شبيهساز ي حرارت ي كوئنچ و پيشبيني سختي فولاد CK45

محمد خدائي
عضو هيأت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
khodai1358@yahoo.com

چكيده
خواص مكانيكي فولادها علاوه بر آناليز شيميا يي بهمقدار قابل توجه ي بهعمليات حرارتي انجام شده روي فولاد بستگي دارد و فرآيندهاي مختلف حرارتي باعث ايجاد طيف وسيعي از خواص در فولادها خواهند شد. دو پديده انتقال حرارت و نفوذ در قطعات فولاد ي تعيينكننده ريزساختارهاي حاصل در اثر عمليات حرارت ي ميباشند. با دانستن نرخ سرد شدن فولاد و نمودار CCT آن، ميتوان ريزساختار حاصل را در اثر سرد شدن پيوسته فولاد از دما ي آستنيته پيشبيني نمود. از طرفي بدست آوردن نرخ سرد شدن قسمتهاي داخلي قطعات كار مشكلي ميباشد. در پژوهش حاضر نرخ سرد شدن نقاط داخلي يك مكعب فولادي از جنس CK45 از طريق شبيهسازي معادلات انتقال حرارت بهروش اختلاف محدود محاسبه شدهاست. سپس نمودارهاي حاصل بر نمودار CCT فولاد انطباق داده شده و ريزساختار هر نقطه پيشبيني شدهاست. پس از انجام عمليات حرارتي بر فولاد، قطعه برش داده شده و سختي نقاط مورد بررسي، اندازهگيري شدهاست كه نتايج سختيسنجي تأييد ي بر صحت محاسبات شبيهسازي ميباشد.

واژه هاي كليدي:
فولاد CK45، نمودار CCT، شبيهسازي انتقال حرارت، روش اختلاف محدود.

1- مقدمه
ريزساختار و در نتيجه خواص مكانيكي قطعات فولادي در اثر عمليات حرارتي بهنرخ سرد شدن قطعه بستگي دارد. با توجه بهاين كه نقاط مختلف قطعه فواصل مختلفي از سطح قطعه دارند، بنابراين نرخ سرد شدن نقاط مختلف قطعه متفاوت بوده و در اثر عمليات حرارتي ممكن است ريزساختارها و سختيها ي متفاوتي در قسمتهاي مختلف قطعه حاصل شود (در صورتيكه ضخامت قطعه از حد معيني بيشتر باشد). در مورد فولادها با داشتن نمودار دگرگوني سرد شدن پيوسته (CCT) و نمودار سرد
شدن نسبت بهزمان هر نقطه از قطعه مي توان سختي آن نقاط را پيشبين ي نمود. در واقع بهمحاسبه نرخ سرد شدن هر نقطه از قطعه و داشتن منحني CCT آن ماده مي توان سختي و حت ي ريزساختار آن را با دقت قابل قبول ي پيشبيني كرد [1 و 2].
نرخ سرد شدن يك نقطه از قطعه بهپارامترهايي مانند دما ي اوليه فلز، ظرفيت گرمايي فلز، ضريب هدايت حرارتي فلز، ضخامت فلز (كه شامل فاصله نقطه از سطح و گرما ي ذخيره شده در آن منطقه است) و دما و ضريب هدايت حرارتي و حجم و برخي ديگر پارامترها ي محيط خنككننده بستگ ي دارد.

در واقع ميتوان آهنگ سرد شدن يك قطعه فولاد تحت تأثير دو پارامتر مهم تقسيمبندي كرد. يكي انتقال حرارت از داخل بهسطح نمونه فولادي و ديگر انتقال حرارت از سطح قطعه توسط سرد كننده. توانايي انتقال حرارت يك فولاد توسط پارامتر نفوذ حرارتي يا نسبت هدايت حرارتي بهگرماي ويژه حجمي آن مشخص ميشود، نفوذ حرارتي محصولات دگرگوني آستنيت با كاهش دما افزايش مييابد. براي يك محيط سرد كننده سريع نفوذ حرارتي مشخص كنندهي توزيع دما در ناحيه سرد شونده است و آهنگهاي سرد شدن آهستهتر در نقاط دور از سطح و نزديك بهمركز زمان بيشتري براي دگرگوني نفوذي فراهم ميكند. از آنجا كه عملاً امكان كنترل خواص حرارتي در فولادها بسيار كم است، مهمترين روش كنترل آهنگ سرد شدن يك قطعه با انتخاب صحيح محيط سردشونده مناسب است.
انتقال حرارت در فصل مشترك قطعه فولادي با محيط سردشونده آن، مسئله نسبتاً پيچيده است. اين پديده بستگي بهشدت تششع حرارت از سطح فولاد و جريانهاي جابجايي در داخل محيط سرد كننده دارد اين امر باعث دور كردن حرارت از فصل مشترك فلز و محيط ميشود. در نظر گرفتن تمام عوامل فوق توسط محاسبات دست ي براي قطعات بزرگ و پيچيده مشكل و تا حد ي غير ممكن ميباشد [3].
استفاده از محاسبات شبيهسازي كه بهروشهاي متفاوتي مانند روش اختلاف محدود1 و روش حجم محدود2 و روش المان محدود3 انجام ميشود، ميتواند باعث كاهش هزينههاي توليد ناشي از سعي و خطا و پيشبيني بسيار ي پديدههاي متالورژيكي شود. در تحقيق حاضر نرخ سرد شدن قطعات فولادي در اثر كوئنچ توسط نرمافزار محاسباتي و برنامهنويسي MATLAB برنامهاي بهروش (اختلاف محدود) FDM نوشته شده و فرآيند شبيهسازي و سپس توسط نتايج حاصل، سختي نقاط مختلف قطعه پيشبيني شدهاست [4، 5 و 6]. اين نرمافزار صرفاً يك نرمافزار محاسباتي بوده كه با تعريف معادلات انتقال حرارت و شرايط مرزي براي آن، ميتوان مسائل مختلف مهندسي را شبيهسازي نمود.
38 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي / سال سوم / شماره سوم / پاييز 1388
روش تحقيق
2-1- تحليل حرارتي قطعه بهروش اختلاف محدود معادلات اختلاف محدود براي رفتار گذرا در سيستمهاي سه بعدي با در نظر گرفتن سرعت انباشت انرژي حرارتي در معادله (1) (انتقال حرارت هدايتي در سه بعد در شرايط پايا) بدست ميآيند. بنابراين براي شبكهبندي با اندازه Δ Δ Δx y z موازنه انرژي براي يك المان داخلي كه هيچ گرمايي در آن توليد نميشود منجر بهمعادله (2) ميگردد [3 و 4].
35860130898

T2 + T2 + T2 =0
Tm n op, , −Tm n op, , +1Tm n op, , −Tm np, +1,o
− Δ Δk x y

− Δ Δk x z

ΔzΔy
Tm n op, , −Tmp+1, ,n oTm n op, , −Tm n op, , −1
− Δ Δk y z

Δx− Δ Δk x y

Δz
Tm n op, , −Tm np, −1,oTm n op, , −Tmp−1, ,n o
− Δ Δk x z

− Δ Δk y z

ΔyΔx
Tm n op, ,+1 −Tm n op, ,
= Δ Δ Δρ x y zCpΔt
و براي يك شبكه با المانهاي مكعب مربعي بـاΔ =Δ =Δx y z معادله (3) بدست ميآيد.
640895136249

p, ,+1 =Tp, , +αΔt3⎛⎜⎜Tmnop, , 1++Tmnop, , 1−+Tmn op, 1,+⎟⎟⎞ (3)
Tmno mno ( )Δx ⎝⎜+Tmn op, 1,− +Tm nop+1, , +Tm nop−1, , −6Tmnop, , ⎠⎟ .ميباشد ⎛⎜⎜α=

ρCKp ⎞⎟⎟ منظور از آلفا، ضريب نفوذ حرارتي
⎝⎠
بههمين صورت در گره سطحي، براي سطحي كه در تماس با سيال است بهجاي ترم هدايتي از ترم همرفت ⎦⎤(0hAT( ∞ −T+⎣⎡ استفاده ميشود [3 و 4].
در اين تحقيق انتقال حرارت بهروشهاي جابجايي و همرفت در يك مكعب مربع فولادي با طول ضلع 10 سانتيمتر و با دماي اوليه 850 درجه سانتيگراد (كه در آب كوئنچ ميشود) بهروش اختلاف محدود و توسط زبان برنامهنويسي MATLAB محاسبه گرديدهاست. مشخصات فولاد (CK45) طبق جدول (1) مورد استفاده قرار گرفتهاست.

شبيهسازي حرارتي كوئنچ و پيشبينـي سـختي فـولادCK45 39

جدول (1): شماره و آناليز فولاد مورد آزمايش.
شماره استاندارد مشخصه
DIN C% Si% Mn% P %≤ S %≤ Cr% شماره SAE
1/1191 CK45 0/4 0/50
0/80 0/035 0/035 0/035 ≤ 0/4 1045

سختي آنها بررسي شدهاست، در شكل (3) مشاهده ميشوند. نمودارهاي دما– زمان براي نقاط مشخص شده در شكل (4) مشاهده ميشوند (محور زمان بهحالت لگاريتمي نيز تبديل شدهاست). سپس نمودار حاصل بر نمودار CCT فولاد مورد مطالعه انطباق داده شدهاست (شكل 5).
ابعاد قطعه 10×10×10 سانتيمتر و طول هر مش 5 ميليمتر در نظر گرفته شدهاست. دماي اوليه آب نيز 25 درجه سانتيگراد فرض شدهاست. ظرفيت گرمايي فولاد .Cp =460

Kg kj و ضريب هدايت حرارتي آن .K =30

mKW و دانسيته فولاد mKg7800
3
ρ
=

7800

3

ρ

=

منظور شدهاست. ضريب همرفت بين سطح فولاد
-5111042526و آب 2h=500m kW در نظر گرفته شدهاست (براي جابجايي آزاد). حل معادلات هدايت و همرفت بهصورت ناپايا4 بوده و تغييرات دمايي مربوط بهگذشت زمان 400 ثانيه پس از غوطهوري فولاد در آب ميباشد. در نهايت نتايج بدست آمده ترسيم با نمودارهاي CCT فولاد CK45 مقايسه شدهاند.
2-2- كوئنچ فولاد
در اين قسمت پژوهش، مكعب مربع فولادي با طول ضلع 10
سانتيمتر و از جنس CK45 بهمدت 4 ساعت در دماي 850 CK45CCT
درجه سانتيگراد آستنيته شده و سپس در وان آب كوئنچ شكل (1): نمودار براي فولاد [7].
471621128773شدهاست. ابعاد وان بهگونهاي انتخاب شده كه تا پايان سرد شدن فولاد، افزايش دماي قابل ملاحظهاي در آب ايجاد نشدهاست.
سپس قطعه فولادي سخت شده از قطر اصلي برش داده شده و سختي فلز روي قطر اصلي محل برش بررس ي شدهاست.

3- نتايج و مباحث
نمودار CCT شامل منحنيهايي در مختصات خطي دما و
هر تابع لگاريتمي سرد زمان ميكردن شوددما و تعيين شروع ميو كند.پايان نمودار تغييرات CCT آستنيت برايرا فولادبراي شكل (2): قطعه فولادي با طول ضلع 10 سانتيمتر و مش اعمال شده بر آن.
ساده كربني CK45 در شكل (1) نشان داده شدهاست.
شكل اوليه قطعه و مش (تقسيمبندي) اعمال شده بر آن در شكل (2) مشاهده ميشود. صفحه برش قطعه فولادي و نقاطي كه
72389358111

40 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي / سال سوم / شماره سوم / پاييز 1388

شكل (3): صفحه برش و نقاط مورد بررسي در قطعه.

با انطباق نمودارهاي دما و زمان براي نقاط معرفي شده فولاد كه توسط محاسبات شبيهسازي بدست آمدهاند و نمودار CT فولاد
CK45 (شكل 5) مشاهده ميشود كه ريزساختار
گوشههاي قطعه داراي ساختار باينيتي و لايه داخليتر داراي ريزساختار پرليتي- باينيتي و قسمت داخلي داراي ريزساختار فريتي- پرليتي ميباشد. نتايج سختيسنجي فولاد براي يازده نقطه مورد آزمايش در شكل (6) نشان داده شدهاست.
از شكل (6) مشاهده ميشود كه سختي قطعه فولادي كوئنچ از سطح بهمغز كاهش يافتهاست. كه علت اين امر كمتر بودن نرخ انتقال حرارت فلز بهمحيط بيرون ميباشد. تطبيق خوبي بين نتايج شبيهسازي و آزمون سختيسنجي فولاد مشاهده ميشود.
كد شبيهسازي حاضر، مورد مناسبي براي شبيهسازي ريزساختار و سختي قطعات فولادي كوئنچشده ميباشد.

شكل (4): نمودار دما- زمان بر مبنا ي ده (بالا) و لگاريتمي (پايين) براي يازده نقطه معين شده در شكل (3).

شكل (5): انطباق منحنيهاي سرد شدن نقاط مورد بررسي بر نمودار CCT فولاد CK45 با ابعاد ده سانتيمتر (دما بر حسب لگاريتم زمان).

شبيهسازي حرارتي كوئنچ و پيشبينـي سـختي فـولادCK45 41

3131058263310
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Poisition
Hardness (HRC)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید