Представляем новый модуль «Металлургия»

09/12/2019

В COMSOL Multiphysics® версии 5.5 появился новый модуль Металлургия, предназначенный для анализа процессов термической обработки, таких как закалка и цементация. Функциональные возможности модуля позволяют моделировать фазовые переходы и связанные с ними явления в таких материалах, как сталь и чугун. При совместном использовании с модулями Механика конструкций и Теплопередача можно проводить расчеты остаточных напряжений и деформаций в деталях при термообработке. В этой публикации блога представлен обзор возможностей модуля Металлургия.

Что такое фазовые переходы?

Когда сплав железа, например сталь, нагревается выше определенной температуры, железо превращается в аустенит, называемый также гамма-фазой. В углеродистой стали это фазовое состояние наблюдается при температурах выше 730°C, пока материал остается твердым. При охлаждении аустенит распадается на фазы с различной кристаллической структурой и, что немаловажно, с различными механическими свойствами. Конкретный фазовый состав зависит от скорости охлаждения и от химического состава сплава. Если скорость охлаждения достаточно высока, то образуется очень твердый мартенсит, а при более низких скоростях охлаждения могут образовываться менее твердые фазы, такие как феррит и перлит.

Чтобы изготовить стальные детали с заданными механическими свойствами, темп нагрева и охлаждения в процессе производства тщательно контролируется. Например, в автомобильной промышленности такие компоненты, как оси, шестерни, коленчатые и распределительные валы, подвергаются термической обработке для получения твердой и прочной поверхности при сохранении относительно мягкой внутренней части. Примеры более древнего применения термической обработки можно найти в кузнечном деле. В качестве примера такой обработки можно вспомнить японские мечи катаны, при создании которых процессу закалки уделялось большое внимание. Нужно было создать меч с острым твердым лезвием и упругим клинком. Такие свойства можно получить за счет ограничения скорости охлаждения внутренней части, если изолировать во время закалки все части меча, кроме краев. Описанный процесс называется дифференциальной закалкой. Он позволяет получить твердую мартенситную кромку и мягкую перлитную внутреннюю часть.

Фотография трех японских катан 17-го века, расположенная на верхней части страницы.
Японские катаны 17-го века, имеющие характерную изогнутую форму и одностороннее лезвие (Исторический музей Берна). Изображение предоставлено Rama — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.0 FR, из Wikimedia Commons.

Краткий обзор возможностей модуля Металлургия

В модуле Металлургия представлены два новых физических интерфейса, Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах) и Austenite Decomposition (Распад аустенита), для анализа фазовых превращений в сталях и сплавах.

Функциональные возможности этих интерфейсов позволяют моделировать диффузионные, а также сдвиговые фазовые превращения. Совместное использование с модулем Теплопередача открывает возможности для более сложного и детального теплового анализа и позволяет рассчитывать эффективные температурные свойства материала, а также учитывать тепловой эффект фазовых переходов и теплообмен излучением. Аналогично, комбинация с модулями группы Механика позволяет находить остаточные напряжения, определять перемещения и деформации при фазовом превращении. Интерфейсы модуля Металлургия также можно использовать для расчета эффективных механических свойств материала, моделирования эффекта наведенной пластичности (TRIP) и термических деформаций.

Интерфейс Metal Phase Transformation

Интерфейс Metal Phase Transformation применяется для анализа фазовых превращений, которые происходят в таких материалах, как сталь, при нагреве или охлаждении. В интерфейсе предусмотрены два узла: Metallurgical phase и Phase transformation.

Узел Metallurgical phase предназначен для задания следующих характеристик:

  • Доля начальной фазы
  • Физические свойства фазы

Узел Phase transformation предназначен для задания:

  • Начальная фаза
  • Конечная фаза
  • Входные данные и настройки, определяющие, как формируется конечная фаза из исходной фазы

В настройках узла Phase transformation можно выбрать одну из трех моделей фазового превращения:

  1. Модель Леблона–Дево
  2. Модель Джонсона — Мела — Аврами — Колмогорова 
  3. Модель Койстинена — Марбургера

Первые две модели подходят для диффузионных фазовых превращений, например, когда аустенит распадается на феррит. Последняя модель подходит для моделирования сдвигового (бездиффузионного) мартенситного фазового превращения. В дополнение к встроенным можно использовать и свои собственные модели фазовых переходов. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс COMSOL Multiphysics® позволяет легко описать фазы и фазовые превращения в расчетной модели. На рисунке ниже показаны примерные настройки узла Phase transformation. Здесь выбрана диффузионная модель Леблона–Дево, описывающая, как Metallurgical Phase 1 превращается в Metallurgical Phase 2. В данном случае входные данные заданы как функции от температуры: func1 и func2.

