Symulacja MES obróbki cieplnej wyrobów stalowych z uwzględnieniem zjawisk termometalurgicznych. Cz. 1. Nieustalony przepływ ciepła i przejścia fazowe

• Autorzy: Jemioło S. , Gajewski M.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca składa się z dwóch części. Część l dotyczy zagadnień związanych z opisem nieustalonego przepływu ciepła występującego w trakcie procesów obróbki cieplnej oraz łączenia metali technicznych i stopów metali. W podstawowych równaniach nieustalonego przepływu ciepła, sformułowanych w ramach termodynamiki ośrodków ciągłych, uwzględniono przejścia fazowe, stosując teorię mieszanin. Przedyskutowano dwa podejścia, które wynikają z odpowiednich równań bilansu energii wewnętrznej albo entalpii. Mieszanina składa się z kilku izotropowych faz materiału o różnych udziałach objętościowych, a właściwości termiczne każdej/ fazy opisane są nieliniowym związkiem Fouriera. Wyróżniono przejścia fazowe związane ze zmianą stanu skupienia metalu oraz zmianą jego mikrostruktury. Przejścia typu pierwszego uwzględnia się przez odpowiednie zdefiniowanie ciepła właściwego wraz z utajonym ciepłem przemiany (albo funkcji entalpii) w równaniach bilansu, przejścia zaś typu drugiego, o charakterze dyfuzyjnym i bezdyfuzyjnym, opisują relacje kinetyczne. W pracy dyskutowane są relacje kinetyczne wynikające z różnych - stosowanych w literaturze - metalurgicznych modeli przemian fazowych. Relacje te definiują między innymi kierunki przemian fazowych oraz ich kinematykę. Równania kinetyczne tworzą układ równań różniczkowych, których współczynniki zależne są między innymi od temperatury i jej prędkości oraz od czasu przemiany. Wobec tego procesy rozpatrywane w pracy nie są ani izotermiczne, ani nie odbywają się przy stałej prędkości zmian temperatury. Pominięto sprzężenie termiczno-dyfuzyjne, co oznacza, że nie uwzględnione zostały potencjały chemiczne, czyli skład chemiczny metali jest dany i nie ulega zmianie. Występuje jednak pełne sprzężenie efektów cieplnych i przemian fazowych, co prowadzi do złożonej procedury przygotowywania danych termiczno-metalurgicznych. Przedstawione podejście fenomenologiczne może być stosowane między innymi w zagadnieniach obróbki cieplnej metali technicznych i stopów metali o strukturze poi ikry stal icznej. Omawiane zagadnienia szeroko ilustruje cytowana literatura w zastosowaniu do różnych metali i stopów metali, niemniej jednak w tej pracy rozpatrzono tylko stal, a w odniesieniu do wybranych jej gatunków zaprezentowano sposób przygotowania danych termiczno-me-talurgicznych. Dane te wykorzystano w części 2 pracy, gdzie zamieszczone są przykłady rozwiązań numerycznych zadań brzegowo-początkowych. W części 2 zastosowano metodę elementów skończonych i program SYSWELD. Druga, aplikacyjna część pracy jest punktem wyjścia do analizy sprzężonych efektów termiczno-metalurgicznych z polami mechanicznymi w wyrobach stalowych.

EN

This work consists of two parts. The first part concerns problems connected with the description of unsteady heat flow occurring in the heat treatment or welding processes of technical metals and metal alloys. Phase change phenomena is included in basic equations of unsteady heat flow, and formulated within the thermodynamics of irreversible processes framework using the concept of mixture theory. Two approaches resulting from balance equations relating to internal energy or enthalpy were discussed. The thermal properties of isotropic constituent mixtures obey nonlinear Fourier law. Two types of phase changes are considered (e.g. solid-liquid or liquid-solid and microstructural). The first type of phase changes are included in the analysis by appropriate definition of specific heat with latent heat (or the enthalpy function) in balance equations while the second type called diffusional or diffusionlles phase transformations are described by kinetic equations. Kinetic equations from metallurgical models widely presented in literature are discussed in detail. Kinetic equations, roughly speaking, define the direction of the transformations, their kinetics and are given as a system of differential equations, which coefficients depend on temperature, temperature velocity and transformation time. The processes considered in this work in general are neither isothermal nor ongoing with constant temperature rate. Coupling of thermal and diffusional effects is ignored, assuming that the chemical composition of steel is known at the beginning and unchanged during whole process. In contrast, the coupling of heat flow and phase change phenomena is strong and results in a complicated procedure for preparing thermo-metallurgical data. The presented phenomenological approach is appropriate for heat treatment issues for technical metal alloys and polycrystalline metals, and only steel is considered in detail in this paper. A detailed way of preparing thermo-metallurgical data for finite element simulation is shown herein, and utilized in the second part of work. The second part of the work is addressed to the problem of the analysis of coupled thermo-metallurgical effects with mechanical fields in steel elements.

Słowa kluczowe

PL

obróbka cieplna; zjawisko termometalurgiczne; wyroby stalowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Budownictwo
• Rocznik: 2005
• Tom: z. 143
• Strony: 5--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 53 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Jemioło S.

• Instytut Mechaniki Konstrukcji Inżynierskich, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska

autor

Gajewski M.

• Instytut Mechaniki Konstrukcji Inżynierskich, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie, właściwości i zastosowania. WNT, Warszawa 1995.
• [2] Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie, kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów. WNT, Warszawa 1996.
• [3] Avrami M.: Kinetics of phase change. I: General theory. J. Phase Change, 7, 1939, pp. 1103-1112.
• [4] Avrami M.: Kinetics of phase change. II: Transformation-time relations for random distribution of nuclei. J. Phase Change, 8, 1940, pp. 212-224.
• [5] Avrami M.: Kinetics of phase change. III: Granulation, phase change and microstructure. J. Phase Change, 9, 1941, pp. 177-184.
• [6] Bokota A., Iskierka S.: Numerical prediction of the hardened zone in laser treatment of carbon steel. Acta Mater., 2, 1996, pp. 445-450.
• [7] Braszczyński J.: Teoria procesów odlewniczych. PWN, Warszawa 1989.
• [8] Brownrigg A., Prior G.K.: Hardenability reduction in VN microalloyed eutectoid steels. Scripta Materialia, 46, 2002, pp. 357-361.
• [9] Chen S.G., Wng Ch.-I, Lin I.: Inverse estimation of transient temperature distribution in the end quenching test. J. Materials Processing Technology, 86, 1999, pp. 257-263
• [10] Claudion S., Lamesle P., Orteu J.J., Fortunier R.: Continuous in situ measurement of quenching distortions using computer vision. J. Materials Processing Technology, 100, 2000, pp. 156-162.
• [11] Cota A.B., Barbosa R., Santos D.B.: Simulation of the controlled rolling accelerated cooling of a bainitic steel using torsion testing. J. Materials Processing Technology, 100, 2000, pp. 156-162.
• [12] Cota A.B., Santos D.B.: Microstructural characterization of bainitic steel submitted to torsion testing and interrupted accelerated cooling. Materials Characterization, 44, 2000, pp. 291-299.
• [13] Czyrski W., Pilarczyk J.: Spawanie stali. PWT, Warszawa 1960.
• [14] Danielewicz-Ferchmin I., Ferchmin A.R.: Ciepło. Część I. Termodynamika. Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1999.
• [15] Danielewicz-Ferchmin I., Ferchmin A.R.: Ciepło. Część II. Bodźce i przepływy, równanie stanu, rozkłady kanoniczne. Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 2000 .
• [16] de Andrés C.G., Caballero F.G., Capdevila C., Bhadeshia H.K.D.H.: Modelling of kinetics and dilatometric behavior of non-isothermal perlite-to-austenite transformation in an eutectoid steel. Scripta Materialia, 36, 6, 1998, pp. 791-796.
• [17] El-Humidi A., Ajdukiewicz C., Gajewski M., Jemioło S.: Badania doświadczalne i symulacja numeryczna testu twardości Brinella. XLIX Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, "Krynica 2003" - Problemy naukowo-badawcze budownictwa. Tom II, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa-Krynica 2003, str. 41-48.
• [18] Faleiros A.C., Rabelo T.N., Thim G.P., Oliveira M.A.S.: Kinetics of phase change. Materials Research, 3, 3, 2000, pp. 51-60 .
• [19] Fraś E.: Krystalizacja metali i stopów. PWN, Warszawa 1992.
• [20] Grong Ø., Dahle A.K., Onsøinen M.I., Amberg L.: Analytical modelling of equiaxed solidification. Acta Mater., 46, 14, 1998, pp. 5045-5052.
• [21] Grong Ø., Shercliff H.R.: Microstructural modelling in metals processing. Progress in Materials Science, 47, 2002, pp. 163-282.
• [22] Grum J., Božič S., Zupančič M.: Influence of quenching process parameters on residual stresses in steel. J. Materials Processing Technology, 114, 2001, pp. 57-70.
• [23] Guan Y.H., Chen T.L., Wang H.G., Zhang J.T.: The prediction of the mechanical properties of metal during laser quenching. J. Materials Processing Technology, 63, 1997, pp. 614-617.
• [24] Romberg D.: A numerical simulation of the Jominy end-quench test. Acta Mater., 44, 11, 1996, pp. 4375-4385.
• [25] Jemioło S.: O prawie Fouriera i jego uogólnieniach. XI polsko-rosyjskie seminarium, Teoretyczne podstawy budownictwa, B. Rymsza [red.]. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2002, str. 47-54.
• [26] Jemioło S., Gajewski M.: Analiza MES przepływu ciepła w materiałach anizotropowych z nieliniowym prawem Fouriera. Konferencja: Polska mechanika u progu XXI wieku, W. Szcześniak [red.], Kazimierz Dolny-Warszawa, listopad 2001. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2001, s. 249-260.
• [27] Jemioło S., Gajewski M.: Symulacja numeryczna przejść fazowych w stali z zastosowaniem programu MES SYSWELD. Theoretical Foundations of Civil Engineering, Polish-Ukrainian Transactions, W. Szcześniak [red.], Warszawa 2002, str. 211-222.
• [28] Jemioło S., Gajewski M.: Symulacja MES obr6bki cieplnej wyrobów stalowych z uwzględnieniem zjawisk termometalurgicznych, Część 2. Przykłady numeryczne z zastosowaniem programu SYSWELD. Prace Naukowe, Budownictwo, z. 143, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2005.
• [29] Jemioło S., Giżejowski M.: Modele konstytutywne ze zmiennymi wewnętrznymi do opisu zachowania się stali. Cz. 1. Podstawy termodynamiczne. Cz. 2: Modele lepkoplastyczności i plastyczności. Prace Naukowe, Budownictwo, z. 138, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2001, str. 99-150.
• [30] Jones S.J., Bhadeshia H.K.D.H.: Kinetics of the simultaneous decomposition of austenite into several transformation products. Acta Mater., 45, 7, 1997, pp. 2911-2920.
• [31] Kucharski S., Identyfikacja własności i ewolucja stanu technologicznej warstwy wierzchniej elementów obciążonych monotonicznie i cyklicznie. Prace IPPT 4/2002.
• [32] Lancaster J.F.: Metallurgy of welding. Third edition. George ALLEN & UNWIN, London 1980.
• [33] Leblond J.B., Devaux J.: A new kinetic model for anisothermal metallurgical transformations in steels including effect of austenite grain size. Acta Metall., 32, 1, 1984, pp. 137-146.
• [34] Leblond J.B., Mottet G., Devaux J.: A theoretical and numerical approach to the plastic behavior of steels during phase transformations. I: Derivation of general relations, II: Study of classical plasticity for ideal plastic phases. J. Mech. Phys. Solids, 34, 4, 1986, pp. 395-409, 411-432.
• [35] Le Masson P., Loulou T., Artioukhine E., Rogeon P., Carron D., Quemener J.-J.: A numerical study for the estimation of convection heat transfer coefficient during a metallurgical ''Jominy end-quench'' test. Int. J. Therm. Sci., 41, 2002, p. 517-527.
• [36] Lusk M., Jou H.-J.: On the rule of additivity in phase transformation kinetics. Metallurgical and Material Transactions, 28A, 1997, pp. 287-291.
• [37] Madariaga I., Gutiérrez I., García-de Andrés, Capdevila C.: Acicular ferrite formation in a medium carbon steel with a two stage continuous cooling. Scripta Materialia, 41, 3, 1999, pp. 229-235.
• [38] Noyebi A., El Abdi R., Bartier O., Mauvoisin G.: Hardness profile analysis of elasto-plastic heat-treated steels with a gradient in yield strength. Materials Science and Engineering, A333, 2002, pp. 160-169.
• [39] Nowacki W., Olesiak Z.S.: Termodyfuzja w ciałach stalych. PWN, Warszawa 1991.
• [40] Nye J.F.: Własności fizyczne kryształów w ujęciu tensorowym i macierzowym. PWN, Warszawa 1962.
• [41] Oliver G.J.: A mathematically consistent fully coupled thermo-mechano-metallurgical model of welding. IFTR PAS (rozprawa doktorska), Warszawa 1999.
• [42] Pense A.W.: Iron through the ages. Materials Characterization, 45, 2000, pp. 353-363.
• [43] Perloma E.V., Hodgson P.D.: The effect of transformation path on the final microstructure of high- and low-silicon 0.1 wt. % C steels. Materials Science and Engineering, A251, 1998, pp. 30-39.
• [44] Porter D.A., Easterling K.E.: Phase transformations in metals and alloys. Second edition, Chapman & Hall, London-Madras 1992.
• [45] Rońda J., Oliver G.J.: Consistent thermo-mechano-metallurgical model of welded steel with unified approach to derivation of phase evolution laws and transformation-induced plasticity. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 189, 361-417, 2000.
• [46] Shiue R.K., Lan K.C., Chen C.: Toughness and austenite stability of modified 9Cr-1Mo welds after tempering. Materials Science and Engineering, A287, 2000, pp. 10-16.
• [47] Šilhavy' M.: The mechanics and thermodynamics of continuous media. Springer, Berlin-Tokyo 1997.
• [48] SYSTUS™ 2000. Heat Transfer Reference Manual. ESI Group, The Virtual Try-Out Space Company.
• [49] SYSWELD™ 2003. Reference Manual. ESI Group, The Virtual Try-Out Space Company.
• [50] SYSWELD™ 2000. Example Manual. ESI Group, The Virtual Try-Out Space Company.
• [51] Truesdell C.: The tragicomedy of classical thermodynamics. CISM 70, Udine, Springer, Wien-New York 1971.
• [52] Wilmański K.: Podstawy termodynamiki fenomenologicznej. PWN, Warszawa 1974.
• [53] Zhao J.-C., Notis M.R.: Continuous cooling transformation kinetics versus isothermal transformation kinetics of steels: a phenomenological -rationalization of experiment observations. Reports: A Review Journal. Materials Science and Engineering, R15, 1995. pp. 135-208.