Modelling the effect of phase transformations on cooling rate during quenching in nuclear forgings using effective heat capacity

• Autorzy: Howson M. P. , Wynne B. P. , Davies P. S. , Talamantes-Silva J.

Warianty tytułu

PL

Modelowamie z wykorzystaniem efektywnej pojemności cieplnej wpływu przemiany fazowej na prędkość chłodzenia odkuwki dla przemysłu jądrowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A modelling methodology based on experimental heat capacity measurements has been used to predict the effects of latent heat formation on cooling rates in a thick sectioned nuclear forging during quenching. Differential scanning calorimetry was used to measure specific heat capacity as a function of temperature (100 - 1000°C) and cooling rate (5 - 70°C/min) that also incorporates the heat energy release during transformations, which is termed the effective specific heat. A user defined routine then incorporated this data into a finite element model of a full scale heat treatment trial forging that had section thicknesses of 200 and 330mm approximately. Excellent agreement with thermocouple data, taken from key test locations, was obtained, particularly at 0.25 and 0.5 thickness. However, some deviations from thermocouple data were seen that has been attributed to the model assumptions, particularly the method used to represent boundary conditions.

PL

Metodologię modelowania z wykorzystaniem efektywnej pojemności cieplnej wykorzystano do przewidywania wpływu ciepli przemiany na prędkość chłodzenia w masywnych częściach hartowanej odkuwki dla przemysłu jądrowego. Różnicowa kalorymetria tria skaningowa została zastosowana do pomiaru ciepła właściwe go w funkcji temperatury (100 - 1000°C) i prędkości chłodzeni; (5 and 70°C/min) z uwzględnieniem ciepła uwalnianego w czasie przemiany. Wyznaczone w taki sposób ciepło właściwe nazywane jest efektywnym. Uzyskane dane zaimplementowano poprze procedurę użytkownika do programu metody elementów skończonych modelującego w pełnej skali obróbkę cieplną odkuwki posiadającej masywne części z przekrojem poprzecznym o grubości 200.5 i 331 mm. Uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników z modelu i pomiaru za pomocą termopar umieszczonych w punktach testowych, w szczególności dla 0.25 i 0.5 grubości. Za przyczynę zaobserwowanych pewnych odchyłek wyników obliczeń od pomiarów uznano przyjęte założenia modelu, w szczególności metodę opisu warunków brzegowych.

Słowa kluczowe

EN

quenching; reactor pressure vesse; finite element modeling; differential scanning colorimetry; latent heat

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 17, No. 3
• Strony: 137--144
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Howson M. P.

• EPSRC Centre for Doctoral Training in Advanced Metallic Systems, Department of Materials Science and Engineering, The University of Sheffield, Mappin St., Sheffield SI 3JD, UK

autor

Wynne B. P.

• Department of Materials Science and Engineering, The University of Sheffield, Mappin St., Sheffield SI 3JD, UK.

autor

Davies P. S.

• Sheffield Forgemasters RD26 Ltd, 286 Brightside Lane, SheffieldS9 2RIV, UK

autor

Talamantes-Silva J.

Bibliografia

• Al-Bermani, S. S., Davies, P. S., Chesman, C.. Wynne. B. P.. & Talamantes-Silva, J., 2015, Use of controlled heat treatment to predict mechanical properties in steel components, Ironmaking & Steelmaking, 43, 351-357. American Society of Mechanical Engineers (ASME)., 2013a. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II - Part A, 915-925.
• American Society of Mecnahical Engineers (ASME)., 2013b. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II - Part D, 771-772.
• Caballero. F. G., Capdevila, C.. Andres, C. G. D. E.. 2003. An Attempt to Establish the Variables Thai Most Directly Influence the Austenite Formation Process in Steels, 43. 726-735.
• Carlonc, P., Palazzo, G. S., & Pasquino, R., 2010, Finite element analysis of the steel quenching process: Temperature field and solid-solid phase change. Computers & Mathematics with Applications, 59, 585-594.
• Fernandes, F. M. B.. Denis, S., Simon, A., 1985, Mathematical model coupling phase transformation and temperature evolution during quenching of steels. Materials Science and Technology, 1, 838-844.
• Haverkamp, K. D.. Forch. K.. Piehl, K.-H.. Witte. W.. 1984. Effect of heat treatment and precipitation state on toughness of heavy section Mn-Mo-Ni-steel for nuclear power plants components. Nuclear Engineering and Design, 81, 207-217.
• Howson, M. P., Wynne, B. P., Davies, P. S.. Al-Berman;. S. S.. Talamantes-Silva, J., 2016, A Comparison of Input Dau Used to Represent Phase Transformation - during the Quenching of a Large Nuclear Forging. K-. Materials, 716, 555-565.
• Jhajj, K. S., Slezak. S. R.. Daun. K. J.. 2015. Infeniag Ac specific heat of an ultra high strength steel during the heating stage of hot forming die quenching,inverse analysis. Applied Thermal Engineering, 83, 98-107.
• Kim, J.-T., Kwon. H.-K.. Kim. K.-C., Kim, J.-M., 1997b, Improved mechanical properties of the A 508 class 3 steel for nuclear pressure vessel through steelmaking, Steel Forgings, 2, 18-32.
• Krielaart, G. P., Brakman, C. M., Van Der Zwaag, S., 1996, Analysis of phase transformation in Fe-C alloys using differential scanning calorimetry. Journal of Materials Science, 31, 1501-1508.
• Liu, C. C„ Xu, X. J., Liu, Z„ 2003, A FEM modeling of quenching and tempering and its application in industrial engineering, Finite
• Pan, J., Li, Y., Li, D., 2002, The application of computer simulation in the heat-treatment process of a large-scale bearing roller. Journal of Materials Processing Technology, 122, 241-248.
• Pola, A., Gelfi, M., La Vecchia, G. M.. 2013, Simulation and validation of spray quenching applied to heavy forgings. Journal of Materials Processing Technology, 213, 2247- 2253.
• Pous-Romero, H., Bhadeshia, H. K. D. H., 2014, Continuous Cooling Transformations in Nuclear Pressure Vessel Steels, Metallurgical and Materials Transactions A, 45, 4897-4906.
• Pous-Romero, H„ Lonardelli, I., Cogswell, D„ Bhadeshia. H. K. D. H., 2013, Austenitc grain growth in a nuclear pressure vessel steel. Materials Science and Engineering: A. 567, 72-79.
• Rammerstorfer, F. Ci., Fischer. D. F„ Mitter, W., Bathe, K. J., Snyder, M. D.. 1981, On thermo-elastic-plastic analysis of heat-treatment processes including creep and phase changes, Computers & Structures, 13, 771 -779.
• Song, D. L.Gu, J. F„ Zhang. W. M„ LIU, Y.. Pan, J., 2004. Numerical simulation on temperature and microstructure during quenching process of large-sized AISI P20 steel die blocks, Trans. Mater. Heat Treatment, 25, 740-745.
• Suzuki, K., Kurihara, L. Sasaki, T., Koyoma, Y., Tanaka, Y., 2001, Application of high strength MnMoNi steel to pressure vessels for nuclear power plant. Nuclear Engineering and Design, 206, 261 -277.
• Tewkesbury. IL, Stapley, A. G. F., Fryer. P. J., 2000, Modelling temperature distributions in cooling chocolate moulds. Chemical Engineering Science, 55, 3123 3132.
• Woodard, P. R.. Chandrasekar. S.. Yang, H. T. Y., 1999, Analysis of temperature and microstructure in the quenching of steel cylinders. Metallurgical and Materials Transactions B. 30. 815-822

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).