Модуль металлургия

Моделируйте фазовые переходы в сталях и сплавах с помощью модуля Металлургия

Фазовые переходы в твердых телах

В процессе нагрева или охлаждения стали и других сплавов в материале могут происходить фазовые превращения. Иногда подобные фазовые переходы осуществляются преднамеренно в процессе термической обработки механических деталей, а в других ситуациях, как например во время сварки, они могут быть нежелательны. Фазовые состояния стали и сплавов определяют механические и теплофизические свойства этих материалов, поэтому качество и характеристики детали можно повысить, если оптимизировать фазовый состав материала. Модуль расширения Металлургия, входящий в состав программного продукта COMSOL Multiphysics^®, позволяет моделировать фазовые переходы в сталях и сплавах при решении трехмерных, двумерных и двумерных осесимметричных задач.

Область применения модуля Металлургия

Модуль Металлургия содержит полный набор инструментов для моделирования таких технологических процессов, как термообработка и закалка стали, сварка и аддитивное производство. Эти инструменты представлены в виде физических интерфейсов, которые предназначены для настройки и решения уравнений, описывающих перечисленные технологические процессы.

Термическая обработка и закалка стали

Закалка стали — это процесс термической обработки, в котором стальные детали, нагретые до температуры, соответствующей состоянию аустенита, быстро охлаждаются. Анализ процесса закалки требует решения мультифизической задачи, включающей моделирование распада аустенита, теплопередачи и напряженно-деформированного состояния. При использовании мультифизического интерфейса Steel Quenching (Закалка стали), входящего в состав модуля Металлургия, в расчетную модель автоматически добавляются несколько узлов, упрощающих настройку модели. В настройках интерфейса необходимо задать параметры аустенита, феррита, перлита, бейнита и мартенсита, а также выбрать модель фазового перехода из аустенита во все остальные фазовые состояния. Мультифизические связки настроены таким образом, чтобы учесть тепловые эффекты и деформации, обусловленные фазовыми переходами.

Кроме того, мультифизические связки позволяют учесть зависимость механических свойств материалов от температуры, и задать энергию диссипации при пластической деформации в качестве внутреннего источника теплоты для теплового анализа. После завершения расчета можно проанализировать фазовый состав, а также влияние скорости охлаждения на остаточные напряжения и деформации, возникшие в результате закалки детали. Эти данные помогут оценить эффективность процедуры закалки при конкретных условиях и понять, как геометрия детали влияет на итоговый фазовый состав.

Цементация

Процесс цементации заключается в нагреве стальной заготовки и размещении её в среде с высоким содержанием углерода, например в углекислом газе. Углерод, содержащийся в окружающей среде, проникает через поверхность внутрь материала в результате нестационарной диффузии. Гибкие настройки программного продукта позволяют достаточно легко смоделировать мультифизические процессы термической обработки, такие как цементация, поскольку параметры модели фазового перехода можно изменить, чтобы ввести в модель зависимость от рассчитанного содержания углерода. Моделирование цементации помогает убедиться в том, что процесс осуществляется правильно; цементация и последующая закалка детали могут привести к возникновению сжимающих усилий на поверхности детали, а этот эффект позволяет повысить сопротивление усталости.

TRIP-стали (пластичность, наведенная превращением)

Обычно фазовые превращения происходят, пока материал подвержен механическим нагрузкам, что приводит к проявлению эффекта наведенной пластичности (TRIP). Неупругая деформация материала в этом случае обусловлена приложенными нагрузками, уровень которых не превышает предела текучести, и которые не могут вызвать пластическое течение в рамках обычной теории пластичности. Инструменты модуля Металлургия позволяют анализировать TRIP-эффект (эффект пластичности, наведенной фазовыми превращениями), например, в процессе перехода аустенитной фазы в мартенситную.

Контролируемые диффузией и бездиффузионные фазовые превращения

Для описания фазовых переходов, контролируемых диффузией, таких как распад аустенитной фазы до феррита, реализованы два типа моделей: модели Леблона-Дево и Джонсона — Мела — Аврами — Колмогорова (JMAK). Для моделирования бездиффузионных мартенситных фазовых превращений в модуле представлена модель Койстинена — Марбургера. Все эти модели доступны при использовании универсального интерфейса Metal Phase Transformation (Фазовые переходы в сталях и сплавах), в настройках которого можно задать произвольное число фаз и фазовых переходов.

Кроме того, можно описать собственную модель фазового перехода или выполнить калибровку моделей на основе экспериментальных данных. Также для упрощения калибровки моделей по экспериментальным данным можно рассчитать традиционные фазовые диаграммы, например диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (CCT) или диаграммы в координатах время-температура (TTT).

Прочностной анализ

Напряжения и деформации рассчитываются на основе эффективных свойств материала, которые, как правило, зависят от температуры и фазового состава. Упругопластические свойства многокомпонентных материалов осредняются по каждой отдельной фазе. В случае, когда твердость одной из фаз намного выше остальных, для определения начального предела текучести многокомпонентного материала можно использовать нелинейную взвешенную схему. Для постепенного образования фаз без учета предыстории пластической деформации имеется специальная опция plastic recovery (восстановление пластического состояния). Для расчета тензора термической деформации каждой фазы используются опорное значение температуры и коэффициент объемного расширения. Тензор термической деформации многокомпонентного материала получается осреднением тензоров всех фаз. Модуль Металлургия можно использовать совместно с модулем Механика конструкций для проведения более сложного и детального прочностного анализа.

Тепловой анализ

В модуле Металлургия представлены инструменты моделирования теплопередачи на основе решения полного уравнения сохранения энергии. Кроме того, можно учесть зависимость коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости от температуры и даже от текущего фазового состава. Например, значения коэффициента теплопроводности аустенита и феррита отличаются, поэтому в процессе изменения фазового состава значение коэффициента теплопроводности многокомпонентного материала будет изменяться. Для более сложного и детального теплового анализа модуль Металлургия можно использовать совместно с модулем Теплопередача.

Индукционное упрочнение

Если подключить модуль AC/DC, можно моделировать процесс индукционного упрочнения, при этом рассчитанное поле температуры, обусловленное индукционным нагревом, будет использовано в качестве входных данных для моделирования процесса закалки.