Концентрованими потоками енергії

До числа концентрованих потоків енергії (КПЕ) відносяться ті, вплив яких на матеріал локалізовано у певній зоні. У свою чергу розміри зони впливу, названою плямою нагрівання, звичайно малі в порівнянні з максимальними просторовими розмірами оброблюваних виробів. Локальність впливу КПЕ на матеріали приводить, як правило, до високої щільності потоку енергії q, що дозволяє за малий проміжок часу t нагріти тіло в плямі нагрівання до високої температури. Під «високою температурою», як прийнято в даний час, мається на увазі температура в конденсованому середовищі, наприклад, на поверхні матеріалу, що перевищує температуру плавлення сталі.

Енергетичні умови взаємодії КПЕ з матеріалами

При попаданні на поверхню оброблюваних матеріалів потоку частинок (електронів, фотонів та ін.), він частково відбивається від неї, а частково проникає на незначну глибину. Енергія потоку практично цілком поглинається електронами в приповерхневому шарі товщиною 10^-6…10^-7м. Внаслідок цього різко підвищується електронна температура Т_е тоді як температура кристалічних ґраток Т_і залишається незначною. З часом зростає інтенсивність передачі енергії від вільних електронів до кристалічних ґраток. Починаючи з часу релаксації t_р =10^-9…10^-11с, різниця температур Т_е – Т_і стає мінімальною і теплові процеси в матеріалі можна охарактеризувати деякою загальною температурою Т. Наступне нагрівання матеріалу здійснюється за тими же фізичними закономірностями, які властиві традиційним способам теплового впливу на матеріали. Це дає підставу розглядати поширення теплоти в матеріалах при обробці КПЕ з класичних позицій теорії теплопровідності.

Вплив теплофізичних властивостей матеріалу

Процеси поширення теплоти в різних матеріалах залежать від інтенсивності теплового впливу і, у значній мірі, від теплофізичних властивостей матеріалу: коефіцієнта теплопровідності l (Вт/м×К); об'ємної теплоємності С_v (Дж/м³×К); їхньої комплексної характеристики ² = , названої коефіцієнтом температуропровідності; глибини проникнення теплового потоку в матеріал d (м).

Коефіцієнт теплопровідності l характеризує здатність матеріалу проводити теплоту, тобто тепловий потік у матеріалі при дії поверхневого джерела нагрівання, викликаного КПЕ і залежить від коефіцієнта теплопровідності цього матеріалу.

Об'ємна теплоємність С_v характеризує здатність матеріалу акумулювати (накопичувати) тепло в одиниці об'єму. Має місце такий зв’язок C_v = rC, де r і C – відповідно щільність і питома теплоємність матеріалу.

Коефіцієнт температуропровідності характеризує швидкість вирівнювання температури при нестаціонарній теплопровідності. Цей коефіцієнт визначає, з якою швидкістю відбувається в матеріалі передача теплової енергії. Чим вище коефіцієнт температуропровідності, тим більше величина теплового потоку і, зокрема, більше глибина проплавлення за інших рівних умов.

Глибина проникнення теплового потоку d для джерела, рівномірно розподіленого за поверхнею може бути орієнтовно визначена за наступною формулою:

d = , (4)

де t - час дії джерела нагрівання (час обробки матеріалу). Основні теплофізичні параметри різних матеріалів, які широко використовуються в сучасних технологічних процесах обробки, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Основні теплофізичні параметри різних матеріалів

Оброблюваний матеріал	Середня температура Тср , К.	Коефіцієнт теплопровідності,l, ,	Об'ємна теплоємність Сv×106 ,	Коефіцієнт температуропровідності а2×10-6, м2/c
Низьковуглеводні і низьколеговані сталі	700…800	3,8…4,2	4,9…5,2	7,5…9,0
Нержавіючі аустенітні сталі		2,5…3,3	4,7…4,8	5,3...…7,0
Мідь		37…38	3,85…4,0	95...96
Латунь	550…600	11,7	3,45
Технічний титан		1,7	2,8
Оптичне скло К-8		1,52	2,24	0,68

У більшості випадків поверхневої обробки КПЕ досить довести до температур, близьких до температур плавлення, ділянки глибиною d=(10^-4…10^-3)м. Температуропроводність матеріалів змінюється приблизно (див. таблицю 1) у межах від 6,8×10^-7 м²/с (оптичне скло типу К-8) до (7..9)×10^-6м²/с (для нержавіючих сталей), до 3,4×10^-6 м²/с (для латуні) і до (9,5..9,6)×10^-6м²/с (для міді). Тоді час проникнення t теплового потоку на встановлену глибину обробки обчислюється за формулою

t = (5)

і з використанням зазначених кількісних значень dі ²,складає від десятих мілісекунд до одиниць секунд. Ця умова накладає певне обмеження на тривалість впливу КПЕ, які використовуються для поверхневої обробки матеріалів. Для забезпечення ефективного розплавлення тонкого поверхневого шару характерний час t не повинен перевищувати або повинен бути порівняний з тривалістю обробки матеріалів.

Джерела тепла. Вплив КПЕ на матеріали приводить практично безінерційно (характерний час ~10^-10 с) до виникнення на поверхні тіл або у їхньому об’ємі (при глибокому проплавленні (до 10^-2 м) матеріалів, наприклад металів) джерел тепла (ДТ), просторово-тимчасові характеристики яких залежать від фізичних властивостей оброблюваних матеріалів, стану поверхні й особливостей взаємодії КПЕ з речовиною. Як зазначалося вище, при впливі корпускулярних потоків на матеріали, поглинання в них енергії відбувається у вузькому поверхневому шарі (товщиною від 0,01 до 1 мкм) і при цьому збуджується електронна підсистема, енергообмін якої з іонами ґраток приводить до дисипації введеної енергії і перетворення енергії потоку частинок у тепло. При цьому дисипація енергії може здійснюватися за допомогою різних фізичних механізмів, перевага кожного з який визначається в значній мірі енергетичними характеристиками ДТ, зокрема, тривалістю його дії t і щільністю потоку енергії q.

Розрахунки та експерименти показують, що якщо q £ 10¹³ Вт/м², то для більшості матеріалів відвід тепла з зони впливу КПЕ здійснюється механізмами теплопровідності в конденсованому середовищі і випаром; при q> 10¹³ Вт/м² введена енергія перетвориться в нелінійні механічні хвилі потужностей, а роль теплопровідності чи випаровування помітно знижується.

В даний час у більшості процесів обробки матеріалів КПЕ використовуються щільності потоку q , що не перевершують 10¹³ Вт/м², тому одним з основних процесів дисипації введеної енергії є лінійна чи нелінійна теплопровідність, ускладнена поверхневим чи об'ємним випаровуванням.

При цьому, як показують чисельні експериментальні дослідження, при зазначених вище довготривалостях процесу обробки і густини потоку
q = 10⁷…10⁹)Вт/м², коли відсутнє помітне руйнування матеріалу, розподіл q по поверхні матеріалу(для випадку поверхневого ДТ) близько до нормального
(рис 2а). У випадку об'ємного ДТ розподіл тепловиділення за глибиною матеріалу також близький до нормального (рис 2б)

Рисунок 2– Схема теплової дії КПЕ стрічкової форми на матеріали

(S – джерело енергії, u - швидкість руху КПЕ):

а) – поверхневе ДТ з нормальною розподіленою густиною потоку

енергії стрічкового типу;

б) – об‘ємне ДТ з нормально розподіленим об‘ємним тепловиділенням