Software per simulare le trasformazioni di fase nei metalli

Tre modelli di una billetta in acciaio che mostrano frazione di fase della martensite, deformazione plastica e sollecitazione assiale.

Tempra dell'acciaio

La tempra dell'acciaio è un processo di trattamento termico in cui le parti in acciaio, riscaldate fino allo stato completamente austenitico, vengono raffreddate rapidamente. Si tratta di un processo multifisico, poiché coinvolge una combinazione di decomposizione dell'austenite, trasferimento di calore e analisi strutturale. Il Metal Processing Module offre caratteristiche e funzionalità specializzate per facilitare la configurazione del modello per questo processo multifisico.

Dopo aver eseguito l'analisi, è possibile esaminare la composizione delle fasi e l'influenza della velocità di raffreddamento sulle distorsioni finali e sulle sollecitazioni residue durante il raffreddamento di un componente. Questi risultati forniscono informazioni sull'efficacia di un determinato agente di raffreddamento e su come la geometria fisica di un componente influenzi la composizione di fase raggiungibile al suo interno.

Carburazione

Il processo di carburazione consiste nel riscaldare un componente in acciaio ed esporlo ad un ambiente ricco di carbonio, per esempio monossido di carbonio. La diffusione del carbonio dall'ambiente circostante avviene attraverso la superficie e nel materiale per mezzo di un processo di diffusione dipendente dal tempo. L'esecuzione di analisi di carburazione aiuta a garantire che il processo sia eseguito correttamente; la carburazione seguita da tempra può produrre sollecitazioni di compressione sulla superficie di un componente, il che aiuta a ridurre il rischio di fatica.

Ingranaggio cilindrico visualizzato in arancione, giallo e verde; manca una sezione, che rivela l'interno dell'ingranaggio.

Ricottura

Spesso è necessario modellare il riscaldamento dell'acciaio che ha subito una deformazione plastica. Quando viene esposto a temperature sufficientemente elevate, l'acciaio perde l'indurimento precedente e questo effetto deve essere incluso nel modello. Il Metal Processing Module, combinato con il Nonlinear Structural Materials Module, offre funzionalità per la modellazione della ricottura. Queste consentono di specificare una temperatura di ricottura; a questa temperatura o a una temperatura superiore, il precedente indurimento da lavoro dell'acciaio viene eliminato mediante un reset delle variabili di indurimento plastico.

Questa capacità di modellazione è particolarmente preziosa negli scenari che prevedono cicli termici, come la saldatura multipass. In queste situazioni, lo stato di sollecitazione residua del materiale è significativamente influenzato dalla sua storia plastica.

Caratteristiche e funzionalità del Metal Processing Module

Simula trasformazioni di fase metallurgiche e fenomeni correlati.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di Phase Transformation e un grafico 2D della frazione di fase dell'austenite.

Trasformazioni di fase nel metallo

L'interfaccia Metal Phase Transformation è usata per studiare le trasformazioni di fase metallurgiche che avvengono in un materiale come l'acciaio durante il riscaldamento o il raffreddamento. Con la funzione Metallurgical phase è possibile definire la frazione di fase iniziale e le proprietà del materiale; con la funzione Phase transformation si può definire la fase sorgente, la fase destinazione e il modello di trasformazione di fase.

Per le trasformazioni di fase controllate dalla diffusione, come quando l'austenite si decompone in ferrite, sono disponibili tre tipi di modelli di trasformazione di fase: Leblond–Devaux, Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK) e Kirkaldy–Venugopalan.. Per la modellazione delle trasformazioni di fase martensitiche displacive (senza diffusione) è disponibile il modello Koistinen–Marburger. Questi modelli di trasformazione di fase possono essere definiti utilizzando, per esempio, dati di diaframma TTT. I dati di trasformazione di fase sono definiti separatamete per ciascun modello ed è possibile importare i dati dal software JMatPro^®. Oltre a modellare le trasformazioni di fase negli acciai, è possibile modellare metalli come le leghe di titanio, che sono usate frequentemente per l'additive manufacturing, e si possono definire liberamente i propri modelli di trasformazione di fase.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Austenite Decomposition evidenziato e lo sforzo in un modello di ingranaggio cilindrico nella finestra Graphics.

Decomposizione dell'austenite

L'interfaccia Austenite Decomposition è una versione particolare dell'interfaccia Metal Phase Transformation e si usa per modellare la decomposizione dell'austenite durante il raffreddamento rapido dell'acciaio dallo stato austenitico. L'interfaccia include automaticamente le fasi metallurgiche — austenite, ferrite, perlite, bainite e martensite — così come le trasformazioni di fase che possono avvenire durante il processo di tempra.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo del risultato Carbon Concentration selezionato e un ingranaggio in acciaio mostrato nella finestra Graphics.

