ANALIZA RUCHU CIEPŁA W MIKROOBSZARZE KOMPOZYTU ZBROJONEGO CZĄSTKAMI SiC

Transkrypt

1 26/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN ANALIZA RUCHU CIEPŁA W MIKROOBSZARZE KOMPOZYTU ZBROJONEGO CZĄSTKAMI SiC CHOLEWA Mirosław, GAWROŃSKI Józef Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska 44-1 Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND STRESZCZENIE W opracowaniu zaprezentowano analizę zmienności pól temperatur w kompozycie z osnową metalową, zbrojonym dyspersyjnymi cząstkami węglika krzemu. Analizę ruchu ciepła podczas krzepnięcia i stygnięcia kompozytu przeprowadzono za pomocą dwuwymiarowej symulacji komputerowej. Obliczenia przeprowadzono uwzględniając rzeczywistą geometrię zbrojenia przy idealnym kontakcie komponentów oraz z pominięciem obecności faz strefy przejścia, dla ustalonego objętościowego udziału zbrojenia 1. WPROWADZENIE Prezentowane opracowanie stanowi rozwinięcie i kontynuację badań procesów krystalizacji i krzepnięcia kompozytów zbrojonych cząstkami [1,2,3]. Przedmiotem analizy jest modelowy mikroobszar jednej, statystycznie reprezentatywnej cząstki węglika krzemu SiC w osnowie około-eutektycznego stopu AK-12. Przy wprowadzeniu geometrii cząstki posłużono się uśrednionymi wynikami mikroskopowej, komputerowej analizy ilościowej kompozytu. Przyjęty do analizy mikroobszar osnowy i zbrojenia odpowiada rzeczywistym proporcjom wymiarów cząstki z uwzględnieniem cech termofizycznych komponentów. Narzędziem, którym posłużono się w realizacji badań jest program symulacyjny działający w oparciu o metodę elementów skończonych. Program ze względu na swą specyfikę doskonale nadaje się do analizy zagadnień laboratoryjnych zarówno w mikro- jak i makroskali. Pozwala wiernie odwzorować finezję geometrii elementów systemu: forma, układ zasilania i odlew lub w mikroskali, geometrię elementów zbrojących w osnowie kompozytu. Ponadto daje możliwość nierównomiernego zagęszczania siatki w celu zwiększenia dokładności obliczeń w wybranych fragmentach analizowanego obiektu.

