Моделируйте фазовые переходы в сталях и сплавах с помощью модуля Металлургия

Процесс цементации заключается в нагреве стальной заготовки и размещении её в среде с высоким содержанием углерода, например в углекислом газе. Углерод, содержащийся в окружающей среде, проникает через поверхность внутрь материала в результате нестационарной диффузии. Гибкие настройки программного продукта позволяют достаточно легко смоделировать мультифизические процессы термической обработки, такие как цементация, поскольку параметры модели фазового перехода можно изменить, чтобы ввести в модель зависимость от рассчитанного содержания углерода. Моделирование цементации помогает убедиться в том, что процесс осуществляется правильно; цементация и последующая закалка детали могут привести к возникновению сжимающих напряжений на поверхности детали, а этот эффект позволяет повысить сопротивление усталости.

Обычно фазовые превращения происходят, пока материал подвержен механическим нагрузкам, что приводит к проявлению эффекта наведенной пластичности (TRIP). Неупругая деформация материала в этом случае обусловлена приложенными нагрузками, уровень которых не превышает предела текучести, и которые не могут вызвать пластическое течение в рамках обычной теории пластичности. Инструменты модуля Металлургия позволяют анализировать TRIP-эффект (эффект пластичности, наведенной фазовыми превращениями), например, в процессе перехода аустенитной фазы в мартенситную.

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).

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.

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.

Физические свойства фаз, например аустенита и перлита, зависят, помимо прочего, от температуры и пластической деформации. Иногда для определения физических свойств различных фаз требуется приложить значительные усилия, поэтому при необходимости можно импортировать физические свойства из программного обеспечения JMatPro^®.

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.