Własnoci fizyczne staliwa w stanie stałym w funkcji temperatury i szybkoci stygnicia

Transkrypt

1 AMME 23 12th Własnci fizyczne stalia stanie stałym funkcji temeratury i szybkci stygnicia D. Bartcha Zakład Odlenicta Instytutu Materiałó Inynierskich i Bimedycznych. Wydział Mechaniczny Technlgiczny Plitechniki lskiej ul. Tara 7, 44-1 Gliice, Plska W artykule isan stne badania łyu szybkci stygnicia na artci łasnci fizycznych stalia stanie stałym i kształt ich charakterystyk temeraturych. Na dstaie analizy danych termfizycznych stalia ykrzystyanych rgramach symulacyjnych kreln ich cechy charakterystyczne raz zarnan rsty i jednlity ssób definiania charakterystyk temeraturych łasnci fizycznych zakresie temeratur 1 C. Zarnany mdel stał si dsta d róby krelenia łyu szybkci stygnicia na artci i rzebieg charakterystyk temeraturych łasnci fizycznych stalia. 1. CECHY OGÓLNE CHARAKTERYSTYK TEMPERATUROWYCH DANYCH FIZYCZNYCH STALIWA Wiksz dleniczych rgramó symulacyjnych siada tarte bazy danych materiałych. Pzala t uytkniki na edytanie istniejcych danych, a take na radzanie łasnych danych termfizycznych zarón metali (trzy dleniczych) jak i materiałó mcniczych (masa frmierska, materiały izlacyjne, egztermiczne, materiały chładzalnikó it.). Bazy danych materiałych uzuełniane s zazyczaj danymi chdzcymi z rziza zada drtnych na dstaie zarejestranych rzebiegó rcesó cielnych zachdzcych rzeczyistych dleach. Im bardziej złny biekt bada i skrmniejszy aarat badaczy tym iksze raddbiest yedytania sztucznych danych sradzajcych si jedynie symulacji teg szczególneg rzyadku. Przykładem teg rdzaju danych me by zbiór danych termfizycznych zgrmadzny rgramie CldCast cigu kilku lat uytkania rgramu Zakładzie Odlenicta Plitechniki lskiej. Najczciej generatrem błdó jest uytknik rgramu, zykle ełniajc błdy ynikajce z nieznajmci zakresu artci jakim me si rusza. W niniejszej racy djt rób krelenia sólnych cech łasnci termfizycznych stalia i zarnan rste i jednlite definianie ich charakterystyk temeraturych raz kreln granice jakich mna rzyisya artci szczególnym łasncim termfizycznym.

2 12 D. Bartcha C C 3 4 C C Rys. 1. Własnci term fizyczne dziesiciu stali glych CastCAE Fig. 1. Therm-hysical rerties f ten carbn cast steel CastCAE Rys. 2. Własnci term fizyczne dunastu stali stych CastCAE Fig. 2. Therm-hysical rerties f telve carbn cast steel CastCAE 2. ANALIZA DANYCH MATERIAŁOWYCH W celu krelenia gólnych cech charakterystyk temeraturych łasnci fizycznych stali, zebran dane termfizyczne z baz danych materiałych rgramó Nvacast Fl&Slid, CastCAE i CldCast.

3 Własnci fizyczne stalia stanie stałym 13 C C 3 12 C 25 C Rys. 3. Własnci term fizyczne itnastu stali drnych na krzj CastCAE Fig. 3. Therm-hysical rerties f fifteen crrsin resistant cast steel CastCAE Rys. 4. Własnci term fizyczne dziesiciu stali glych NOVA Fl&Slid Fig. 4. Therm-hysical rerties f ten carbn cast steel NOVA Fl&Slid P analizie szeregu rzedstainych na rysunkach 1 6 charakterystyk temeraturych łasnci fizycznych stali rónym składzie chemicznym załn: liny rzebieg charakterystyki temeraturej zmian gstci, liniy rzebieg zmian sółczynnika rzedzenia cieła funkcji temeratury d temeratury C d temeratury rzemiany, temeraturze tej załn unkt zmiany mntnicznci charakterystyki i dalsz lini zmian sółczynnika rzedzenia cieła d temeratury rzemiany d temeratury 1 C. Charakterystyk zmian artci cieła łacieg zalenci d temeratury rzbit na die składe: lini charakterystyk temeratur zmian cieła łacieg raz charakterystyk ydzielania si cieła rzemiany funkcji temeratury. Jak najbardziej tymalny rzyjt trójktny charakter ydzielania si cieła rzemiany. Jednczenie zakres artci na si artci jest zakresem artci jakie mg rzyjma szczególne dane z zachaniem gólnych cech charakterystyk. Pysze załenia dtyczce artci charakterystycznych i rzebiegu charakterystyk temeraturych danych fizycznych stalia zaimlementan autrskim rgramie symulacyjnym (rysunek 1) uyanym d yznaczania kmletu danych termfizycznych stalia rzizaniu klasyczneg zadania drtneg.

