Analiza numeryczna naprężeń w elemencie maszynowym ze stali C90U generowanych procesem hartowania

• Autorzy: Bokota A. , Jasiński J.

Warianty tytułu

EN

Numerical analysis of stresses in C90U steel machine element generated by hardening process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono modele zjawisk cieplnych, przemian fazowych i naprężeń z przeznaczeniem do analizy procesu hartowania. W modelu przemian fazowych procesu nagrzewania wykorzystano wykres ciągłego nagrzewania (CTPa), natomiast w procesie chłodzenia – wykres ciągłego chłodzenia (CTPc) rozważanej stali. Ułamki faz dyfuzyjnych określano z równania Johnsona‑ -Mehla-Avrami’ego. Udział martenzytu wyznaczano ze zmodyfikowanego równania Koistinena-Marburgera. W modelu zjawisk mechanicznych, oprócz odkształceń cieplnych, plastycznych i strukturalnych, uwzględniono również odkształcenia transformacyjne. Stałe termofizyczne związków konstytutywnych zależą od temperatury i składu fazowego. Do wyznaczania odkształceń plastycznych zastosowano prawo nieizotermicznego plastycznego płynięcia ze wzmocnieniem kinematycznym i warunkiem plastyczności Hubera-Misesa. Do wyznaczania odkształceń transformacyjnych zastosowano zmodyfikowany model Leblonda. Pola naprężeń i odkształceń uzyskuje się z rozwiązania metodą elementów skończonych równań równowagi w formie prędkościowej. Analizę numeryczną naprężeń towarzyszących hartowaniu warstwy wierzchniej wykonano dla kła tokarki ze stali narzędziowej C90U.

EN

Numerical models of tool steel that take into account thermal phenomena, phase transformations and stresses are presented to analyze the quenching process. In the model of phase transformations, continuous heating (CHT) was applied in the heating process, whereas in the cooling process, continuous cooling (CCT) of the steel was used. The diffusional phase fractions are determined by using Johnson-Mehl-Avrami formulas. The fraction of martensite is determined by means of the modified Koistinen and Marburger formula. In the model of mechanical phenomena, apart from thermal, plastic and structural strains, transformation strains were also taken into account. The thermophysical constants occurring in a constitutive relation depend on the temperature and phase composition. For the determination of a plastic strain, the Huber-Misses yield condition with kinematic hardening was applied. For the determination of transformation strains, the modified Leblond model was used. The stress and strain fields are obtained by using the solution of the Finite Elements Method of the equilibrium equation in the rate form. The numerical analysis of associated stresses after the process of hardening the surface layer of a lathe spindle made of C90U tool steel was carried out.

Słowa kluczowe

PL

hartowanie; przemiany fazowe; naprężenia; modelowanie numeryczne

EN

quenching; phases transformation; stresses; numerical modelling

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 1
• Strony: 13--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Bokota A.

• Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej, Politechnika Częstochowska

autor

Jasiński J.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Częstochowska

Bibliografia

• [1] Kang S. H., Im Y. T.: Thermo-elesto-plastic finite element analysis of quenching process of carbon steel. International Journal of Mechanical Sciences 49 (2007) 13÷16.
• [2] Kang S.-H., Im Y. T.: Finite element investigation of multiphase transformation within carburized carbon steel. Journal of Materials Processing Technology 183 (2007) 241÷248.
• [3] Domański T.: Modelowanie numeryczne powierzchniowego hartowania elementów stalowych. Praca doktorska, Częstochowa (2005)
• [4] Silva E. P., Pacheco P. M. C. L., Savi M. A.: On the thermomechanical coupling in austenite-martensite phase transformation related to the quenching process. International Journal of Solids and Structures 41 (2004) 1139÷1155.
• [5] Bokota A., Domański T.: Numerical analysis of thermomechanical phenomena of hardening process of elements made of carbon steel C80U. Archives of Metallurgy and Materials 2 (52) (2007) 277÷288.
• [6] Bokota A., Domański T.: Modelling and numerical analysis of hardening phenomena of tools steel elements. Archives of Metallurgy and Materials 3 (54) (2009) 499÷511.
• [7] Ju D. Y., Zhang W. M., Zhang Y.: Modelling and experimental verification of martensitic transformation plastic behaviour in carbon steel for quenching process. Material Science and Engineering A 438-440 (2006) 246÷250.
• [8] Zienkiewicz O. C., Taylor R. L.: The finite element method. Butterworth- Heinemann, Fifth edition, vol. 1÷3 (2000).
• [9] Coret M., Combescure A.: A mesomodel for the numerical simulation of the multiphasic behaviour of materials under anisothermal loading (application to two low-carbon steels). International Journal of Mechanical Sciences 44 (2002) 1947÷1963.
• [10] Huiping L., Guoqun Z., Shanting N., Chuanzhen H.: FEM simulation of quenching process and experimental verification of simulation results. Material Science and Engineering A 452-453 (2007), 705-714.
• [11] Białecki M.: Charakterystyki stali, seria F, tom I. Wydawnictwo Śląsk (1987) 108÷129, 155÷179.
• [12] Cherkaoui M., Berveiller M., Sabar H.: Micromechanical modelling of martensitic transformation induced plasticity (TRIP) in austenitic single crystals. International Journal of Plasticity 14 (7) (1998) 597÷626.
• [13] Taleb L., Sidoroff F.: A micromechanical modelling of the Greenwood- Johnson mechanism in transformation induced plasticity. International Journal of Plasticity 19 (2003) 1821÷1842.
• [14] Suliga M., Muskalski Z.: The influence of single draft on TRIP effect and mechanical properties of 0.09C-1.57Mn-0.9Si steel wires. Archives of Metallurgy and Materials 3 (54) (2009) 677÷684.
• [15] Oliveira W. P., Savi M. A., Pacheco P. M. C. L., Souza L. F. G.: Thermomechanical analysis of steel cylinders with diffusional and non-diffusional phase transformations. Mechanics of Materials 42 (2010) 31÷43.
• [16] Jasiński J.: Oddziaływanie złoża fluidalnego na procesy nasycania dyfuzyjnego warstwy wierzchniej stali. Seria: Inżynieria Materiałowa nr 6, Wydawnictwo WIPMiFS, Częstochowa (2003).
• [17] Bokota A., Iskierka S.: Numerical analysis of phase transformation and residual stresses in steel cone-shaped elements hardened by induction and flame methods. International Journal of Mechanical Sciences 40 (6) (1998) 617÷629.
• [18] Raniecki B., Bokota A., Iskierka S., Parkitny R.: Problem of determination of transient and residual stresses in a cylinder under progressive induction hardening. Proceedings of 3rd International Conference On Quenching And Control Of Distortion. Published by ASM International (1999) 473÷484.