Carburazione

L'interfaccia Carburization si usa per modellare i processi di carburazione durante il trattamento termico. Questa interfaccia permette di definire la concentrazione di carbonio nell'ambiente circostante, specificare il modo in cui il carbonio può muoversi attraverso la superficie e diffondersi all'interno del componente.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Optimization evidenziato e un diagramma TTT nella finestra Graphics.

Calibra i modelli di trasformazione di fase

Quando si definiscono i propri modelli di trasformazione di fase per utilizzarli in una simulazione, può essere necessaria una calibrazione sperimentale per una data trasformazione di fase. Per facilitare la calibrazione rispetto ai dati sperimentali è possibile calcolare diagrammi di trasformazione di fase comuni, come la trasformazione di raffreddamento continuo (CCT) e i diagrammi di trasformazione di tempo e temperatura (TTT). Va ricordato che è richiesto l'Optimization Module per la calibrazione rispetto ai dati TTT.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Phase Transformation Latent Heat evidenziato e la temperatura di una barra rotonda nella finestra Graphics.

Trasferimento di calore con trasformazioni di fase

L'interfaccia multifisica Heat Transfer with Phase Transformations può essere usata per modellare le trasformazioni di fase metallurgiche durante il carico termico. Il Metal Processing Module è in grado di modellare il trasporto di calore usando l'equazione del calore completa nell'analisi. Viene impostato automaticamente un accoppiamento multifisico per tenere conto del calore latente. La conducibilità termica, la densità e la capacità termica specifica possono essere dipendenti dalla temperatura e possono anche dipendere dalla composizione della fase corrente. Per esempio, la conducibilità termica dell'austenite è diversa da quella della ferrite e, con l'evoluzione delle frazioni di fase, lo sarà anche la conducibilità termica del materiale composto.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con tre nodi fisici evidenziati e tre risultati del modello di una billetta d'acciaio nella finestra Graphics.

Tempra dell'acciaio

È disponibile un'interfaccia multifisica predefinita Steel Quenching che imposta automaticamente la simulazione di tempra dell'acciaio e aggiunge un'interfaccia Austenite Decomposition e le interfacce Solid Mechanics e Heat Transfer in Solids. Gli accoppiamenti multifisici sono impostati automaticamente per tenere conto degli sforzi di trasformazione di fase e del calore latente per le singole fasi metallurgiche.

Quando è combinato con il Nonlinear Structural Materials Module, il Metal Processing Module può essere usato per fare calcoli dettagliati delle tensioni e degli sforzi durante la tempra. Sono incluse le deformazioni plastiche delle singole fasi metallurgiche, mentre la possibilità di recupero plastico e uno schema di ponderazione non lineare possono essere usati per modellare la tensione di snervamento iniziale effettiva del materiale composto. La temperatura di riferimento del volume e il coefficiente di espansione termica sono usati per calcolare il tensore di deformazione termica in ogni fase. Possono essere analizzati anche gli effetti di plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP), quando la deformazione anelastica del materiale è il risultato di sollecitazioni inferiori al limite di snervamento e non provocherebbe una plasticità in senso classico.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Metal Phase Transformation evidenziato e i risultati di una barra rotonda nella finestra Graphics.

Proprietà di fase e materiale composto

Le interfacce Metal Phase Transformation e Austenite Decomposition possono calcolare le proprietà materiali effettive basate sulle proprietà materiali delle singole fasi metallurgiche. Queste proprietà effettive possono essere utilizzate in modo trasparente da altre interfacce, come Heat Transfer in Solids e Solid Mechanics. Le proprietà dei materiali sono definite separatamente per ogni fase metallurgica e si possono importare dal software JMatPro^®.

Oltre a modellare le trasformazioni di fase negli acciai, è possibile modellare metalli come le leghe di titanio, che sono frequentemente utilizzati nella produzione additiva (additive manufacturing), e si possono definire liberamente i propri modelli di trasformazione di fase.

Espandi le tue simulazioni con il Metal Processing Module

Come per gli altri prodotti della suite, quando si aggiunge il Metal Processing Module a COMSOL Multiphysics^® le caratteristiche e le funzionalità sono completamente integrate nel flusso di lavoro di modellazione e pronte per essere utilizzate con qualsiasi altro modulo. Per esempio, potete combinare il Metal Processing Module con:

Nonlinear Structural Materials Module per fare studi dettagliati delle tensioni residue e degli sforzi nelle simulazioni di tempra.
Heat Transfer Module per combinare gli effetti della radiazione termica, che possono essere rilevanti in un processo di tempra.
AC/DC Module per eseguire simulazioni di tempra a induzione nel caso in cui si usi il campo di temperatura calcolato da una simulazione di riscaldamento a induzione come input per una simulazione di tempra.

Visualizzazione dettagliata della sollecitazione su una barra metallica circolare.

Visualizzazione dettagliata della temperatura e dei campi elettromagnetici di un modello di una billetta d'acciaio.

Metal Processing Module

Tempra dell'acciaio

Carburazione

Ricottura