
Моделируйте фазовые переходы в сталях и сплавах с помощью модуля Металлургия
Фазовые переходы в твердых телах
В процессе нагрева или охлаждения стали и других сплавов в материале могут происходить фазовые превращения. Иногда подобные фазовые переходы осуществляются преднамеренно в процессе термической обработки механических деталей, а в других ситуациях, как например во время сварки, они могут быть нежелательны. Фазовые состояния стали и сплавов определяют механические и теплофизические свойства этих материалов, поэтому качество и характеристики детали можно улучшить, оптимизировав фазовый состав материала. Модуль расширения Металлургия, входящий в состав программного продукта COMSOL Multiphysics®, позволяет моделировать фазовые переходы в сталях и сплавах при решении трехмерных, двумерных и двумерных осесимметричных задач.
Область применения модуля Металлургия
Термическая обработка и закалка стали
Закалка стали — это процесс термической обработки, в котором стальные детали, нагретые до температуры, соответствующей состоянию аустенита, быстро охлаждаются. Анализ процесса закалки требует решения мультифизической задачи, включающей моделирование распада аустенита, теплопередачи и напряженно-деформированного состояния. При использовании мультифизического интерфейса Steel Quenching (Закалка стали), входящего в состав модуля Металлургия, в расчетную модель автоматически добавляются несколько узлов, упрощающих настройку модели. В настройках интерфейса необходимо задать параметры аустенита, феррита, перлита, бейнита и мартенсита, а также выбрать модель фазового перехода из аустенита во все остальные фазовые состояния. Мультифизические связки настроены таким образом, чтобы учесть тепловые эффекты и деформации, обусловленные фазовыми переходами.
Кроме того, мультифизические связки позволяют учесть зависимость механических свойств материалов от температуры, и задать энергию диссипации при пластической деформации в качестве внутреннего источника теплоты для теплового анализа. После завершения расчета можно проанализировать фазовый состав, а также влияние скорости охлаждения на остаточные напряжения и деформации, возникшие в результате закалки детали. Эти данные помогут оценить эффективность процедуры закалки при конкретных условиях и понять, как геометрия детали влияет на итоговый фазовый состав.
Цементация
TRIP-стали (пластичность, наведенная превращением)
Диффузионные и сдвиговые фазовые превращения
Для описания фазовых переходов, контролируемых диффузией, таких как распад аустенитной фазы до феррита, реализованы два типа моделей: модели Леблона-Дево и Джонсона — Мела — Аврами — Колмогорова (JMAK). Для моделирования сдвиговых (бездиффузионных) мартенситных фазовых превращений в модуле представлена модель Койстинена — Марбургера. Все эти модели доступны при использовании универсального интерфейса Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах), в настройках которого можно задать произвольное число фаз и фазовых переходов.
Кроме того, можно описать собственную модель фазового перехода или выполнить калибровку моделей на основе экспериментальных данных. Также для упрощения калибровки моделей по экспериментальным данным можно рассчитать, например, диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (CCT) или диаграммы изотермического превращения (TTT).
Прочностной анализ
Напряжения и деформации рассчитываются на основе эффективных свойств материала, которые, как правило, зависят от температуры и фазового состава. Упругопластические свойства многокомпонентных материалов осредняются по каждой отдельной фазе. В случае, когда твердость одной из фаз намного выше остальных, для определения начального предела текучести многокомпонентного материала можно использовать нелинейную взвешенную схему. Для постепенного образования фаз без учета предыстории пластической деформации имеется специальная опция plastic recovery (восстановление пластического состояния). Для расчета тензора термической деформации каждой фазы используются референсное значение температуры и коэффициент объемного термического расширения. Тензор термической деформации многокомпонентного материала получается осреднением тензоров всех фаз. Модуль Металлургия можно использовать совместно с модулем Механика конструкций для проведения более сложного и детального прочностного анализа.
Тепловой анализ
В модуле Металлургия представлены инструменты моделирования теплопередачи на основе решения полного уравнения сохранения энергии. Кроме того, можно учесть зависимость коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости от температуры и даже от текущего фазового состава. Например, значения коэффициента теплопроводности аустенита и феррита отличаются, поэтому в процессе изменения фазового состава значение коэффициента теплопроводности многокомпонентного материала будет изменяться. Для более сложного и детального теплового анализа модуль Металлургия можно использовать совместно с модулем Теплопередача.
Импорт свойств материала
Индукционное упрочнение
Если подключить модуль AC/DC, можно моделировать процесс индукционного упрочнения, при этом рассчитанное поле температуры, обусловленное индукционным нагревом, будет использовано в качестве входных данных для моделирования процесса закалки.
Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.
Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.