The application of Thermodynamic calculations for the semi-solid processing design

• Autorzy: Sołek K. , Kuziak R. M. , Karbowniczek M.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie obliczeń termodynamicznych do projektowania procesów formowania w stanie stało-ciekłym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Semi-solid metal processing is now a commercially successful manufacturing route producing lots of near net-shape parts. One member of such processing technologies is thixoforming which is based on the special behaviour of alloys with non-dendritic microstructure in the partially liquid state. The semi-solid processing design requires the use of faithful values of thermodynamic material properties. Thermodynamic modelling is a potential tool for predicting alloy compositions suitable for thixoforming. Thixoformable alloys must have a wide melting range with some additional feature. Namely, the slope of the curve of the liquid fraction versus the temperature should be low at the liquid fraction value of 40%. The data from thermodynamic calculations might be also applied in the industrial thixoforming processes design. It is very helpful to find different thermal properties of alloys in order to simulate precisely the temperature distribution inside the formed materials. The thermodynamic calculations allow one to find the heat transfer coefficient, the specific heat value and the latent heat value. The purpose of the present paper is to provide examples of the numerical modelling of the thermodynamic properties for commercial, industrial Al alloys. All the calculations in the present work are performed using JMatPro software. The determination of the phase composition for multi-component alloys is originally based on the Gibbs energy minimisation. Furthermore, the conditions of the non-equilibrium solidification are determined using the Scheil-Gulliver equation. An additional advantage of the software used is the possibility of calculation of the formation conditions for metastable phases which have also an influence on the mechanical properties of the alloys.

PL

Procesy przetwórstwa metali w stanie stało-ciekłym są nową, sprawdzoną komercyjnie, metodą precyzyjnego kształtowania dużej ilości elementów. Przykładem takiej technologii jest formowanie tiksotropowe, właściwością którego jest specyficzne zachowanie formowanych stopów posiadających niedenndrytyczną mikrostrukturę w częściowo ciekłym stanie. Projektowanie procesów formowania w stanie stało-ciekłym wymaga użycia prawidłowych wartości własności termodynamicznych materiałów. Modelowanie termodynamiczne jest potencjalnym narzędziem opracowania składu chemicznego stopów odpowiednich dla formowania tiksotropowego. Tiksoformowalne stopy muszą posiadać szeroki zakres temperatur krzepnięcia. Ponadto, nachylenie krzywej ułamka fazy ciekłej w zależności od temperatury powinno być jak najmniejsze dla wartości 40% tego ułamka. Wyniki obliczeń termodynamicznych mogą mieć również zastosowanie w trakcie projektowania przemysłowych procesów formowania tiksotropowego. W szczególności symulacje rozkładu temperatury wewnątrz formowanego materiału wymagają znajomości wartości jego właściwości termo-fizycznych. Obliczenia termodynamiczne pozwalają, między innymi, wyznaczyć współczynnik wymiany ciepła, ciepło właściwe czy ciepło przemiany fazowej. Celem tej pracy jest przedstawienie przykładów zastosowania modelowania numerycznego własności termodynamicznych przemysłowych stopów aluminium. Wszystkie obliczenia zostały wykonane z wykorzystaniem oprogramowania JMatPro. Wyznaczenie składu fazowego dla wieloskładnikowych stopów zostało oparte na minimalizacji energii Gibbs’a. Ułamek fazy ciekłej w warunkach nierównowagowego krzepnięcia został wyznaczony w oparciu o równanie Scheil-Gulliver’a. Dodatkową zaletą wykorzystanego oprogramowania jest możliwość przewidywania warunków powstawania metastabilnych faz, które maja wpływ na właściwości mechaniczne stopów.

Słowa kluczowe

EN

computer simulation; thermodynamic calculations; aluminium alloys; phase change; thixoforming; rheology

PL

symulacja komputerowa; stopy aluminium; przemiana fazowa; tiksotropia; reologia

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, iss. 1
• Strony: 25--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sołek K.

autor

Kuziak R. M.

autor

Karbowniczek M.

• Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, AGH University of Science and Technology, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30, Poland

Bibliografia

• [1] A. M. Camacho, H. V. Atkinson, P. Kapranos, B. B. Argent, Thermodynamic prediction of wrought alloy compositions to semi-solid processing, Acta Materialia 51, 2319-2330 (2003).
• [2] D. Liu, H. V. Atkinson, H. Jones, MTDATA thermodynamic prediction of suitability of alloys for thixoforming, Proc. 8th Int. Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus (2004) CD-ROM.
• [3] N. Saunders, X. Li, A. P. Miodownik, J.-P. Schillé, Modelling of the thermo-physical and physical properties for solidification of Al-alloys, in: P. Crepeau (Eds.), Light Metals 2003 TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2003.
• [4] E. Scheil, Über die Eutektische Kristallisation, Zeitschrift f¨ur Metallkunde 34, 70 (1942).
• [5] A. Krupkowski, A general solution of the equation characterizing the crystallization process in binary alloys of dendritic type, Bulletin of the Polish Academy of Science, Technical Science 13, 61-66 (1965).
• [6] T. Himemiya, W. Wolczynski, Solidification path and solute redistribution of an iron-based multi-component alloy with solute diffusion in the solid, Materials Transactions 43, 2890-2896 (2002).
• [7] K. Solek, Z. Mitura, R. Kuziak, P. Kapranos, The use of ADINA software to simulate of thixocasting processes, Solid State Phenomena 116-117, 626-629 (2006).
• [8] K. Solek, Numerical simulation of thixotropic die filling for aluminium and magnesium alloys, PhD thesis (in Polish), Kraków: AGH University of Science and Technology (2004).
• [9] R. H. Wagoner, J. L. Chenot, Fundamentals of Metal Forming, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997.
• [10] R. H. Wagoner, J. L. Chenot, Metal Forming Analysis, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
• [11] J. L. Chenot, M. Bellet, The Viscoplastic Approach for the Finite-Element Modelling of Metal-Forming Processes, in: P. Hartley, I. Pillinger, C. Sturgess (Eds.), Numerical Modelling of Material Deformation Processes, Springer-Verlag, 179-224 London 1992.
• [12] J. N. Reddy, D. K. Gartling, The Finite Element Method in Heat Transfer and Fluid Dynamics, CRC Press, London 2001.
• [13] R. W. Lewis, K. Ravindran, Finite element simulation of metal casting, Int. J. Numer. Meth. Engng. 47, 29-59 (2000).