4 14 D. Bartcha C C C C Rys. 5. Własnci term fizyczne Rys. 6. Własnci term fizyczne szeciu stali stych NOVA miu stali chrmych NOVA Fl&Slid Fl&Slid Fig. 5. Therm-hysical rerties f Fig. 6. Therm-hysical rerties f six ally cast steel NOVA eight chrmium cast steel NOVA Fl&Slid Fl&Slid 3. DANE TERMOFIZYCZNE STALIWA W FUNKCJI SZYBKOCI STYGNICIA Dane termfizyczne ykrzystyane d symulacji kmuterych rcesó rzełyu cieła t najczciej rste charakterystyki temerature. Całkicie mija si nich (z yjtkiem secjalistycznych rgramó d bróbki cielnej) ły szybkci stygnicia na łasnci fizyczne, które cile zizane s ze struktur, a ta jak iadm zmienia si trakcie rzemian fazych determinanych szybkci stygnicia. Wły szybkci stygnicia na kształt charakterystyk danych termfizycznych sich algrytmach bliczeniych rzedstaia Miettinen [1,2,3] Algrytmy te bazuj na mdelach IDS i ADC i słu d blicze łasnci termfizycznych stali, ykrzystyanych d symulacji krzenicia i stygnicia dleó. Pzalaj jednak yznaczy łasnci termfizyczne stalia bardz szerkim zakresie temeratury <25;16> C. Mdel IDS (Interdendritic Slidificatin Mdel) iertnie strzny był celu symulacji rzemian fazych krzenicia niskstych nierdzenych stali zaartci 16-2%Cr i 8-14%Ni.

5 Własnci fizyczne stalia stanie stałym 15 Płczenie mdelu IDS z mdelem ADC (Austenite Decmsitin Mdel), strzneg d symulacji rzkładu austenitu na struktury zaierajce ferryt i cementyt, znacznie rzszerzył mlici ich zastsania. Obecnie rezultacie zastsania mdelu IDS trzymujemy udziały szczególnych faz (fazy ciekłej, ferrytu, austenitu, cementytu) funkcji temeratury (dla zakresu temeratur <1;16> C). Dalsze bliczenia, a d temeratury kjej, rzeradzane s arciu mdel ADC. Zalenci Miettinen a słu d blicze łasnci term fizycznych stali glych, niskstych i drnych na krzj na dstaie ich składu chemiczneg i zadanej szybkci stygnicia. W niniejszej racy zarnan rst metd yznaczania łasnci termfizycznych materiałó chłdznych z rónymi rdkciami, djt take rób isania łyu szybkci stygnicia na rzebieg charakterystyk danych termfizycznych Stanisk miare Kształt róbki raz stanisk badacze rzygtan tak aby zarejestra krzye stygnicia róbek stalinych (rysunek 7) nagrzeanych i austenityzanych iecu rym i chłdznych tylk rzez bezrednie ddaanie cieła d tczenia, jak które stsan trzy róne media chłdzce. Dziki czemu bliczeniach mna był zastsa tylk sółczynnik nikania cieła d tczenia i jest t jedyna ielk charakteryzujca ddaanie cieła rzez róbk. W gemetrycznym (cielnym) centrum róbki umieszczan termelement Ni-NiCr, dłczny d rzetrnika i kmutera, róbki umieszczane były iecu kszyku yknanym z drutu φ.5mm i tak te róbki były chłdzne ietrzu, leju hartniczym i dzie. Wyknan 12 rób rejestrujc krzye stygnicia róbek dlanych z czterech stali, skład chemiczny badanych stali dan tabeli 1. Rys. 7. Próbka Fig. 7. Secimen Tabela 1. Skład chemiczny badanych stali Table 1. Chemical cmsitin f testing cast steels Nr Skład chemiczny [%] róbki Oznaczenie C Cr Si Ni Mn Cu P S Al M 1 GS3Mn5,31,24,42,24 1,27,18,13,8,25,4 2 L35GSM,3,8,7,1 1,32,8,22,21,1,28 3 L35HM,33 1,45,24,66,17,13,7,32,25 4 L7H2GNM,66 1,7,53,73,9,17,21,9,29,35

6 16 D. Bartcha 3.2. Wyznaczenie danych termfizycznych Własnci termfizyczne badanych stali yznaczane były rzez rzizanie klasyczneg zadania drtneg. W bliczeniach zamdelan tylk 1/4 bszaru róbki symetrii cielnej tczenie róbka symetrii cielnej tczenie Rys. 8 Mdel bliczeniy Fig. 8. Calculating mdel ykrzystujc dusi symetri cieln układu, rysunek 8. D blicze ykrzystan autrski rgram Jmin. W rgramie istnieje mli ybru medium chłdzceg (tczenie). Dla szczególnych medió: ietrza, leju i dy na dstaie danych z racy [4] zaimlementane zstały artci sółczynnika nikania cieła rzedziale temeratury 1 C funkcji temeratury ierzchni róbki diedni: dla ietrza 1 1 [W/mK], leju 8 18 [W/mK], dy 1 2 [W/mK], a take na dstaie miaró radznych trakcie bada ich temeratury diedni 2, 1, 4 C. Rys. 9. Głóne kn rgramu Jmin Fig. 9. Main user interface f Jmin sftare Prcedura yznaczenia danych termfizycznych legała na czytaniu d rgramu liku z zarejestran krzy stygnicia róbki, która yietlana zstaje na ykresie (rysunek 9) klrze czernym, nastnie na dbrze arunkó cztk startych, czym cyklu blicze iteracyjnych na dbrze takich artci charakterystycznych danych termfizycznych, rysunek 1, aby dradzi d jak najdkładniejszeg nałenia

7 Własnci fizyczne stalia stanie stałym 17 krzyej bliczeniej na miar raz ich chdnych. Wyniki blicze zestain tabeli 2. Rys. 1. Okn edycji danych termfizycznych rgramu Jmin Fig. 1. Interface fr thermhysical data editin f Jmin sftare 4. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI Wybrane yniki bada zamieszczne tabeli 2 frmie liczbej rzedstain staci ykresó na rysunkach Na dstaie rzedstainych ynikó bada mna stierdzi, e dane termfizyczne silnie zale d szybkci zmian temeratury, Zalen ta szczególnie silnie uidacznia si rzyadku sółczynnika rzedzenia cieła raz charakterystyk ydzielania si cieła rzemiany. W rzyadku cieła łacieg, dla stalia Gs3Mn5 i L35GSM mna zauay ysze jeg artci dla róbek chłdznych z najiksz rdkci ( dzie). Zmian gstci funkcji szybkci stygnicia nie stierdzn, ielk tych zmian raddbnie jest bardz mała. Z rzeradznych ramach niniejszej racy stnych bada nad łyem szybkci stygnicia na rzebieg charakterystyk danych termfizycznych ynika, i taka zalen istnieje i rzejaia si z rón sił dla szczególnych łasnci termfizycznych. Wły ten rónie rzejaia si dla rónych stali z czeg niska naley i zaley jak i same dane termfizyczne d składu chemiczneg stalia.

8 18 D. Bartcha Tabela 2. Wyznaczne dane termfizyczne badanych materiałó Table 2. Thermhysical data f testing materials determined Stali Med. T 1 T C C1 1 Qm T Q T Gs3M n5 L35GS M L35HM L7H2 GNM lej da lej da lej da lej da

9 Własnci fizyczne stalia stanie stałym 19 Gs3Mn5 L35GSM tem[c] tem[c] s. re.cieł [W/mK] s. re.cieł [W/mK] 6 L35HM 5 L7H2GNM tem[c] s. re.cieł [W/mK] tem[c] s. re.cieł [W/mK] Rys. 11. Wsółczynnik rzedzenia cieła Fig. 11. Thermal cnductivity ceficient tem[c] Gs3Mn Q [J/kgK] tem[c] L35GSM Q [J/kgK] tem[c] L3HM Q [J/kgK] tem[c] L7H2GNM Q [J/kgK] Rys. 12. Cieł rzemiany Fig. 12. Transfrmatin heat

10 11 D. Bartcha tem[c] Gs3Mn C [J/kgK] tem[c] L35GSM C [J/kgK] tem[c] L35HM C [J/kgK] tem[c] L7H2GNM C [J/kgK] Rys. 13. Cieł łacie Fig. 13. Secific heat Fakt istnienia takieg łyy ymaga uzgldnienia g bazach danych materiałych rgramó symulacyjnych raz ich algrytmach bliczeniych, artci łasnci fizycznych zalee musz nie tylk d temeratury materiału ale take d szybkci jeg stygnicia. Dlateg rblematyka rzedstaina racy ymaga dalszych bada, które zl kreli sta funkcyjnych zalenci łasnci fizycznych materiału d temeratury i kinetyki stygnicia. LITERATURA 1. J. Miettinen: Calculatin f slidificatin related thermhysical rerties fr steels. Metalurgical and Materials Transactins vl. 28B, 1997, J. Miettinen: Simle semiemirical mdel fr redictin f austenite decmsitin and related heat release during cling f l allyed steels. Irnmaking and Steelmaking vl. 23 n , J. Miettinen, S. Luhenkiri: Calulatin f thermhysical rerties f carbn and l allyed steels fr mdeling f slidificatin rcesses. Metalurgical And Materials Transactin, vl. 25B, 1994, N.I. Kbask, A.A. Mskalenk, G.E. Ttten, G.M. Webster: Exerimental determinatin f the first and secnd critical heat flux densities and quench rcess characterizatin. J.M.E.P. vl. 6, 1997,93 5. D. Bartcha, S. Jura: Cechy gólne charakterystyk temeraturych łasnci fizycznych stalia. Archium Odlenicta rcznik 3, nr 9, Gliice 23, D. Bartcha: Zalen łasnci termfizycznych d szybkci stygnicia. Archium Odlenicta rcznik 3, nr 9, Gliice 23, D. Bartcha, S. Jura: A simly methd determinatin data indisensably fr cmuter simulatin f hardened. KMiS vl. 2, n 44, 2, S. Ochduszk: Teria maszyn cielnych. Tablice. PWT W-a 1959