Технические науки/1. Металлургия

к.т.н. Денисенко О.І.¹, Цоцко В.І.²

¹Національна металургійна академія України

²Дніпропетровський державний аграрний університет

приповерхневі поля температур в системі “метал – підкладка” при різних енергетичних впливах

Для швидкоплинних нерівноважних процесів в умовах локальних нагрівів і охолоджень поверхні металевої стрічки достовірно визначити температуру, швидкість її зміни, параметри теплових потоків експериментально досить складно. Тому в процесі розв’язання багатьох завдань динамічної металофізики, пов’язаних із розробкою нових і вдосконаленням відомих методів енергетичної обробки, використовують математичне моделювання досліджуваних явищ. Такий підхід дозволяє істотно економити матеріальні і енергетичні ресурси, а також отримати значний виграш в часі, що має вирішальне значення в умовах сучасної конкуренції в науково-технічній сфері.

Застосування в енергетиці металокомпозитних електродних структур, сформованих інжекцією двофазним струменем мікрочастинок електрохімічно активної речовини в приповерхневий шар провідника [1], може стати технологічно перспективним при використанні тонкої металевої стрічки, що спирається на підкладку і переміщується відносно діючого на неї струменя. Можливість розриву стрічки через втрату механічної міцності внаслідок часткового або повного проплавлення при енергетичній дії двофазного струменя виступає при цьому одним із головних факторів ризику. Методами аналітичного і чисельного моделювання в роботах [2,3] досліджувалась динаміка формування поля температур у такій системі під впливом дисперсної фази переміщуваного по поверхні стрічки плоского двофазного високошвидкісного струменя, а також умови формування на поверхні і динаміку руху в глибину стрічки фронту розплаву.

Актуальність досліджень розподілів і динаміки поля температур в системі “метал – підкладка” пов’язана із різноманіттям можливих реалізацій енергетичних впливів, в тому числі і при інжекційному синтезі тонких стрічкових електродів. Нижче наведені деякі результати аналітичних і чисельних моделювань поля температур при фіксованій температурі підкладки в умовах односпрямованих лінійних змін температури на поверхні енергетичної дії, імпульсному енергетичному впливові і термоциклюванні.

Моделювання температурного поля одновимірного зразка в умовах місцевої термообробки

Розглядалась одновимірна однорідна модель [4-5]. Робоча поверхня моделі в першій фазі дослідження нагрівалася, а в другій фазі охолоджувалася по заданому лінійному закону в діапазоні швидкостей термообробки від 1 до 10⁶ К/с.

Аналітичним розрахунком отримано одновимірний розподіл температури в процесі нагріву і охолоджування|охолодження| в умовах лінійної зміни температури оброблюваної поверхні при фіксованій температурі задньої поверхні зразків|взірців|. Для швидкостей нагріву і охолоджування|охолодження| поверхні |взірців|нижче 50-100 К/с у всіх зразках|взірцях| встановлюється в процесі обробки розподіл температури, близький до рівноважного. Нерівноважність розподілу істотно|суттєвий| виявляється при швидкостях охолоджування|охолодження| понад 10² К/с, що дозволяє прогнозувати|пророчити| температурне поле в зразках|взірцях| при помірних режимах теплової дії і відомій температурі поверхні, яка нагрівається. Для високих швидкостей нагріву в розподілі температури утворюються дві близькі до лінійних області із|із| зламом між ними [8]. Для високих швидкостей охолоджування|охолодження| в розподілі температури формується максимум [8], положення|становище| якого залежить від часу, швидкості охолоджування|охолодження| і довжини зразка|взірця|. Зсув|зміщення| температурного максимуму в процесі обробки і релаксації – температурна хвиля – відбувається|походить| із|із| швидкістю, що досягає 1-10 см/с.

Нестаціонарне поле температур в умовах імпульсного енергетичного впливу

На прикладі одновимірної однорідної моделі скінченої довжини l, в умовах лінійного нагріву та охолодження робочої поверхні із заданою швидкістю b при фіксованій температурі іншої граничної поверхні, аналітично одержана [5,6] величина відхилення температури ΔТ від рівноважного розподілу в залежності від відстані х від поверхні зразка, та часу t:

,

де a² – коефіцієнт температуропровідності матеріалу моделі (знак відхилення від’ємний при нагріванні і додатний при охолодженні поверхні).

Дослідження впливу швидкості термообробки b на розподіл температури в металевих зразках показало появу помітного відхилення температури від рівноважного розподілу (в зразках із товщиною, меншою за міліметр) при швидкостях термообробки ≈10³ К/c, що вказує на доцільність застосування розрахованого відхилення температури (1) для швидкісних і надшвидкісних (до 10⁶ К/с) режимів термічної дії.

В роботі [7] розглянуто нестаціонарне поле температур, що формується об'ємною енергетичною дією імпульсу електричного струму|току| в однорідному металі в наближенні одновимірної|одномірної| моделі “метал – підкладка” в умовах лінійного збільшення температури поверхні металу і фіксованої температури підкладки. Аналіз результату показав зменшення величини відхилення температури в порівнянні з аналогічним режимом обробки при поверхневій енергетичній дії, що зумовлює його як перспективніший для контролю температурного поля в умовах швидкісного (10³ К/с) і надшвидкісного (10⁶ К/с) режимів термічної дії..

