Modelling and numerical analysis of hardening phenomena of tools steel elements

• Autorzy: Bokota A. , Domański T.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza numeryczna zjawisk hartowania elementów ze stali narzędziowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This research the complex model of hardening of tool steel was shown. Thermal phenomena, phase transformations and mechanical phenomena were taken into considerations. In the modelling of thermal phenomena the heat transfer equations has been solved by Finite Elements Method by Petrov-Galerkin formulations. The possibility of thermal phenomena analysing of feed hardening has been obtained in this way. The diagrams of continuous heating (CHT) and continuous cooling (CCT) of considered steel are used in the model of phase transformations. Phase altered fractions during the continuous heating (austenite) are obtained in the model by formula Johnson-Mehl and Avrami and modified equation Koistinen and Marburger. The fractions ferrite, pearlite or bainite, in the process of cooling, are marked in the model by formula Johnson-Mehl and Avrami. The forming fraction of martensite is identified by Koistinen and Marburger equation and modified Koistinen and Marburger equation. The stresses and strains fields are obtained from solutions by FEM equilibrium equations in rate form. Thermophysical values in the constitutive relations are depended upon both the temperature and the phase content. The Huber-Misses condition with the isotropic strengthening for the creation of plastic strains is used. However the Leblond model to determine transformations plasticity was applied. The numerical analysis of thermal fields, phase fractions, stresses and strain associated deep hardening and superficial hardening of elements made of tool steel were done.

PL

Praca przedstawia kompleksowy model hartowania stali narzędziowej. W rozważaniach uwzględniono zjawiska termiczne, przemiany fazowej i zjawiska mechaniczne. W modelowaniu zjawisk cieplnych równanie przewodnictwa rozwiązano metodą elementów skończonych w sformułowaniu Petrova-Galerkina. Istnieje zatem możliwość analizowania zjawisk hartowania posuwowego. W modelowaniu przemian fazowych wykorzystano wykresy ciągłego nagrzewania CTPa i ciągłego chłodzenia CTPc rozważanej stali. Ułamek fazy przemienionej podczas ciągłego nagrzewania (austenit) wyznaczono w modelu równaniem Johnsona-Mehla i Avramiego oraz zmodyfikowanym równaniem Koistinena i Marburgera. Ułamek ferrytu, perlitu lub bainitu, w procesie chłodzenia, wyznacza się równaniem Johnsona-Mehla i Avramiego. Ułamek martenzytu wyznaczany jest równaniem Koistinena i Marburgera oraz zmodyfikowanym równaniem Koistinena i Marburgera. Pola naprężeń i odkształceń otrzymano z rozwiązania metodą elementów skończonych równań równowagi w formie prędkościowej. Wielkości termofizyczne i związki konstytutywne uzależniono zarówno od temperatury jak i od składu fazowego. Do wyznaczenia odkształceń plastycznych wykorzystano warunek plastyczności Hubera-Misessa ze wzmocnieniem izotopowym. Do wyznaczenia odkształceń transformacyujnych zastosowano model Leblonda. Przeprowadzono analizę numeryczną pól temperatury, przemian fazowych, naprężeń i odkształceń towarzyszących głębokiemu hartowaniu oraz przypowierzchniowemu elementów wykonanych ze stali narzędziowej.

Słowa kluczowe

EN

hardening process of steel; numerical analysis

PL

hartowanie stali; stal narzędziowa; analiza numeryczna

• 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: 2009
• Tom: Vol. 54, iss. 3
• Strony: 575--587
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Bokota A.

autor

Domański T.

• INSTITUTE OF COMPUTER AND INFORMATION SCIENCES

Bibliografia

• [1] A. J. Fletcher, Thermal Stress and Strain Generation in Heat Treatment, Elsevier, London (1989).
• [2] M. Coret, A. Combescure, A mesomodel for the numerical simulation of the multiphasic behavior of materials under anisothermal loading (application to two low-carbon steels), International Journal of Mechanical Sciences 44, 1947-1963 (2002).
• [3] M. Pietrzyk, Through-process modelling of microstructure evolution in hot forming of steels, Journal of Materials Technology 125-126, 53-62 (2002).
• [4] J. Ronda, G. J. Oliver, Consistent thermo-mechanical-metallurgical model of welded steel with unified approach to derivation of phase evolution laws and transformation-induced plasticity, Computer Methods Applied mechanics and engineering 189, 361-417 (2000).
• [5] M. Coret, S. Calloch, A. Combescure, Experimental study of the phase transformation plasticity of 16MND5 low carbon steel induced by proportional and nonproportional biaxial loading paths. European Journal of Mechanics A/Solids 23, 823-842 (2004).
• [6] W. Piekarska, Numerical analysis of thermomechanical phenomena during laser welding process. The temperature fields, phase transformation and stresses, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa (2007), (in polish).
• [7] T. Domanski, Numerical modelling of surface hardening elements of steel. PhD Thesis, Czestochowa (2005), (in polish).
• [8] A. Bokota, T. Domanski, Numerical analysis of thermo-mechanical phenomena of hardening process of elements made of carbon steel C80U, Archives of Metallurgy and Materials Issue 2, 52, 277-288 (2007).
• [9] A. Bokota, A. Kulawik, Model and numerical analysis of hardening process phenomena for medium-carbon steel, Archives of Metallurgy and Materiale Issue 2, 52, 337-346 (2007).
• [10] L. Huiping, Z. Guoqun, N. Shanting, H. Chuanzhen, FEM simulation of quenching process and experimental verification of simulation results, Material Science and Engineering A 452-453, 705-714 (2007).
• [11] A. Bokota, W. Piekarska, Modeling of residual stresses in laser welding. The Paton Welding Journal 6, 19-25 (2008).
• [12] L. Taleb, F. Sidoroff, A micromechanical modelling of the Greenwood-Johnson mechanism in transformation induced plasticity, International Journal of Plasticity 19, 1821-1842 (2003).
• [13] M. Cherkaoui, M. Berveiller, H. Sabar, Micromechanical modeling of martensitic transformation induced plasticity (TRIP) in austenitic single crystals, International Journal of Plasticity, 14, 7, 597-626 (1998).
• [14] O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, The Finie element method, Butterworth-Heinemann, Fifth edition, 1,2,3, (2000).
• [15] K. J. Lee, Characteristics of heat generation during transformation in carbon steel. Scripta Materialia 40, 735-742 (1999).
• [16] S. Serejzadeh, Modeling of temperature historyk and phase transformation during cooling of steel, Journal of Processing Technology 146, 311-317 (2004).
• [17] E. P. Silva, P. M. C. L. Pacheco, M. A. Savi, On the thermo-mechanical coupling in austenite-martensite phase transformation related to the quenching process, International Journal of Solids and Structures 41, 1139-1155 (2004).
• [18] M. Białecki, Characteristic of steels, seria F, tom I, Wydawnictwo Śląsk 108-129, 155-179 (1987) (in polish).
• [19] D. Y. Ju, W. M. Zhang, Y. Zhang, Modeling and experimental verification of martensitic transformation plastic behavior in carbon steel for quenching process, Material Science and Engineering A 438-440, 246-250 (2006).
• [20] J. Jasiński, Influence of fluidized bed on diffusional processes of saturation of steel surface layer. Seria: Inżynieria Materiałowa Nr 6, Wydawnictwo WIPMiFS, Częstochowa (2003), (in polish).