Modelado de transformaciones metalúrgicas durante procesos de temple utilizando herramientas de software libre
2014
| Título | Modelado de transformaciones metalúrgicas durante procesos de temple utilizando herramientas de software libre |
| Nombre | CELLERI, Humberto Mauro |
| Directores | Ing. Passarella Diego Nicolás . Universidad Nacional de Quilmes. Argentina . . Dr. Portela Iván Víeitez . Universidad de Vigo. España |
| Tutor | Ing. Anteri Guillermo . CNEA, UNSAM |
| Jurado | . |
| Lugar de realización | Universidad Nacional de Quilmes Departamento de Ciencia y Tecnología, Argentina |
| Código | IT/IM - TS/123-14 |
Resumen
El objetivo de este trabajo es comparar el efecto que poseen distintos modelos de transformación metalúrgicos sobre la simulación numérica del proceso de temple. Se calcula la evolución de la temperatura, las fracciones transformadas y tensiones y deformaciones durante el proceso.
El cálculo se realiza con el software OpenSource de elementos finitos Code Aster.
El temple es un proceso sumamente complejo, involucra numerosos campos físicos. Para simularlo, es necesario conocer y modelar numéricamente los distintos mecanismos físicos que intervienen en el proceso (térmico, metalúrgico y mecánico). En este trabajo se estudia el efecto de distintos modelos de transformación metalúrgica. Code Aster incluye el modelo propuesto por Waeckel, el cual utiliza un método interpolativo para hallar la velocidad de cambio de fase. Se incorpora al código fuente de Code Aster el modelo JMA-K para transformaciones anisotérmicas. Este modelo se aplica al estudio de curvas de enfriamiento mediante la discretización temporal en pasos asumidos isotérmicos y se aplica una regla de aditividad que define el tiempo de incubación de la transformación. Además se acoplan los campos térmico y metalúrgico mediante un esquema que incluye el calor de transformación en el cálculo térmico.
Utilizando los modelos descriptos, se simula el proceso de temple en un cilindro de acero eutectoide, identificando los campos físicos involucrados, y planteando modelos matemáticos que los representen. Se estudia el efecto de la severidad de temple mediante la aplicación de dos condiciones de enfriamiento. Que junto al estudio de los tres modelos de cálculo metalúrgico dan un total de 6 casos de estudio que permiten observar comportamientos muy variados. Entre ellos, un caso de severidad de temple moderada, en el que se observan notables diferencias entre el cálculo acoplado y el desacoplado. El otro caso corresponde a un temple severo, en el que se encuentran menores diferencias entre los resultados.
Palabras clave: Code_Aster, JMAK, Diagrama TTT, Diagrama CCT, tratamiento térmico de temple.
El cálculo se realiza con el software OpenSource de elementos finitos Code Aster.
El temple es un proceso sumamente complejo, involucra numerosos campos físicos. Para simularlo, es necesario conocer y modelar numéricamente los distintos mecanismos físicos que intervienen en el proceso (térmico, metalúrgico y mecánico). En este trabajo se estudia el efecto de distintos modelos de transformación metalúrgica. Code Aster incluye el modelo propuesto por Waeckel, el cual utiliza un método interpolativo para hallar la velocidad de cambio de fase. Se incorpora al código fuente de Code Aster el modelo JMA-K para transformaciones anisotérmicas. Este modelo se aplica al estudio de curvas de enfriamiento mediante la discretización temporal en pasos asumidos isotérmicos y se aplica una regla de aditividad que define el tiempo de incubación de la transformación. Además se acoplan los campos térmico y metalúrgico mediante un esquema que incluye el calor de transformación en el cálculo térmico.
Utilizando los modelos descriptos, se simula el proceso de temple en un cilindro de acero eutectoide, identificando los campos físicos involucrados, y planteando modelos matemáticos que los representen. Se estudia el efecto de la severidad de temple mediante la aplicación de dos condiciones de enfriamiento. Que junto al estudio de los tres modelos de cálculo metalúrgico dan un total de 6 casos de estudio que permiten observar comportamientos muy variados. Entre ellos, un caso de severidad de temple moderada, en el que se observan notables diferencias entre el cálculo acoplado y el desacoplado. El otro caso corresponde a un temple severo, en el que se encuentran menores diferencias entre los resultados.
Palabras clave: Code_Aster, JMAK, Diagrama TTT, Diagrama CCT, tratamiento térmico de temple.
Complete Title
Abstract
Quenching process is applied to steel pieces to improve their mechanical properties, enhance hardness and strength, and to obtain the desired microstructure distribution. Geometrical distortions and residual stresses must be maintained within specification. This type of heat treatment is widely used in metal-mechanic industry.
The quenching process involves different physical fields: thermal, metallurgical and mechanical.
Problem complexity increases as a consequence of physical fields interaction. Therefore, afecting mechanisms must be completely determined, and appropriate models elaborated if accurate predictions are pursued.
Waeckels metallurgical transformation model is based on the numerical integration of the phase transformations rate. Phase fraction evolution is solved by considering continuous cooling diagrams (CCT) and interpolating already known experimental thermo-metallurgical histories. On the other hand, Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMA-K) isothermal transformation model, is applied to continuous cooling by discretizing it as a succession of isothermal steps, in addition to an additivity rule to define the onset of transformation.
The importance of this work relies on heat treatments industry necessity to reduce cost by reducing the number of rejected pieces. In this work, the focus is on the numerical simulation of an eutectoid steel piece quenching process. The effect of different metallurgical transformation models on final properties after quenching are assessed. Open-source thermo-mechanical and metallurgical software, Code_Aster, which already has Waeckels transformation model built-in, is adapted to implement the JMA-K anisothermal model and a coupled thermo-metallurgical scheme resolved. Two different cooling conditions are studied in a total of 6 study cases. The results are highly interesting, since they include a wide number of quenching behaviors.
Among them, a case predicts significant differences between the metallurgical response to coupled and uncoupled models. Another case with higher quenching severity attains an almost fully martensitic structure, and so the changes implemented has less significance.
Key words: Code Aster, JMAK, IT diagram, CCT diagram, quenching heat treatment.
The quenching process involves different physical fields: thermal, metallurgical and mechanical.
Problem complexity increases as a consequence of physical fields interaction. Therefore, afecting mechanisms must be completely determined, and appropriate models elaborated if accurate predictions are pursued.
Waeckels metallurgical transformation model is based on the numerical integration of the phase transformations rate. Phase fraction evolution is solved by considering continuous cooling diagrams (CCT) and interpolating already known experimental thermo-metallurgical histories. On the other hand, Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMA-K) isothermal transformation model, is applied to continuous cooling by discretizing it as a succession of isothermal steps, in addition to an additivity rule to define the onset of transformation.
The importance of this work relies on heat treatments industry necessity to reduce cost by reducing the number of rejected pieces. In this work, the focus is on the numerical simulation of an eutectoid steel piece quenching process. The effect of different metallurgical transformation models on final properties after quenching are assessed. Open-source thermo-mechanical and metallurgical software, Code_Aster, which already has Waeckels transformation model built-in, is adapted to implement the JMA-K anisothermal model and a coupled thermo-metallurgical scheme resolved. Two different cooling conditions are studied in a total of 6 study cases. The results are highly interesting, since they include a wide number of quenching behaviors.
Among them, a case predicts significant differences between the metallurgical response to coupled and uncoupled models. Another case with higher quenching severity attains an almost fully martensitic structure, and so the changes implemented has less significance.
Key words: Code Aster, JMAK, IT diagram, CCT diagram, quenching heat treatment.
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