Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Roberta Szymczyka. Analiza numeryczna zjawisk hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Tadeusz BURCZYŃSKI, czł. koresp. PAN Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN ul. A. Pawińskiego 5B Warszawa Warszawa, Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Roberta Szymczyka Analiza numeryczna zjawisk hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco 1. Uwagi ogólne Rozprawa doktorska mgra inż. Roberta Szymczyka poświęcona jest kompleksowej analizie numerycznej zjawisk hartowania wybranej grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco. Podjęcie tej tematyki badawczej należy uznać za trafne ponieważ istniejące dotychczas modele nie obejmują całej złożoności zjawiska. Praca powstała na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej, a jej promotorem jest prof. dr hab. inż. Adam Bokota. Biorąc pod uwagę cel i zakres rozprawy, można ją zakwalifikować do dyscypliny mechanika. 2. Zakres rozprawy Rozprawa napisana jest w j. polskim i zawiera 120 stronic. Składa się z sześciu rozdziałów, podsumowania, wykazu literatury, spisu rysunków i tabel, streszczeń w j. polskim i angielskim oraz oświadczenia o samodzielnym wykonaniu rozprawy. Rozdział 1. ma charakter wstępu i zawiera ogólną charakterystykę omawianych zjawisk przeprowadzoną na podstawie literatury przedmiotu, w szczególności z zakresu przemian fazowych w stanie stałym. Doktorant przedstawił stan wiedzy na temat ostatnich osiągnięć w dziedzinie modelowania matematycznego i numerycznego zjawisk hartowania stali. W rozdziale 2. sformułowany został cel i zakres pracy. Rozdział 3. poświęcony jest modelowaniu zjawisk cieplnych zabiegu hartowania stali. W rozdziale tym przedstawiono model matematyczny zagadnienia przewodzenia ciepła. Zagadnienie to rozwiązano metodą elementów skończonych w sformułowaniu Galerkina. Przedstawiono dwa warianty modelowania źródeł ciepła pochodzących od przemian fazowych podając algorytmy uwzględniania tych źródeł w równaniach MES.

2 W rozdziale 4. podano modele kinetyki przemian fazowych w stanie stałym z przeznaczeniem do modelowania kinetyki przemian w stalach narzędziowych do pracy na gorąco. Przedstawione modele oparto na wykresach ciągłego nagrzewani (CTP A ) oraz wykresach ciągłego chłodzenia (CTPc) wybranej grupy stali narzędziowej do pracy na gorąco. Wychodząc od literaturowych wykresów CTPc dla wybranych trzech stali (WCL, W oraz W360) dokonano ich przesunięcia z przeznaczeniem do symulacji komputerowej kinetyki przemian fazowych. Przeprowadzono walidację zaproponowanych modeli kinetyki przemian fazowych z wykorzystaniem przesuniętych wykresów CTPc. Na podstawie danych literaturowych i uzyskanych wyników testowych ustalono współczynniki rozszerzalności termicznej oraz izotropowe odkształcenia strukturalne dla trzech stali rozważanej grupy. Są to wielkości niezbędne do przeprowadzania symulacji numerycznych zjawisk hartowania. Rozdział 5. poświęcony jest modelowaniu zjawisk mechanicznych hartowania stali. Oprócz równań równowagi, związków konstytutywnych, warunków brzegowych i początkowych, przedstawiono modele odkształceń plastycznych dla materiałów: ze wzmocnieniem izotropowym i wzmocnieniem kinematycznym. Dla tych dwóch wersji wzmocnienia podano również modele odkształceń transformacyjnych. Przedstawiono rozwiązanie zagadnienia termo-sprężysto-plastyczności metodą elementów skończonych. Rozdział zakończono podaniem warunków zakończenia iteracyjnego procesu poszukiwania odkształceń plastycznych. Rozdział 6. zawiera przykłady numeryczne symulacji hartowania stali W360, jako reprezentanta rozważanej grupy stali. Symulacje komputerowe obejmowały dwa przypadki: (i) hartowanie po całkowitym austenityzowaniu oraz (ii) hartowanie przypowierzchniowe po niecałkowitym austenityzowaniu. Dla obu przypadków wykonano kilka symulacji hartowania dla różnych warunków chłodzenia. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie wykresów jednowymiarowych oraz w formie dwuwymiarowych rozkładów. Wnioski wynikające z rozprawy zawarte są w podsumowaniu. Spis literatury zawiera 118 pozycji, w tym 14 pozycji stanowi notografia oraz 2. pozycje zajmują polskie normy. Dwie prace wykazane w spisie literatury są współautorstwa Doktoranta. 3. Ocena merytoryczna Oceniana rozprawa doktorska poświęcona jest oryginalnej tematyce badawczej związanej z analizą numeryczną zjawisk hartowania wybranej grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco. Kluczową rolę odgrywają tutaj zjawiska cieplne, przemiany fazowe w stanie stałym oraz generowane nimi zjawiska mechaniczne. Analiza numeryczna procesów obróbki cieplnej jest istotnym i trudnym zagadnieniem ponieważ zjawiska towarzyszące obróbce cieplnej są złożone i do tej pory nie w pełni zbadane. Modelowanie numeryczne takich procesów technologicznych mieści się w obszarze zaawansowanej obliczeniowej mechaniki materiałów. Do tej pory brak jest kompleksowych modeli numerycznych hartowania grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco. Istniejące modele nie obejmują całej złożoności zjawiska, ponieważ opisują najczęściej przemiany fazowe podczas chłodzenia oraz zabiegu 2

3 odpuszczania, ale nie sprzęgają tych zabiegów z odkształceniami i naprężeniami mechanicznymi. Celowe jest zatem opracowanie kompleksowego modelu hartowania grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco, uwzględniającego jednocześnie zjawiska cieplne, przemiany fazowe oraz zjawiska mechaniczne. Podjęcie tej problematyki badawczej należy zatem uznać za w pełni uzasadnione. Celem pracy było zatem zbudowanie modeli matematycznych kinetyki przemian fazowych w stanie stałym dla reprezentatywnej grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco, opracowanie algorytmów numerycznych ich rozwiązania i w końcu ich implementacja komputerowa. Pozwoliło to na przeprowadzanie symulacji numerycznej hartowania elementów wykonywanych ze stali należących do rozważanej grupy stali z różnymi warunkami nagrzewania i chłodzenia. Modele matematyczne hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco zbudowane zostały na podstawie teorii niestacjonarnego przepływu ciepła, modelu kinetyki przemian fazowych oraz modelu zjawisk mechanicznych hartowania stali. Równanie nieustalonego przewodzenia ciepła, z odpowiednimi warunkami brzegowymi i początkowymi, Doktorant rozwiązał za pomocą metody elementów skończonych w ujęciu Galerkina. W modelu numerycznym uwzględnił zmianę wielkości termofizycznych materiału od temperatury. Do przemian dyfuzyjnych Doktorant wykorzystał formułę Johnson - Mehl - Avrami, a do przemiany struktura wyjściowa-austenit zmodyfikowany wzór Koistinena-Marburgera. Do przemiany austenit-martenzyt zastosował zmodyfikowany wzór Koistinena- Marburgera. Model zjawisk mechanicznych hartowania stali uwzględniał odkształcenia plastyczne dla materiałów ze wzmocnieniem izotropowym oraz wzmocnieniem kinematycznym i jako zagadnienie brzegowe termo-sprężysto-plastyczności został rozwiązany za pomocą metody elementów skończonych w ujęciu Galerkina. Przedstawiono algorytmy numeryczne określania kinetyki przemian fazowych oraz wyznaczania ułamków faz oparte na wykresach nagrzewania i chłodzenia ciągłego (CTP A oraz CTPc). W symulacjach numerycznych wykorzystano przesunięte wykresy chłodzenia ciągłego (CTPc). Opracowane modele przemian fazowych w stanie stałym potwierdzono weryfikacją symulacyjną dla trzech gatunków stali, z grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco, tzn. dla stali: WCL, W oraz W360. W algorytmie numerycznym zjawisk mechanicznych hartowania stali, równania równowagi i związki konstytutywne przyjęto w formie prędkościowej. Założono, że hartowany materiał jest sprężysto-plastyczny, a odkształcenia plastyczne determinuje stowarzyszone prawo nieizotermicznego plastycznego płynięcia z warunkiem plastyczności Hubera-Misesa. Uplastycznienie może charakteryzować się wzmocnieniem izotropowym lub wzmocnieniem kinematycznym. Oprócz odkształceń sprężystych, cieplnych, strukturalnych i odkształceń plastycznych, uwzględniono również odkształcenia transformacyjne. Wielkości termofizyczne takie, jak moduł Younga i moduł styczny uzależniono od temperatury, a granicę plastyczności - od temperatury i składu fazowego hartowanego materiału. 3