Окно настройки модели фазового превращения Леблона-Дево в COMSOL Multiphysics®.
Настройки модели фазового перехода Леблона–Дево, свойства исходной и конечной фаз заданы с помощью узлов Metallurgical Phase 1 и Metallurgical Phase 2.

Интерфейс Metal Phase Transformation содержит два узла Metallurgical phase и один узел Phase transformation, которые добавляются автоматически при начальной настройке интерфейса. Это минимальный набор необходимых узлов для создания подобной модели. В модели можно задать произвольное количество дополнительных фаз и фазовых превращений, добавляя соответствующие узлы.

Здесь показано, как в добавить интерфейс Metal Phase Transformation и относящиеся к этому интерфейсу узлы в дерево модели.

Интерфейс Austenite Decomposition

Интерфейс Austenite Decomposition основан на интерфейсе Metal Phase Transformation, но специализирован для моделирования закалки сталей. При начальном использовании этого интерфейса в дерево модели автоматически добавляются узлы Metallurgical Phase и Phase Transformation, настроенные для описания наиболее распространенных фазовых превращений при разложении аустенита.

Узлы интерфейса Austenite Decomposition модуля Металлургия в дереве модели.

Мультифизические связи

На практике очень часто в результате фазовых превращений образуются остаточные напряжения и деформации. В процессе закалки, например, интенсивность охлаждения будет максимальной на поверхности стальной детали, а внутренние части детали будут охлаждаться медленнее. Неравномерность охлаждения очень важна, поскольку она приводит к неоднородному распределению напряжений и деформаций при фазовом превращении.

Модуль Металлургия содержит две мультифизические связки, упрощающие совместное использование с интерфейсами Heat Transfer in Solids и Solid Mechanics. Мультифизическая связка Phase Transformation Latent Heat позволяет учесть теплоту, выделяемую или поглощаемую при фазовых превращениях в металлах. Мультифизическая связка Phase Transformation Strain используется для учета TRIP-эффекта, пластичности отдельных фаз и термических деформаций.

Мультифизические связки совместимы как с интерфейсом Metal Phase Transformation, так и с интерфейсом Austenite Decomposition. Кроме того, интерфейсы модуля Металлургия позволяют рассчитывать эффективные механические свойства материалов, которые затем можно использовать в Heat Transfer in Solids, Solid Mechanics, а также других интерфейсах вашей модели.

Схема сопряженной модели фазовых превращений с учетом теплопередачи и механики твердого тела.
Моделирование фазовых превращений, сопряженных с теплопередачей и механикой твердого тела.

Пример модели закалки стали

Благодаря описанным выше функциональным возможностям, можно, например, моделировать закалку компонентов трансмиссии. В качестве примера рассмотрим цементацию и последующую закалку стальной шестерни.

Во время цементации углерод диффундирует через поверхность шестерни, в результате чего начинается мартенситное превращение. Моделируется закалка в масле, а также рассчитывается конечный фазовый состав, остаточные напряжения и искажения. Показано, что в основании шестерни возникают большие остаточные сжимающие напряжения. Попробуйте настроить данную модель самостоятельно Carburization and Quenching of a Steel Gear.

Цементация и закалка стальной шестерни: содержание углерода (слева) и остаточные напряжения (справа).

Другие области применения модуля Металлургия

Инструменты модуля Металлургия можно использовать не только для моделирования сплавов железа, таких как сталь и чугун. Например, двухфазный \alpha – \beta сплав на основе титана Ti-6Al – 4V, часто используемый в аддитивном производстве, претерпевает фазовые превращения, которые также могут быть смоделированы с помощью интерфейса Metal Phase Transformation. Для моделирования распада и образования \alpha and \beta фаз в материале применяется возможность задания произвольного числа фаз и диффузионных и/или сдвиговых фазовых превращений.

Еще одним применением модуля Металлургия является детальный анализ зоны термического влияния (ЗTB) при сварке. Хорошо известно, что материал вблизи расплавленной части нагревается за счет теплоты, выделяемой в процессе сварки, и что фазовые превращения приводят к возникновению деформаций и остаточных напряжений в сварном шве.

Дальнейшие шаги

Нажмите на кнопку ниже, чтобы узнать больше о специальных возможностях модуля Металлургия для моделирования фазовых переходов в металлах:


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