2 PREZENTACJA PRZEPROWADZONEJ SYMULACJI Celem obliczeń jest określenie termicznego oddziaływania cząstek o małym, w stosunku do metalicznej osnowy, przewodnictwie cieplnym podczas krzepnięcia i stygnięcia kompozytu. Wyniki odniesiono do analogicznego obszaru osnowy metalicznej bez cząstek zbrojących. Analiza taka służy opracowaniu reguł i związków ułatwiających projektowanie technologii odlewniczych dla kompozytów zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Założenia: Analizowano jednowymiarowy ruch ciepła - poprzez termiczne zaizolowanie trzech boków, kwadratowego mikroobszaru zawierającego jedną cząstkę, statystycznie reprezentatywną pod względem geometrii. Transport ciepła skierowano do otoczenia, powietrza, które posiada mały współczynnik przewodzenia ciepła. Spowolnienie zachodzących procesów ułatwia ich ocenę, dając przy tym pełniejszy ich obraz. Ponadto jako osnowę i zbrojenie przyjęto materiały znacznie różniące się właściwościami termofizycznymi oraz dające minimalne ilości produktów adhezji chemicznej w strefie przejścia. Jako temperatury początkowe przyjęto: T osn = 72 [ o C] oraz T zbr = 3 [ o C], które mogą być minimalnymi w typowych, potencjalnych procesach przemysłowych. Właściwości termofizyczne osnowy i zbrojenia przyjęto bezpośrednio z bazy danych programu. Założony udział objętościowy zbrojenia wynosi 11,5 [%] i dla wybranego przypadku stanowi maksymalną zawartość, ze względu na zachowanie poprawnej lejności ciekłego kompozytu. Bezpośrednim wynikiem obliczeń symulacyjnych są pola temperatur nałożone na geometrię mikroobszaru w funkcji czasu. Oprócz nich istnieje możliwość generowania informacji będących pochodną pola temperatury również gradientów temperatury. Z punktu widzenia matematyki, wielkości oparte na gradientach temperatury należy przyjąć jako szacowane, między innymi, ze względu na nierównomierny podział siatki. Wśród wielorakich możliwości jakie dają procedury postprocesingowe wybrano tylko te, których interpretacja jest jednoznaczna a ich analiza prowadzi do elementarnych wniosków. Pomijając barwne obrazy rozkładów temperatury na powierzchniach mikroobszaru kompozytu na kolejnych rysunkach zaprezentowano wykresy będące syntetycznym ujęciem badanych wielkości. Na rys. 1 pokazano uśrednione w przedziałach czasowych i w przestrzeni mikroobszaru zmiany temperatur w funkcji czasu. Na rys. 2, analogicznie - iloraz czasów krzepnięcia: kompozytu i osnowy w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. Natomiast na rys. 3 i 4 przedstawiono średnie gradienty temperatury w przedziale temperatur krzepnięcia oraz na rys. 5 i 6 średnie szybkości przyrastania warstwy zakrzepłej także w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. Dla ułatwienia analizy wykresy 1, 2 sporządzono przyjmując koniec czasu krzepnięcia jako niemianowaną wartość 1, podobnie przyjęto całkowitą 1 długość analizowanego mikroobszaru jako 1, której odpowiada 8 powierzchnia kontaktu z otoczeniem prostopadła do kierunku ruchu ciepła. O [1/1] Temperatura [C] 7 6 Rys. 1., Porównanie 6 uśrednionych zmian temperatur w funkcji czasu w mikroobszarze tk/t,8,4, osnowa cząstka,1,2,2,3,4,5,6,6,8,7,81,9 1,21 1,1 Odległo C za s [1 ść /1 ][1/1]

3 167 kompozytu oraz stopu osnowy bez cząstek zbrojących Rys. 2. Stosunek czasu krzepnięcia kompozytu do czasu krzepnięcia osnowy bez cząstek zbrojących w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. 2 Gradient temperatury ,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Odległo ść [1 /1 ] Rys. 3. Uśredniony gradient temperatury w zakresie temperatur krzepnięcia osnowy w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. Gradient temperatury [K/cm] ,2,4,6,8 1 1,2 Odległość [1/1] Rys. 4. Uśredniony gradient temperatury w zakresie temperatur krzepnięcia mikroobszaru kompozytu w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. Rys. 5. Uśredniona szybkość przyrastania warstwy zakrzepłej w zakresie temperatur krzepnięcia osnowy w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła. Szybkość przyrastania Szybkość przyrastania [mm/min] [mm/min] Odległość [1/1],1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 1,1 Odległo ść [1/1]