4 Wykorzystując zaimplementowane algorytmy wykonano przykłady symulacji hartowania elementów wykonywanych ze stali narzędziowej do pracy na gorąco. Symulacje hartowania przeprowadzono dla jednego reprezentanta rozważanej grupy stali, tzn. dla stali W360, z założeniem hartowania na wskroś oraz hartowania przypowierzchniowego. Prezentowane przykłady obliczeń numerycznych dotyczą różnych, parametrów uwarunkowań brzegowych i początkowych. Dokonano analizy uzyskanych wyników numerycznych wskazując jakie parametry są korzystniejsze do wybranej technologii hartowania obiektów wykonywanych ze stali narzędziowej do pracy na gorąco. Zamieszczone w rozprawie wyniki badań świadczą o bardzo dobrej znajomości problematyki badawczej, dużej pomysłowości i profesjonalności Doktoranta. Struktura rozprawy jest logiczna, dobrze przemyślana i nie budzi zastrzeżeń. Zwraca uwagę duża pieczołowitość w przygotowaniu przykładów numerycznych oraz prezentacja wyników symulacji komputerowych w postaci wykresów i map. Uwagi dyskusyjne (i) (ii) Brak jest w pracy wystarczającej informacji o zastosowanym oprogramowaniu komputerowym. Czy jest ono oprogramowaniem własnym, czy też Doktorant korzystał z kodów komercyjnych MES. Uściślenia wymaga w jakim stopniu analizowany w rozprawie model matematyczny i numeryczny zjawisk hartowania wybranej grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco jest właściwy. Wiedza związana z wyznaczaniem i kwantyfikowaniem rzetelności i pewności symulacji komputerowych i ich predykcji jest związana z walidacją i weryfikacją. Walidacja wyznacza dokładność z jaką przyjęty model matematyczny hartowania stali narzędziowych opisuje modelowane zjawisko. Weryfikacja zaś wyznacza dokładność, z którą dany model obliczeniowy reprezentuje model matematyczny. Mówiąc prosto, walidacja odpowiada na pytanie: czy dobre równania są rozwiązywane, podczas gdy weryfikacja dotyczy odpowiedzi na pytanie: czy równania są rozwiązywane poprawnie. W rozprawie brak jest jasnego odniesienia się do sprawy zagadnień walidacji i weryfikacji. 4. Wniosek końcowy Rozprawa doktorska mgra inż. Roberta Szymczyka jest bardzo interesującym studium z zakresu kompleksowego modelowania zjawisk hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco. Zamieszczone w rozprawie rozważania teoretyczne i testy numeryczne, świadczą o bardzo dobrym rozeznaniu Doktoranta w obszarze objętym rozprawą. Główny cel rozprawy został osiągnięty, a uzyskane wyniki stanowią bardzo cenny materiał. Doktorant wykazał się bardzo dużą wiedzą i doświadczeniem oraz posiada dorobek publikacyjny. 4

5 Biorąc pod uwagę przedstawioną opinię stwierdzam, iż rozprawa doktorska mgra inż. Roberta Szymczyka w pełni odpowiada wymogom stawianym rozprawom doktorskim. Doktorant jest bardzo dobrze przygotowana do prowadzenia samodzielnych badań naukowych, zwłaszcza w zakresie zaawansowanych metod obliczeniowych przepływu ciepła Dlatego uważam, że przedstawiona rozprawa doktorska w pełni spełnia warunki stawiane rozprawom doktorskim przez obecnie obowiązującą ustawę o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki i wnoszę o dopuszczenie jej do publicznej obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej. Jednocześnie z uwagi na wysokim poziom naukowy rozprawy oraz dorobek publikacyjny Doktoranta, zgłaszam wniosek o wyróżnienie rozprawy doktorskiej mgra inż. Roberta Szymczyka. Tadeusz Burczyński 5