Металлургия

Моделирование фазовых переходов в механических компонентах

В процессе нагрева или охлаждения таких материалов, как сталь или чугун, могут возникнуть фазовые превращения. Модуль расширения «Металлургия», входящий в состав программного продукта COMSOL Multiphysics®, позволяет исследовать влияние этих фазовых превращений на механические и термические свойства материалов. Модуль содержит функционал для моделирования преднамеренных фазовых превращений (например, при закалке стали и цементации) и нежелательных (при аддитивном производстве или сварке). Встроенные мультифизические возможности помогают улучшить характеристики компонентов, оптимизировав фазовый состав.

Связаться с COMSOL
Модель серой мtталлической шестерни с небольшим срезом, окрашенным в красный, белый и синий.

Закалка стали

Закалка стали — это процесс термической обработки, при котором стальные детали, нагретые до температуры, соответствующей аустенитному состоянию, быстро охлаждаются. Закалка стали это тоже мультифизический процесс, так как включает в себя сочетание таких явлений, как распад аустенита, теплопередача и напряжённо-деформированного состояния. Модуль «Металлургия» предоставляет специализированные опции и функционал, упрощающий настройку модели этих мультифизических процессов.

После завершения расчёта 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

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. Цементация и последующая закалка детали могут привести к возникновению сжимающих напряжений на поверхности детали, что позволяет повысить сопротивление усталости.

Функциональные возможности модуля «Металлургия»

Моделирование фазовых превращений и связанных с этим явлений в 3D, 2D, 2D осесимметричных и 0D объектах.

Крупный план настроек фазового превращения и двухмерный график доли аустенитной фазы.

Фазовые превращения в металле

Интерфейс Metal Phase Transformation используется для изучения фазовых превращений, возникающих в таких материалах, как сталь, в процессе нагрева или охлаждения. В узле Metallurgical phase вы можете задать изначальную долю фазы и свойства материала; в узле Phase transformation вы можете задать исходную фазу, конечную фазу и модель фазового перехода.

Для описания фазовых переходов, контролируемых диффузией, таких как распад аустенитной фазы до феррита, реализованы три типа моделей: модели Леблона-Дево, Джонсона — Мела — Аврами — Колмогорова (JMAK) и Киркалди-Венугополана. Для моделирования сдвиговых (бездиффузионных) мартенситных фазовых превращений в модуле представлена модель Койстинена — Марбургера. Модели фазового превращения могут быть заданы, к примеру, с помощью диаграммы изотермического превращения. При фазовом превращении данные для каждой модели задаются отдельно, кроме всего прочего, у вас есть возможность импортировать данные из программного обеспечения JMatPro®. В дополнение к моделированию фазовых превращений в сталях, можно анализировать, например, титановый сплав, который часто используются в аддитивном производстве, а также можно задать свои собственные модели фазового перехода.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Austenite Decomposition и напряжения в модели цилиндрической шестерни в графическом окне.

Распад аустенита

Интерфейс Austenite Decomposition представляет собой специализированную версию интерфейса Metal Phase Transformation и используется для моделирования распада аустенита во время быстрого охлаждения стали из аустенитного состояния. Интерфейс автоматически учитывает фазы — аустенит, феррит, перлит, бейнит и мартенсит, а также фазовые переходы, которые могут возникнуть в процессе закалки.

Крупный план дерева модели с выбранным узлом результата «Carbon Concentration» и стальной шестерней, продемонстрированной в графическом окне.

Цементация

Интерфейс Carburization используется для моделирования процесса цементации при термической обработке. Этот интерфейс позволяет задать концентрацию углерода в окружающей среде, определить способ проникновения углерода через поверхность и задать, как именно углерод распространяется внутри компонента.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Optimization и TTT диаграммами в графическом окне.

Калибровка модели фазового перехода

Для описания собственной модели фазового перехода может появиться необходимость выполнения калибровки модели на основе экспериментальных данных. Для упрощения калибровки моделей по экспериментальным данным можно рассчитать, например, диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (CCT) или диаграммы изотермического превращения (TTT). Обратите внимание, что для калибровки по данным диаграммам TTT необходим модуль «Оптимизация».

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Phase Transformation Latent Heat и температурой круглого стержня в графическом окне.

Теплопередача при фазовых превращениях

Мультифизический интерфейс Heat Transfer with Phase Transformations может быть использован для моделирования фазовых превращений при термической нагрузке. В модуле Металлургия представлены инструменты моделирования теплопередачи на основе решения полного уравнения сохранения энергии. Мультифизическая связь настроена таким образом, чтобы учесть скрытую теплоту. Можно учесть зависимость коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоёмкости 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 меняться.

Крупный план дерева модели с тремя выделенными физическими интерфейсами и тремя результатами для модели стальной заготовки в графическом окне.

Термическая обработка и закалка стали

Доступен мультифизический интерфейс Steel Quenching, который автоматически настраивает моделирование закалки стали. При этом добавляется интерфейс Austenite Decomposition, а также интерфейсы Solid Mechanics и Heat Transfer in Solids. Мультифизические связи автоматически настраиваются, чтобы учесть скрытую теплоту и деформации, обусловленные фазовыми переходами, для каждой отдельной фазы.

Модуль «Металлургия» в сочетании с модулем «Нелинейные материалы» можно использовать для детализированных расчётов напряжений и деформаций в процессе закалки. Учитываются пластические деформации каждой отдельной фазы, а для определения начального предела текучести многокомпонентного материала можно использовать опцию plastic recovery (восстановление пластического состояния) и нелинейную взвешенную схему. Для расчета тензора термической деформации каждой фазы используются референсное значение температуры и коэффициент объёмного термического расширения. Также можно учесть эффект наведённой пластичности (TRIP), в этом случае неупругая деформация материала обусловлена приложенными нагрузками, уровень которых не превышает предела текучести, и они не могут вызвать пластическое течение в рамках обычной теории пластичности.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Metal Phase Transformation и результатом в круглом стержне в графическом окне.

Свойства многокомпонентного материала

С помощью интерфейсов Metal Phase Transformation и Austenite Decomposition можно вычислить эффективные свойства материала, основываясь на свойствах каждой отдельной фазы. Эти эффективные свойства могут использоваться в других интерфейсах, таких как Heat Transfer in Solids и Solid Mechanics. Свойства материала для каждой фазы задаются отдельно, кроме того у вас есть возможность импортировать их из программного обеспечения JMatPro®.

Помимо моделирования фазовых превращений в сталях, вы можете моделировать такие материалы, как титановые сплавы, которые часто используются в аддитивном производстве, и можете свободно задавать свои собственные модели фазовых превращений.

Расширьте возможности моделирования с помощью модуля «Металлургия»

Как и в случае с другими продуктами из линейки расширения COMSOL Multiphysics®, при добавлении модуля «Металлургия», функциональные возможности полностью интегрируются в рабочий процесс моделирования и могут использоваться с любыми другими модулями, которые у вас есть. Например, вы можете комбинировать модуль «Металлургия» со следующими:

  • Модуль «Нелинейные материалы» для исследования остаточных напряжений и деформаций при моделировании закалки.
  • Модуль «Теплопередача» для учёта эффекта теплового излучения, которое может иметь существенное значение в случае закалки.
  • Модуль AC/DC для моделирования индукционной закалки, в которой вы используете рассчитанное из моделирования индукционного нагрева поле температур в качестве входных данных для моделирования закалки.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, 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 COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе