Application of the diffusion equation to modeling phase transformation during cooling of pearlitic steel

• Autorzy: Pernach, M.

Warianty tytułu

PL

Możliwości zastosowania rozwiązania równania dyfuzji do modelowania przemiany fazowej podczas chłodzenia stali perlitycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Exploitation properties of rails are formed by controlled heat treatment of the head of the rail carried out after rolling. Complex cooling schedules have to be applied to obtain required microstructure and properties of rail steels. Design of these cooling schedules should be supported by numerical simulation. This, however, requires advanced phase transformation models which are able to predict not only average parameters of the microstructure but also morphology of the pearlite and carbon distribution in this structural component. Therefore, numerical model of pearlitic transformation is proposed in this work. The model was based on the solution of the carbon diffusion equation. The boundary conditions were determined assuming local thermodynamic equilibrium. Location of the interface in each time step was predicted from the condition of mass conservation. The created model allowed determining of the interlamellar spacing and carbon distribution in austenite for different cooling cycles. The results of analysis can be used to predict the strength and hardness of the steel.

PL

Własności wytrzymałościowe szyn kształtowane są na drodze kontrolowanego procesu obróbki cieplnej główki szyny prowadzonej po procesie walcowania. Aby uzyskać wymaganą mikrostrukturę i własności stali należy zastosować złożone cykle cieplne. Zaprojektowanie tych cykli powinno być wspierane numerycznym modelowaniem, co wymaga zastosowania zaawansowanych modeli przemian fazowych. Modele takie powinny przewidywać nie tylko średnie parametry mikrostruktury, ale także morfologię perlitu i rozkład stężenia węgla. W pracy przedstawiono model przemiany perlitycznej zachodzącej podczas kontrolowanego chłodzenia. Model ten oparto na rozwiązaniu równania dyfuzji z ruchomą granicą międzyfazową. Warunki brzegowe modelu wyznaczono na podstawie lokalnej równowagi termodynamicznej. Model pozwolił na określenie wielkości płytek cementytu i ferrytu, oraz rozkładu stężenia węgla w austenicie dla różnych cykli chłodzenia. Otrzymane wyniki mogą posłużyć do określenia twardości i wytrzymałości stali.

Słowa kluczowe

EN

rails; pearlitic steel; pearlitic transformation; numerical modelling; diffusion

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 14, No. 4
• Strony: 228--235
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Pernach, M.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland ,

Bibliografia

• Aaronson, H.I., Enomoto, M., Lee, J.K., 2010, Mechanisms of diffusional phase transformations in metals and alloys, CRC Press.
• Ackert, R.J., Nott, M.A., 1987, Accelerated water cooling of railway rails in-line with the hot rolling mill, Proc. Symp. Accelerated Cooling of Rolled Steels, eds, Ruddle, G.E., Crawley, A.F., Pergamon Press, Winnipeg, 359-372.
• Agren, J., 1986, A revised expression for diffusivity of carbon in binary Fe-C austenite, Scripta Metallurgica et Materialia, 20,1507-1510.
• Brown, L.M., Ham, R.K., 1971, Strengthening methods in crystals, Applied Science Publ, London, UK
• Capdevila, C, Caballero, F.G., Garci'a de Andre's, C, 2002, Kinetics model of isothermal pearlite formation in a 0.4C-1.6 Mn steel, Acta Materialia, 50, 4629-4641.
• Herian, J., Aniołek, K., 2010, Abrasive wear of railway sections of steel with a different pearlite morphology in railroad switches, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 43, 236-243.
• Kuziak, R., Zygmunt, T., 2013, A new method of rail head hardening of standard-gauge rails for improved wear and damage resistance, Steel Research International, 84, 13-19.
• Kuziak, R., Molenda, R., Wrożyna, A., Kusiak, J., Pietrzyk, M., 2014, Experimental verification and validation of the phase transformation model used for optimization of heat treatment of rails, Computer Methods in Materials Science, 14, 53-63.
• Nakajima, K., Apel, M., Steinbach, I., 2006, The role of carbon diffusion in ferrite on the kinetics of cooperative growth of pearlite: A multi-phase field study, Acta Materialia, 54, 3665-3672.
• Offerman, S.E., van Wilderen, L.J.G.W., van Dijk, N.H., Si-etsma, J., Rekveldt, M.T., van der Zwaag, S., 2003, In-situ study of pearlite nucleation and growth during isothermal austenite decomposition in nearly eutectoid steel, Acta Materialia, 51, 3927-3938.
• Pandit, AS., Bhadeshia, H.K.D.H., 2011, Mixed diffusion-controlled growth of pearlite in binary steel, Proc. Royal Society A,2011, 467, 508-521.
• Pietrzyk, M., Kuziak, R., 2012, Numerical simulation controlled cooling of rails as a tool for optimal design of his process, Computer Methods in Materials Science, 12, 233-243.
• Pohanka, M., Kotrbaćek, P., 2012, Design of cooling units for heat treatment, in: heat treatment conventional and applications, Proc. Int. Conf. on Innovative Technologie IN-TECH, Rijeka, 1-20.
• Sahay, S.S., Mohapatra, G., Totten, G.E., 2009, Overview of pearlitic rail steels: accelerated cooling, quenching, microstructure and mechanical properties, Journal of ASTMInternational, 6, 1-26.
• Szeliga, D., Kuziak, R., Zygmunt, T., Kusiak, J., Pietrzyk, M., 2014, Selection of parameters of the heat treatment thermal cycle for rails with respect to the wear resistance, Steel Research International, 85, 6, 1070-1082.
• Vasilyev, A.A., Sokolov, D.F., Kolbasnikov, N.G., Sokolov, S.F., 2012, Modeling of the γ →α transformation in steels, Physics of the Solid State, 54, 1669-1680.
• Wells, C, Batz, W., Mehl, R.F., 1950, Diffusion coefficient of carbon in austenite, Transactions AIME, 188, 3, 553-560.