MAKROSKOPOWY MODEL PRZEMIAN FAZOWYCH W STALI C45

Transkrypt

1 41/22 rchives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 rchiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PN Katowice PL ISSN MKROSKOPOWY MODEL PRZEMIN FZOWYCH W SLI C45. KULWIK 1,. BOKO 2 Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukci Maszyn, Politechnika Częstochowska, Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 73 SRESZCZENIE W pracy przedstawiono model numeryczny przemian fazowych w stanie stałym towarzyszących obróbce cieplne elementów ze stali C45. Obliczanie ułamków faz oparto na równaniach vramiego i Koistinena-Marburgera, wykorzystuąc wykresy ciągłego nagrzewania (CPa) i ciągłego chłodzenia (). W modelu uwzględniono wpływ temperatury yzaci na kinetykę przemian. Wykonano symulace numeryczne wyznaczaąc udziały powstałych faz oraz eksperymentalne weryfikuące opracowany model numeryczny. Key words: phase transformations, numerical simulation, CC diagram 1. WSĘP Przemiany fazowe w stalach w stanie stałym są podstawą technologii związane z obróbką cieplną. Są to procesy trudne do obserwaci doświadczalne i opisu matematycznego. Na proces hartowania decyduący wpływ ma wiele parametrów zarówno dotyczących metod nagrzewania ak i chłodzenia. Mnogość parametrów wpływaących na hartowanie determinue rozwó metod numerycznych ako narzędzia współczesnego technologa. Rys.1. Schemat logiczny modelu. Fig.1. he logical schema of the model. 1 dr inż., kulawik@imipkm.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż. prof. P.Cz., bokota@imipkm.pcz.czest.pl

2 287 Szybki wzrost mocy obliczeniowe komputerów doprowadził do powstania wielu typów modeli numerycznych przemian fazowych. Można e podzielić na makroskopowe oraz mikroskopowe, analizuące rozrost poszczególnych ziaren [1-6]. 2. MODELOWNIE KINEYKI PRZEMIN NGRZEWNI Model przemian fazowych nagrzewania oparto na analizie wykresu CPa obrazuącego rozpad faz powstałych podczas chłodzenia na. Ponieważ początek i koniec przemiany silnie zależy od prędkości nagrzewania bądź wytrzymania w określone temperaturze, zastosowano dynamiczne krzywe c1 i c3. Do określenia końca nagrzewania wykorzystue się w modelu linię homogenizaci u. Powyże te krzywe następue niewskazany rozrost ziaren ednorodne struktury yczne c3 c [ o C/s] t f t ednorodny krzywa nagrzewania linia homogenizaci u nieednorodny rów. JM dla 100 K/s rów. KM dla 100 K/s 100 K/s 750 t s ferryt + perlit Czas [s] Rys.2. naliza wykresu CPa, stal 45. Fig.2. he analysis of the diagram CH,steel E-3-5.0E-4 0.0E+0 5.0E-4 1.0E-3 1.5E-3 Odkształcenie Rys.3. Kinetyka u. Fig.3. he kinetic of e. W każdym kroku udział nowe fazy obliczany est zgodnie z prawami Johnsona- Mehla i vramiego. Empiryczne równanie vramiego przy założeniu ednofazowości materiału dla procesu nagrzewania ma postać [1]: n(, t = 1 exp b t ) ~η (2.1) gdzie: ~ η est udziałem powstaącego u, b i n są współczynnikami zależnymi od temperatury oraz czasu początku t s i końca przemiany t f [4]: t f ( ) 0, = 6, / ln, b( ) = (2.2) n ( t ) n s t s

3 288 Do wyznaczania przyrostu fazy autenityczne, szczególnie dla większych prędkości nagrzewania, wykorzystue się zależność powstałą z modyfikaci wzoru Koistinena-Marburgera (por. 3.5) [4]: ~η (, t) = 1 exp( k ( )), k = (2.3) s 4, gdzie: s est temperaturą początku przemiany, f est szacowaną temperaturą końca przemiany yczne zależną od prędkości nagrzewania. 3. MODELOWNIE KINEYKI PRZEMIN CHŁODZENI Obętościowe udziały faz () (,t). s f η powstaących w czasie chłodzenia szacue się ze wzorów vramiego uwzględniaąc przy tym udział powstałego u w procesie nagrzewania [1,3]: η ( ( n( ) (3.4) i t = ~, min η ( i%), η η α 1 exp b t )) α i gdzie: η α są udziałami faz powstałych w procesie chłodzenia, η ( i% ) est końcowym udziałem i-te fazy oszacowanym na podstawie wykresu. Udział powstałego martenzytu wyznacza się z empirycznego równania Koistinena i Marburgera [3,4]: η ( ( )) (3.5) M, t = ~ η k M S k = M s M η α 1 exp, ln ηα / f α M α gdzie: M s est temperaturą początku przemiany marteznytyczne określoną na podstawie analizy wykresu. Przyrost odkształcenia wywołanego temperaturą i przemianami fazowymi ( dε ph = dε + dε ph ) uwzględniaąc przypadki nagrzewania i chłodzenia est równy: dε = = ph αi ηid, dε i ( ) dη (3.6) i i i gdzie: α i est współczynnikiem liniowe dylataci termiczne i-te fazy, i = δv i /( 3V ) est współczynnikiem zmiany obętości podczas i-te przemiany fazowe. ablica 1. Współczynniki rozszerzalności termiczne i strukturalne [4] able 1. Structural and thermal expansion coefficients [4] α i [1/K] i α i [1/K] i enit 2, , Bainit 1, , Ferryt 1, , Martenzyt 1, , Perlit 1, ,

