شبيهسازي تنشهاي باقيمانده و اعوجاج استوانههاي فولادي در
عمليات حرارتي سختكاري

محمدمهدي خرميراد1، محمدرضا ابوطالبي2، محمدتقي صالحي3
كارشناسي ارشد، دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد، دانشگاه علم و صنعت ايران
دانشيار، دانشگاه علم و صنعت ايران
Mm2006kh@yahoo.com

چكيده
عمليات حرارتي يكي از فرآيندهاي تمام كاري قطعات فولادي و چدني است كه تاثير قابل ملاحظه اي بر خواص نهايي محصول دارد. از مهمترين عيوب ناشي در عمليات حرارتي تنش هاي حرارتي ايجاد شده در حين فرآيند مي باشد كه تاثير منفي بر تلرانس ابعادي داشته و در صورت عدم كنترل ميتواند باعث ايجاد ترك و اعوجاج در نمونه گردد. شبيهسازي انتقال حرارت و آناليز تنشهاي ايجاد شده در ضمن عمليات حرارتي، به عنوان يك ابزار توانمند ميتواند در بهينهسازي شرايط عمليات حرارتي جهت كنترل عيوب مربوطه كمك نمايد. لذا تحقيق حاضر با هدف مدل سازي انتقال حرارت و بررسي اعوجاج و تنش هاي ايجاد شده در نمونه هاي سيلندر فولادي انجام گرديده است.
در اين پژوهش ضمن توسعه يك مدل سه بعدي انتقال حرارت و آناليز تنش براي استوانه فولادي كربني ساده با تركيب معين با استفاده از نرمافزار ABAQUS و مقايسه نتايج ب هدست آمده با مدل حاضر با نتايج موجود در منابع، تاثير ابعاد نمونه بر عيوب ناشي از فرآيند، مورد بررسي قرار مي گيرد.

واژه هاي كليدي:
عمليات حرارتي، شبيهسازي، اعوجاج.

1- مقدمه
عمليات حرارتي فلزات و آلياژهاي فلزي شامل فرايند گرم و سرد شدن يك فلز جامد و آلياژ براي ب هدست آوردن ويژگي هاي خاص تعريف مي شود. بسياري از قطعات فلزي مورد استفاده در صنـايع مختـلف بـراي بهبود بخشيدن خـواص مـكانيكي، قبـل از كاربرد عمليات حرارتي مي شوند. كوئنچ كردن فرآيندي است كه فـولاد تـا بالاي دمـاي آستنيته گـرم مـي شود و سپس تا دماي اتاق بوسيله اسپري كردن مايعات و يا غوطه وري در يك حمام مايع، سرد ميشود. قطعات كوئنچ شده داراي خواص مطلوبي مانند: سختي زياد، ريزساختار مناسب، مقاومت سايشي و خواص خستگي خوب مي باشند كه اين تغييرات خواص از تغييرات فازي رخ داده در حين كوئنچ ناشي مي شود. استحاله مارتنزيتي در حين كوئنچ ممكن است اعوجاج زياد، تنشهاي باقيمانده و رشد ترك در بعضي از مناطق قطعه ايجاد كند. به همين دليل پيشبيني و كنترل فرآيند كوئنچ از اهميت خاصي برخوردار ميباشد. اغلب مهندسين براي كنترل فرايند كوئنچ از سعي و خطا و آزمايشات استفاده مي كنند كه هر دو وقتگير و هزينه بردار ميباشد، بنابراين نياز بحراني براي يك مدل شبيهسازي كامپيوتري موثر و قابل اعتماد در اين فرآيند وجود دارد.

شكل(1): مدول پلاستيك، مدول الاستيك و تنش تسليم در فازهاي آستنيت و مارتنزيت در فولاد كربني 0.2%.
يو و همكارانش، مطالعات گستردهاي بر توليد تنش حرارتي درحين كوئنچ استوانه هاي فولادي با قطرهاي مختلف انجام دادهاند. اريكسون و همكارانش، تنش هاي باقيمانده در اثر كوئنچ فولاد هاي كربوره شده را پيشبيني كردند و فرناندس به همراه همكارانش، يك مدل رياضي براي حل مدل استحاله فازي توام با مدل انتقال حرارت در حين فرايند كوئنچ با اضافه كردن يك ترم منبع حرارتي دروني در معادله هدايت حرارتي فوريه را ارائه داد. دنيس و همكارانش، برهمكنش هاي استحاله فازي – تنش را مرور كرد و بعضي از اصول اساسي در محاسبه تنشهاي دروني را ارائه كرد.
لبلوند، كوپل مكانيكي- متالورژيكي را با بررسي پلاستيسيته استحاله و اثر تنش بر رفتار استحاله فازي را مطالعه كردند.
آريموتو و اينويو، براساس تئوري متالوترمومكانيكي فرآيند عمليات حرارتي را شبيهسازي كردند. گيور و تكايا، يك مدل المان محدود براي پيش بيني توزيع دمايي و تنش/كرنش در حين كوئنچ اجزاي فولادي متقارن توسعه داد. اثر هندسه نمونه بر توزيع تنش هاي باقيمانده و ميكروساختار براي فولاد هاي كم آلياژي و كربني ساده تمپر شده و كوئنچ شده توسط، گيور و لتايا، بهصورت تجربي انجام شد.