4 168 Rys. 6. Uśredniona szybkość przyrastania warstwy zakrzepłej w zakresie temperatur krzepnięcia kompozytu w funkcji odległości od powierzchni oddawania ciepła Wyniki obliczeń i ich analiza Z porównania rozkładu temperatur w funkcji czasu wynika, że mikroobszar kompozytu w całej przestrzeni posiada niższą temperaturę w porównaniu do stopu osnowy bez dodatków zbrojących. Rozbieżność temperatur wzrasta wraz z upływem czasu, co jest spowodowane pochłanianiem ciepła przez zbrojenie oraz relatywnie mniejszą, jednostkową objętością stopu osnowy. Jednocześnie wyraźnie rysuje się skrócenie czasu krzepnięcia kompozytu w obecności przyjętej ilości 11,5 [% obj.] zbrojenia w stosunku do czystego stopu osnowy nie zawierającego cząstek ceramicznych. Skrócenie czasu krzepnięcia kompozytu w pobliżu powierzchni oddawania ciepła sięga prawie dwukrotnej wartości odpowiedniego czasu w czystym stopie osnowy. Obrazuje to wykres z rys. 2, gdzie stosunek czasu krzepnięcia kompozytu do osnowy sięga prawie wartości,5. Jest to także niewątpliwie skutkiem hamowania ruchu ciepła poprzez obecność zbrojenia o małym współczynniku przewodzenia ciepła. Po czasie, w którym następuje względne wyrównanie temperatur osnowy i zbrojenia, ceramiczne cząstki stanowiące lokalne magazyny ciepła w krótkim czasie osiągają temperatury znacznie przewyższające swą wartością otaczającą osnowę co powoduje powstawanie lokalnie wysokich gradientów temperatury a ponadto tym wyższych, im wyższa temperatura wypadkowa mikroobszaru czyli w pobliżu temperatur krzepnięcia. Potwierdzeniem tej tezy jest obraz zmienności gradientów w analizowanych obszarach kompozytu i stopu osnowy bez cząstek zbrojących (rys. 3 i 4). Na krzywej z rys. 4 widoczne są dwa lokalne maksima, którym odpowiadają granice kontaktu między komponentami. Równocześnie średni gradient temperatury całego mikroobszaru kompozytu wynosi około 9,5 [K/cm] podczas gdy w stopie osnowy jest równy około 6,4 [K/cm] co pozostaje w zgodności z potwierdzonym, przyspieszonym oddawaniem ciepła z objętości krzepnącego i stygnącego kompozytu. Ponadto prezentowane na rys. 4 wysokie zróżnicowanie gradientu wskazuje na znaczną intensywność zachodzącego zjawiska, które fizycznie ułatwia heterogeniczną, o chemicznym podłożu, krystalizację kompozytu w otoczeniu strefy przejścia. W pewnej analogii do zmian gradientów pozostaje szybkość narastania warstwy zakrzepłej. W osnowie wzrasta ona w kierunku oddawania ciepła i nie wykazuje punktów ekstremalnych, natomiast w kompozycie widoczne są charakterystyczne: maksimum i przegięcie w bezpośrednim sąsiedztwie granic cząstki (rys. 5 i 6). Ponadto widoczne jest znaczne zróżnicowanie maksymalnych szybkości przyrastania warstwy zakrzepłej. W tym przypadku także ujawnia się hamujący wpływ zbrojenia stanowiącego lokalne magazyny ciepła. 3. WNIOSKI: W porównaniu do stopu osnowy kompozyt wykazuje objętościowy charakter krzepnięcia. Intensywny ruch ciepła w bliskim otoczeniu cząstki sprzyja tworzeniu struktur zbliżonych do modyfikowanych, co potwierdza fizyczny wpływ cząstek zbrojących na przebieg krystalizacji. Przy czym potwierdzony wcześniej heterogeniczny, zarodkotwórczy

5 169 charakter oddziaływań powierzchni zbrojenia dowodzi fizyko-chemicznego wpływu zbrojenia na proces krystalizacji i krzepnięcia kompozytu. LITERATURA 1. Cholewa M., Gawroński J. : Analiza ruchu ciepła w odlewanym kompozycie zbrojonym cząstkami, Mat. Konf. Zjawiska powierzchniowe, Politechnika Szczecińska, Cholewa M., Gawroński J., Szajnar J.: Propertis of particle reinforced composites, Proc. Inter. Confer. CO-MAT-TECH 97, VUT Bratislava, Trnava, Cholewa M., Gawroński J.: Krystalizacja kompozytów zbrojonych cząstkami dyspersyjnymi SiC i Al 2 O 3, Mat. Konf. Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, PAN Poznań, Pol. Poznańska, Cholewa M., Gawroński J., Ignaszak Z.:Technological Aspeckts of Particle Reinforced Composites, Mat. Konf. ICAM 97 Strasbourg, Francja, Cholewa M., Gawroński J. : Analiza ruchu ciepła w mikroobszarze kompozytu zbrojonego cząstkami, Mat. Konf. Krzepniecie Metali i Stopów, PAN Katowice, 1998 ANALYSIS OF HEAT MOTION IN MICROAREA OF COMPOSITE REINFORCED WITH PARTICLES. ABSTRACKT This paper presents analysis of variations of thermal fields in metal matrix composite reinforced dispersional silicon carbide particles. The thermal motion analysis during solidification and cooling composite had made with two dimensional computer simulation. The calculations had made with taken consideration to real reinforcement geometry in perfect contact and disregarded presence of transient zone phases, for stabilized volume fraction of reinforcement.