механические изменения в системе ЗИССо (заготовка - инструмент - стружка - среда охлаждения). Изложены основы теории диффузии и массопереноса в зоне обработки и методы математического и физического моделирования. Монография предназначена для студентов, магистрантов и аспирантов машиностроительных специальностей вузов. © Новгородский государственный университет, 200*1 © И. В. Швецов, 2001
В В Е Д Е Н И ь На предприятиях машиностроительного комплекса предъявляют высокие требования к средствам диагностирования, служащим для оперативного контроля состояние оборудования, обрабатываемого материала, обнаружения неисправностей и т.д. Обеспечение требуемого качества поверхностей, обрабатываемых механическим путем изделий, возможно .тишь при условии их эффективного контроля, в промессе которого встает задача выявления: дефектов, имеющих место в состоянии промышленной поставки заготовок на механообрабатываюшее производство, либо отклонения размеров, формы иди шероховатости обрабатываемой поверхности в результате износа режущего инструмента, его поломки или скола, а также применение завышенных режимов обработки, что приводит к возникновению дефектов В производстве используют различные методы контроля процессов механической обработки, включая диагностирование состояния режущего инструмента и контроль обрабатываемой поверхности. В последнем случае, известные оперативные методы неразрушающего контроля не позволяют однозначно оценить качество приповерхностных слоев обрабатываемых изделий, что приобретает особую актуальность, и имеет важное практическое значение. Успехи разработок, как в отечественной, так и в мировой практике создали прочную основу для проектирования и внедрения автоматазированных систем управления технологическими процессами на основе контроля процессов механической обработки. Как правило, методы контроля с присущими им достоинствами имеют определенные недостатки и не дают расширенной информации о процессах в системе ЗИССо (заготовка-инструмент-стружка-среда охлаждения). В настоящее время как отечественные, так и зарубежные специалисты в области обработки материалов резанием проводят
исследования, направленные на разработку и создание методов и средств диагностики режущего инструмента, которые требуют постоянного развития и совершенствования с целью повышения быстродействия и разрешающей способности инструмента. Это невозможно без дальнейшего исследования процесса механической обработки и установления взаимосвязи явлений, которые естественно возникают при резании и изменении состояния режущего инструмента. 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ На основании главных литературных источников по теории резания металлов, диффузии и массопереносу примесных элементов, термодеформадионным процессам составлено представление об образовании газообразных летучих соединений в зоне обработки в условиях изготовления изделий, Это говорит о необходимости разработки новой методологии изучения процессов механической обработки на основе многоуровнего анализа диффузии и формирования газовоздушной среды. Проведенные ранее исследования, обзор литературных источников и их обобщение по механической обработке, теории резания металлов, диффузии примесей и формированию газовых сред, а также методов контроля отдельных газов и газо-воздушных смесей в технологических процессах позволяют констатировать, что на диффузию примесей в металле оказывает влияние высокоскоростное пластическое деформирование и разрушение кристаллической решетки при одновременном образовании высоких температур трения и деформирования, диффузионные процессы в металле при механической обработке протекают более интенсивней, чем при многих случаях внешнего воздействия, фактическая зависимость интенсивности диффузии
иди концентрации диффундирующих примесей не закреплена соответствующими расчетами и математическими моделями, формирование газовоздушной среды в зоне обработки происходит как вследствие взаимодействия диффундирующих примесей с составляющими атмосферного воздуха, так и взаимодействием его компонентов на границе раздела гетерогенных фаз, расчетные формулы и известные эмпирические зависимости не всегда отражают реальность процессов и явлений, проходящих при механической обработке, а также затрудняют их использование в системах контроля и управления процессами, одноуровневый анализ процессов механической обработки ограничивает возможность исследования явлений, отражающих их многообразие и взаимосвязь, широкое применение газового -анализа в различных отраслях промышленности не учитывает специфику образования газов в зоне обработки и общих требований к методике исследования процессов механической обработки при обеспечении качества изготавливаемых изделий. Указанные особенности диффузии примесей в металле, формирование и контроль газовоздушной среды в зоне обработки при изготовлении изделии позволяют отнести их к сложным объектам исследования. Специфика разработки методов и средств контроля процессов механической обработки состоит в следующем: - не все цели выбора решений и условия, влияющие на этот выбор, могут быть достаточно точно выражены в количественных OTrvOli/rc г'Гйй Л . - модели диффузии и определения концентрации исследуемых газов в зоне обработки характеризуются неполной информацией об объекте исследования, что может быть объективным на основании полученных статистических данных или субъективным на основании знаний специалистов, имеющих опыт объектов контроля.
При решении задач теплофизики широко используют математическое описание температурных полек [ 2 7 в о з н и к а ю щ и х в твердых телах под действием различных источников тепло™, в основе которого лежит следующее положение. Температурное поле, возникающее в твердом теле под действием движущегося или неподвижного источника теплоты любой формы, действующего временно или непрерывно, можно получить как результат той или иной комбинации температурных полей, возникающих под действием системы точечных мгновенных источников теплоты. Например, для неограниченного тела математическое выражение выглядит следующим образом [27,29]; При значительных скоростях обработки материалов (.точение, шлифование и т.д.) величина т в предэкспоненциальном множителе (.2 1) настолько мала, что значение экспоненты стремится к нулю, и температура 0(x,y,z,x) любой точки тела с координатами х, у, z через т секунд после того, или в точке с координатами Xk, Yk, Zk имел место тепловой импульс, то есть, возник и погас мгновенно точечный источник теплоты, также стремится к нулю. Это не отражает реальной картины изменения температуры тела за короткий промежуток времени для практических расчетов и является основной причиной использования других решений при расчете тепловых полей. Основными очагами теплоты при резании являются, как известно, плоскости сдвигов в срезаемом деформируемом слое материала и зоны трения передней и задней поверхности инструмента со сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой соответственно. В общем, виде уравнение теплового баланса имеет вид. (2.1)
Q =Q„ +Q r., + + + Qc„ = Q ^ + Q„ + Q„~ + Q c ( 2 . 2 ) где - количество теплоты, выделяемое от пластического деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку, Q-га, и Q m - количество теплоты , выделяемое при трении материала с задней и передней поверхностью инструмента соответственно, QYN - теплота, обуславливающая появление в процессе резания упругих деформаций, преобразующих в затухающие в упругие колебания, ОСР - теплота, развивающаяся при образовании новой поверхности при резании, OtAi-, Ой-, Остр и Qco. - соответственно теплота, разделяемая между элементами системы "заготовка - инструмент - стружка - среда охлаждения"' (ЗИССо). Как показывают исследования (13], при резании сталей основное количество тепла (до 80% и более) распространяется в срезаемую стружку, что определяет последнюю как носитель основной информации о процессе резания. Сообщение внешней энергии для пластичного деформирования и разрушения слоя материала с преобразованием ее в тепловую вызывает протекание разнообразных физических и химических процессов в материале заготовки, на ее поверхности и на границе раздела гетерогенных фаз со средой охлаждения - структурные превращении и рекристаллизация, объемные и пространственные изменения, появление напряжений, пластических деформаций и т. д. Эти процессы оказывают качественное влияние на изменение физико-химических свойств и состояние материала Теория тепловых процессов в технологических системах при резании, разработанная и дополненная рядом известных ученых: М И, Клушиным, АН. Резниковым, А.Д. Макаровым, Т Н. Яоладзе и др.,
является лишь частью общей теории теплопроводности и физических процессов. При пластическом деформировании кристаллической решетки материала в условиях резания нарушаются атомно-молекулярные связи, увеличивается избыточная энергия, которая преобразуется в тепловую. Преодоление сил трения ведет к дополнительным затратам энергии, которая, преобразуясь в тепловую, увеличивает количество образованной теплоты. То есть работу резания можно представить как энергию, затраченную на пластическое деформирование срезаемого слоя и превращением его в стружку, преодоление сил трения по задней и передней поверхностям режущего инструмента. Работой, затраченной на образование новой поверхности и работой сил, обуславливающих появление в процессе резания упругих деформаций, преобразующих в затухающие колебания, можно пренебречь, так как это составляет небольшую часть работы [27], затраченной на резание. Для определения количества тепла, выделенного при деформировании стружки и трении инструмента с заготовкой и стружкой, используя известные уравнения [13,27], без учета теплоотдачи в среду охлаждения, уравнение (2,2) теплового баланса принимает вид Q = Q m + Qt3 + Qa (2 3) Таким образом, суммарную мощность Q теплового источника можно рассматривать как сумму теплоты деформирования Qa, теплоты трения на надрезцовой стороне стружки Qxn и на поверхности контакта изделия с инструментом Q n Подход к изучению физических явлений, сопровождающих процесс резания при внешнем воздействии, отличается от подхода к изучению деформирования твердого тела, высокоскоростного сжатия материала и
гюследеформационных процессов высокоскоростного нагружения, при которых происходят релаксационные процессы. Методики исследования высокоскоростных процессов, позволяющие фиксировать структурные изменения в процессе стружкообразования, еще весьма не совершенны, а с точки зрения протекания различных процессов при обработке материалов отсутствуют. Поэтому различные стороны явлений взаимодействия вещества с тепловыми полями, пластическим деформированием и разрушением материала недостаточно понятны из-за отсутствия полных теоретических и экспериментальных данных о диагностике изменения состояния вещества к на атомарном уровнях. Недостаточно исследованы процессы распада пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупорядочение сплавов, диффузия, самодиффузия и массоперенос вещества, исследования по выбору и рекристаллизации деформируемых макро- и микрообъектов металла. Изучение этих процессов должно позволить эффективнее использовать механическую обработку и контроль процессов, комплексные методы обработки, а также полученные знания о физических явлениях. Исследование и описание основных закономерностей протекания всевозможных процессов при механической обработке позволяет подойти к объяснению массопереноса в условиях стружкообразования, сформулировать основные принципы интенсификации различных процессов обработки материалов. Исследование процессов высокоскоростного деформирования и разрушения материалов, с одной стороны, позволяет судить о динамике изменения состояния вещества на субструктурном и атомарном уровнях по характеру протекания процессов, а с другой стороны, разработать качественно новые физические принципы интенсификации методов обработки материалов, контроль процесса обработки и диагностирования состояния режущего инструмента. На основе всестороннего изучения взаимосвязи деформационных, последеформадионных процессов и процессов разрушения материалов,
структурных изменений в условиях высоких скоростей обработки возможен научно обоснованный подход к использованию полученных результатов при создании новых методов контроля. Пластическое деформирование, сдвиг и разрушение кристаллической решетки при механической обработке материалов сопровождается образованием субструктуры с большой концентрацией дефектов, возникает проблема термической и временной устойчивости дефектных структур. Такая устойчивость структуры должна быть гарантией сохранения свойств изделий, особенно это касается их работы в течение всего периода эксплуатации в реальных условиях. Несмотря на различие в технологических решениях, все методы механической обработки материалов имеют общие черты, отличающие их от статической или низкоскоростной деформации и разгружении. Важнейшие из них следующие: высокий градиент напряжений между деформируемым и недеформируемым материалом в небольшом объеме переходной зоны, кратковременность воздействия внешних сил, образование субструктуры с высокой плотностью дефектов кристаллической решетки, в ряде случаев отсутствие значительной макроскопической деформации. В условиях высокоскоростного деформирования материала имеет место адиабатический сдвиг (4,7,25,48] - образование локальных зон повышенной пластической деформации, энергия которой преобразуется в тепловую, тоэ снижает предел текучести при повышении температуры. При выделении тепла в условиях стружкообразования с большей скоростью, чем его отвод в среду охлаждения за счет теплопроводности, тепло концентрируется вблизи полос или плоскостей скольжения, что приводит к возникновению так называемых адиабатических полос сдвига. При сдвиговой деформации переход от однородного деформирования к адиабатическому сдвигу определяется величиной и скоростью деформации. Температура в области адиабатического сдвига зависит от