حرارتي

شكل
)
2
(
:

آب

حرارت

انتقال

ضريب
.

شكل

)

2

(

:

آب

حرارت

انتقال

ضريب

.

نهايتاً گيور و سيمسير، اثر هندسه نمونه بر توزيع تنش باقيمانده و اعوجاج در حين كوئنچ استوانه هاي تراش كاري شده با شكل هاي غير متقارن بدون استحاله فازي را بررسي كرد[1].
تعداد زيادي بستههاي كامپيوتري براساس آناليز المان محدود براي حل مسائل تنوع سازهاي و مكانيك جامدات توسعه يافته اند كه ميتوان نرمافزار هاي ANSYS ،ABAQUS و NASTRAN را نام برد. طبيعت پيچيده ي عمليات حرارتي فولادها، نياز به نرم افزار FEM براي مدل سازي برهمكنش استحاله فازي، دما و تنش را ضروري ساختهاست.
در اين تحقيق، از نرم افزار تجاري المان محدود ABAQUS براي شبيه سازي توزيع دما، تنش هاي باقي مانده و اعوجاج ناشي از آن در فرآيند سخت گرداني كوئنچ استفاده شد. در ابتدا شبيه سازي نمونه استوانه فولادي انجام شده و با نتايج موجود در منابع مقايسه شده و با اطمينان از صحت مدلسازي، شبيهسازي تنش هاي باقيمانده در سيلندرهاي فولادي 2/0% كربن انجام شد.

2- روش تحقيق
يك مدل شبيه سازي فرآيند عمليات حرارتي خوب شامل سه بخش آناليز استحاله فازي، آناليز دما و آناليز تنش مي باشد.
اما بدليل پيچيدگي روابط و مشكل بودن شبيه سازي مي توان از بعضي روابط غيرضروري صرفنظر كرد. بنابراين در اكثر موارد دو فرض زير انجام ميگيرد:

– از اثر ميدان تنش- كرنش بر توزيع دما صرف نظر مي شود. – اثر حالت تنشي بر ساختار متالورژيكي صرف نظر مي شود[2].
2 -1- آناليز انتقال حرارت
براي بررسي و محاسبه دقيق تنش/كرنش ايجاد شده در اثر عمليات حرارتي لازم است تا توزيع دما با گذشت زمان در قطعه معين باشد. انتقال حرارت ناپايدار در قطعه در حين عمليات كوئنچ به صورت رياضي با معادله هدايت حرارت فوريه نشان داده مي شود اين معادله به فرم كلي به صورت زير مي باشد. r r ∂T
∇(K∇T)+Q =ρCP

∂t (1)
در طي رخ دادن يك استحاله فازي، گرماي نهان آزاد ميشود كه نرخ توليد حرارت دروني در واحد حجم Q در اثر آزاد شدن اين گرماي نهان به صورت زير بيان مي شود:
650749-15680

Q =∑i ΔHi Δfi (T)Δt (2)
ΔHi ، گرماي نهان آزاد شده به دليل تشكيل فاز i و (Δf i(T تغيير كسر حجمي فاز i در زمان Δt مي باشد.
شرايط اوليه و مرزي براي حل معادله انتقال حرارت بايد در نظر گرفته شود. در ابتدا دماي همه نقاط برابر دماي آستنيته فرض مي شوند:
T(x, y, z,t) =T0 (3)
سطح قطعه كه در تماس با محيط كوئنچ است، شرط مرزي جابجايي به صورت زير بيان مي شود:
160021170734

∂T ∂T ∂T K(∂x nx + ∂y ny + ∂z nz)+h(Ts −T∞)+q=0 (4)
K هدايت حرارتي فلز،ρ وCp و q و h، بهترتبيب دانسيته، گرماي ويژه، فلاكس حرارت در سطح و ضريب انتقال حرارت جابجايي محيط كوئنچ ميباشد. دماي محيط كوئنچ تابعي از زمان است و در انتها برابر مقدار ثابت ∞T مي شود. اين خواص مواد وابسته به دما و فازهاي فولاد هستند. سطوح متقارن و سطوحي كه در تماس با محيط كوئنچ نيستند، فرض مي شوند فـلاكس حـرارتي در اين سطـوح صفــر در نظر گــرفته مـي شود [1 و 3].

2 -2 – آناليز تنش
با عمليات حرارتي يك قطعه فولادي تنش هاي دروني توسط گراديان هاي حرارتي زياد، كرنش هاي فازي و تغييرات خواص مواد ايجاد مي شود. با صرف نظر كردن از اثرات حالت تنش بر توزيع دما، آناليز هدايت حراتي را تواماً با آناليز



قیمت: تومان


پاسخ دهید