Новый модуль Металлургия

В состав COMSOL Multiphysics® 5.5 включен новый модуль Металлургия. Этот модуль расширения позволяет моделировать фазовые переходы в сталях и сплавах.

Обзор модуля Металлургия

Модуль Металлургия содержит два новых интерфейса Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах) и Austenite Decomposition (Распад аустенита), которые предназначены для анализа фазовых переходов в сталях и сплавах. Оба интерфейса позволяют моделировать фазовые переходы, определяемые диффузией или замещением фазы. Как и прочие модули расширения COMSOL Multiphysics®, модуль Металлургия создан для решения мультифизических задач.

При совместном использовании с модулем Теплопередача модуль Металлургия позволяет строить более сложные модели теплопередачи, в том числе рассчитывать эффективные свойства материалов, скрытую теплоту фазовых переходов и учитывать влияние теплового излучения. Аналогично, совместное использование с модулем Механика конструкций и другими модулями механики позволит рассчитать остаточные напряжения, деформации и перемещения, связанные с фазовыми переходами. С помощью инструментов модуля Металлургия можно также выполнить расчет эффективных свойств материалов, температурных напряжений и таких явлений, как наведенная пластичность в трип-сталях.

Интерфейс Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах)

С помощью интерфейса Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах) можно анализировать фазовые переходы, происходящие в сталях и сплавах при нагреве или охлаждении, рассчитывая изменяющийся фазовый состав. С помощью узла Metallurgical phase (Металлическая фаза) дерева модели можно задать начальный фазовый состав и свойства материала, а с помощью узла Phase transformation (Фазовый переход) — задать начальную и конечную фазы, а также модель фазового перехода. При добавлении интерфейса автоматически создаются два узла Metallurgical phase (Металлическая фаза) и один узел Phase transformation (Фазовый переход), что необходимо для построения такой модели. Затем в модели можно задать произвольное количество дополнительных фаз и фазовых переходов.

Доступны три типа моделей фазового перехода:

  • модель Леблона — Дево
  • модель  Джонсона — Мела — Аврами — Колмогорова
  • модель Койстинена — Марбургера

Первые две модели подходят для моделирования фазового перехода, скорость которого определяется диффузией, например, процесс распада аустенита до феррита. Последняя модель описывает мартенситный фазовый переход (без влияния диффузии). Помимо этих трех моделей можно добавить и использовать и собственные модели фазовых переходов.

Превращение аустенита в феррит и перлит можно смоделировать в COMSOL Multiphysics с помощью одной из нескольких моделей фазовых переходов. Пример моделирования фазового перехода в сталях и сплавах В этом примере интерфейс Metal Phase Transformation (Фазовый переход в сталях и сплавах) используется для моделирования фазового перехода в стержне. Показаны настройки модели Леблона — Дево, описывающей превращение аустенита в феррит и перлит, которое, как видно на графике результатов, происходит через 30 минут после начала процесса. Также показано распределение фаз по радиусу стержня через 30 минут после начала процесса.

Интерфейс Austenite Decomposition (Распад аустенита)

Интерфейс Austenite Decomposition (Распад аустенита), созданный на основе интерфейса Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах), предназначен для моделирования закалки сталей. Узлы Metallurgical Phase (Металлическая фаза) и Phase Transformation (Фазовый переход) дерева модели, которые позволяют моделировать наиболее распространенные процессы фазового перехода при распаде аустенита, создаются при добавлении интерфейса автоматически. С помощью интерфейса Austenite Decomposition (Распад аустенита) можно локально проанализировать процесс фазового перехода и рассчитать остаточные напряжения после закалки.

Остаточные напряжения в стальной прямозубой шестерне после закалки. Пример модели закалки стали Показаны интерфейс Austenite Decomposition (Распад аустенита) и окно настроек интерфейса. На графике представлены остаточные напряжения в прямозубой шестерне.

Калибровка моделей фазового перехода

Любая модель фазового перехода требует экспериментальной калибровки. С помощью интерфейсов Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах) и Austenite Decompositon (Распад аустенита) можно рассчитать классические фазовые диаграммы состояния для упрощения калибровки на основе экспериментальных данных. Диаграмма состояния, полученная для условий непрерывного охлаждения, показана в модели Расчет фазовой диаграммы.

Диаграмма состояния, полученная для условий непрерывного охлаждения, показывает изменение температуры металлов во времени. Диаграмма состояния для условий непрерывного охлаждения Пример полученной диаграммы состояния для условий непрерывного охлаждения.

Мультифизические возможности

Модуль Металлургия содержит два узла мультифизической связи, которые позволяют легко объединить интерфейсы модуля с интерфейсами Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах) и Solid Mechanics (Механика твердого тела). С помощью мультифизической связи Phase Transformation Latent Heat (Скрытая теплота фазового перехода) в тепловом расчете можно учесть тепловыделение, обусловленное фазовыми переходами в сталях и сплавах. Мультифизическая связь Phase Transformation Strain (Деформация при фазовом переходе) позволяет моделировать наведенную пластичность, пластичность отдельных фаз и тепловую деформацию. Эту мультифизическую связь можно использовать совместно с интерфейсами Metal Phase Transformation (Фазовый переход в сталях и сплавах) и Austenite Decomposition (Распад аустенита). Для расчета индукционного упрочнения модуль Металлургия можно использовать вместе с модулем AC/DC , а моделирование цементации можно выполнить, решая обобщенную задачу диффузии.

Учебные модели

В модуль Металлургия включены четыре учебные модели, сопровождающиеся подробным описанием, на примере которых показаны доступные функции.

Получение фазовой диаграммы состояния

Диаграмма состояния, полученная для условий непрерывного охлаждения. Диаграмма состояния для условий непрерывного охлаждения В модели показано, как рассчитать фазовую диаграмму состояния. Выполнен расчет диаграммы состояния для условий непрерывного охлаждения.

Название в Библиотеке приложений: transformation_diagram_computation
Загрузить из Галереи приложений

Фазовые переходы в стержне круглого сечения

Распределение мартенситной фазы через 1800 секунд. Распределение мартенситной фазы В этом примере выполнено моделирование фазовых переходов в охлаждаемом стержне круглого сечения, в начальный момент времени состоящем из аустенита. На графике показано распределение мартенситной фазы.

Название в Библиотеке приложений: phase_transformations_in_a_round_bar
Загрузить из Галереи приложений

Закалка стальной заготовки

На графике показано изменение фазового состава стали в течение 600 секунд. Изменение фазового состава с течением времени В этом примере показано, как смоделировать закалку стальной заготовки в масле. На графике показано изменение фазового состава в процессе закалки.

Название в Библиотеке приложений:
quenching_of_a_steel_billet
Загрузить из Галереи приложений

Цементация и закалка стальной шестерни

Модель стальной шестерни с визуализацией остаточных напряжений после цементации и закалки. Стальная шестерня В этом примере показано, как смоделировать цементацию и закалку стальной шестерни. На графике показаны остаточные напряжения в шестерне.

Название в Библиотеке приложений: carburization_and_quenching_of_a_steel_gear Загрузить из Галереи приложений