4 289 Ponieważ kinetyka przemian podczas chłodzenia silnie zależy od temperatury yzaci, zbudowano model wykorzystuący dwa wykresy stali 45 wyznaczonych dla temperatur yzaci 880 C i C. Wykorzystuąc przesunięte względem siebie te dwa wykresy wyznaczono wykresy pośrednie stosuąc liniową aproksymacę [4]: t = t + ( 1 ) t = + ( 1 ) (3.7) Parametr η = η ( i% ) ( ) i% ( i% ) oszacowano na podstawie zależności [4]: η = 0 max 880 = 880 = 1 dla dla 880 C < dla max max < 880 C max > C < C (3.8) Wykorzystuąc opracowany model wyznaczania ułamków faz nagrzewania i chłodzenia wykonano symulace numeryczne odkształceń towarzyszących przemianom fazowym chłodzenia dla dwóch różnych temperatur yzaci (rys. 4) temp. aust o C 950 temp. aust. 880 o C model Rys.4. Wpływ temperatury yzaci na kinetykę przemian (, model). Fig.4. Influence of isation temperature on kinetic of transformations.

5 WERYFIKCJ DOŚWIDCZLN Przeprowadzono dotyczące przemian fazowych podczas nagrzewania i chłodzenia ciągłego stali węglowe. Przedmiotem badań były próbki wykonane z prętów walcowanych gładkich ze stali 45 (wg Normy klasyfikacyne PN-93/H-84019). Nagrzewanie do zadane temperatury yzowania 1100 C prowadzono z szybkością ok. 100 C/s w osłonie argonu. Czas yzowania ustalono na 2 sek. Chłodzenie nagrzanych próbek prowadzono z prędkościami 200 C/s, 30 C/s Rys.5. Odkształcenia chłodzenie 30 C/s. Fig.5. he strains cooling 30 C/s Rys.6. Odkształcenia chłodzenie 200 C/s. Fig.6. he strains cooling 200 C/s odkształcenie: kinetyka: perlit kinetyka: ferryt perlit bainit martenzyt Udział fazy martenzyt odkształcenie: Udział fazy Czas [s] Rys.7. Kinetyka przemian i odkształceń chłodzenie 30 C/s. Fig.7. he kinetic of transformations and strains cooling 30 C/s Czas [s] Rys.8. Kinetyka przemian i odkształceń chłodzenie 200 C/s. Fig.8. he kinetic of transformations and strains cooling 200 C/s WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań numerycznych oraz doświadczeń nasuwaą się następuące wnioski:

6 291 - Wyniki otrzymane z modelu numerycznego przemian fazowych zadawalaąco potwierdzaą te z badań eksperymentalnych. - Oszacowane na podstawie badań i symulaci numerycznych współczynniki rozszerzalności strukturalne i termiczne stali 45 pozwalaą na poprawne wyznaczenie odkształceń obrabianego cieplnie elementu. - emperatura yzaci wpływa znacząco na czas i temperaturę początku i końca przemian fazowych. Zostało to zauważone i uwzględnione w opracowanym modelu. - Wykorzystanie w modelu większe liczby wykresów zbudowanych dla różnych parametrów nagrzewania pozwala na budowę dokładnieszych modeli numerycznych w uęciu makroskopowym. LIERUR [1] vrami M., J. Chem. Phys. 7, 1939, [2] Koistinen D. P., Marburger R. E., general equation prrescribing the extent of the autenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels, cta Mettalica, vol 7, 1959, [3] Kulawik., Bokota., naliza wzaemnego wpływu wybranych zawisk procesu hartowania stali C45, Informatyka w technologii metali. Materiały XII Konferenci. KomPlasech 2005, [4] Kulawik., naliza numeryczna zawisk cieplnych i mechanicznych w procesach hartowania stali 45, Praca doktorska, Częstochowa [5] Orlich J., Rose., Wiest P., tlas zur Wärmebehandlung von Stähle, III Zeit emperatur enitisierung Schaubilder, Verlag Stahleisen MBH, vol 1, [6] Quidort D., Bréchet Y., he role of carbon on the kinetics of bainite transformation in steels, Scripta Materialia 47, 2002, [7] Saito Y., Modeling of microstructural evolution in thermomechanical processing of structural steels, Materials Science and Engineering 223, 1997, SUMMRY MCROSCOPIC MODEL OF PHSE RNSFORMIONS FOR HE C45 SEEL Numerical model of phase transformations in solid state during hardening process of C45 steel is presented in this paper. Solution is founded on vrami and Koistinen- Marburger equations with the use of CH and CC diagrams. In the presented model influence of autenitisation temperature of transformation kinetic is taken into account. he results of numerical solution are compared with experimental analysis. Recenzował Prof. Leszek. Dobrzański