Моделювання одновимірного поля температур в умовах місцевої термоциклічної обробки

Температурне поле одиничного|поодинокого| циклу нагріву і охолоджування|охолодження| в умовах місцевої інтенсивної дії з|із| широким діапазоном швидкостей нагріву і охолоджування|охолодження| досліджене в роботах [4-5,8]. Вказані роботи не охоплюють синтетичну дію всієї сукупності циклів і можуть служити лише для аналізу фрагментів періодичної теплової дії на металеву модель. Крім того, в даних роботах періодична дія температури моделюється за допомогою лінійних, а не гармонійних функцій, що істотно|суттєвий| спрощує аналіз.

Аналітичне вирішення рівняння теплопровідності в одновимірному|одномірному| наближенні для напівнескінченної|безконечної| однорідної моделі середовища|середи| вимагає завдання|задавання| лише однієї краєвої|крайової| умови – залежності температури на поверхні середовища|середи| від часу. При періодичній зміні вказаної температури (завдання|задача| Фур’є) для достатнього видалення|віддалення| від початкового моменту часу в товщі зразка також встановлюються коливання температури з|із| тією ж частотою, причому: амплітуда коливань експоненціально зменшується із|із| глибиною; температурні коливання в різних точках середовища|середи| відбуваються|походять| із|із| зсувом|зсувом| фази, а час запізнювання екстремумів температури пропорційний видаленню|віддаленню| від граничної поверхні; |середи|;глибина проникнення тепла в товщу залежить від періоду коливань температури на поверхні.

Виходячи з представлення довільної періодичної теплової дії у вигляді суми гармонійних дій і умови підтримки постійної температури на іншій граничній поверхні моделі, в роботах [9,10] аналітично досліджувались закономірності зміни залежно від часу розподілу температури, що формується, по глибині одновимірної|одномірній| кінцевої|скінченній| металевої моделі (зразка|взірці|) при періодичній тепловій дії на її поверхню.|частка| На одновимірній однорідній моделі скінченої довжини l із заданим коефіцієнтом температуропровідності a² досліджено поле температур, що формується в зразку при періодичній енергетичній дії на його поверхню. Знайдено відхилення температури ΔТ від миттєвого рівноважного розподілу в залежності від заглиблення х та часу обробки t:

,

де ω – частота періодичної теплової дії, А – амплітуда коливань температури на поверхні зразка [9]. Аналіз результату показав різке затухання температурних коливань із зростанням частоти обробки. Так, в умовах швидкісного і надшвидкісного (10⁶   К/с) режимів термічної дії [9], для типових матеріалів зона термоциклювання стягується до ~0,1 мм.

Література

1. Денисенко А.И. Преимущества и ограничения инжекционного метода формирования металлокомпозитного катода // Теория и практика металлургии.– 2007. – № 4-5.– С. 94-97.

2. Денисенко О.І., Цоцко В.І., Пелешенко Б.Г. Формування поля температур тонкої стрічки під впливом руху по її поверхні дисперсної фази двофазного струменя // Фізика і хімія твердого тіла. – Т.9. – №4. – 2008. – С. 901-904.

3. Денисенко О.І., Цоцко В.І., Пелешенко Б.Г. Регулювання зони проплавлення тонкошарових матеріалів в умовах локальної теплової дії // Матеріали ХІІ Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем”. – Івано-Франківськ. – 2009. – Т. 1. – С. 266-267.

4. Цоцко В.И., Денисенко А.И.. Температурные характеристики поверхностного слоя низкоуглеродистых сталей в условиях линейного нагрева поверхности // Вісник Дніпропетровського національного університету. –2004. – 2/2(12) . – с. 72–77.

5. Цоцко В.І., Спиридонова І.М., Пелешенко Б.Г., Денисенко О.І. Розподіл температури одновимірного зразка в умовах місцевої термообробки // Фізика і хімія твердого тіла. – 2008. – Т. 9. – № 1. – с. 181–184.

6. Денисенко О.І., Цоцко В.І., Пелешенко Б.Г. Розподіл температури в тонких плівках при енергетичній дії на поверхню // Матеріали ХІІ Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем”. – Івано-Франківськ. – 2009. – Т. 2. – С. 292-293.

7. Цоцко В.И., Пелешенко Б.И., Денисенко А.И. Нестационарное поле температур в металле в условиях импульсного энергетического воздействия // Сб. научн. тр.: Высокоэнергетическая обработка материалов. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2009. – С. 202-208.

8. Цоцко В. И., Спиридонова И.М., Пелешенко Б.И., Денисенко А.И. Аналитическое моделирование температурного поля одномерного образца в условиях местной термообработки. // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Випуск 3 (56). – Том 2. – Дніпропетровськ, 2008. С. 22-29.

9. Денисенко О.І., Цоцко В.І. Аналіз температурного поля поверхневого шару напівпровідникових матеріалів в умовах періодичної енергетичної дії // Матеріали ІV Української наукової конференції з фізики напівпровідників. – Запоріжжя. – 2009. – Т. 2. – С. 227.

10. Денисенко А.И., Цоцко В.И., Пелешенко Б.И., Спиридонова И.М. Аналитическое моделирование поля температур одномерного образца в условиях местной термоциклирующей обработки // СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ МЕТАЛУРГІЇ. Наукові вісті. Том 10. Дніпропетровськ: «Системні технології», 2007. – С. 170-178.