بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش شبیهسازی تبلورمجدد استاتیکی و تغییرات ریزساختاری سوپرآلیاژ پایه نیکل Nimonic 80A در حین آنیل همدما با استفاده از روش اتوماسیون سلولی مورد بررسی قرار گرفته است. سینتیک تبلور مجدد استاتیکی وابسته به توزیع انرژی کرنشی ذخیره شده در ماده میباشد. به منظور بدست آوردن پارامترهای موثر بر تبلورمجدد استاتیکی نظیر توزیع کرنش و انرژی ذخیره شده در مقیاس بزرگ از یک مدل اجزای محدود استفاده شده است. برای بررسی شبیهسازی تغییرات ریزساختاری این آلیاژ در حین آنیل همدما در مقیاس میانی از روش اتوماسیون سلولی احتمالاتی استفاده شده است. در این مدل نرخ جوانهزنی دانههای جدید تابعی از انرژی ذخیره شده و دمای آنیل در نظر گرفته شده است. همچنین نیروی محرکه پویش مرزدانهها تابعی از توزیع انرژی کرنشی در ماده در نظر گرفته شده است. با استفاده از این مدل تاثیر ناهمگنی تغییر شکل در سینتیک و توزیع تبلور مجدد استاتیکی در حین آنیل در نظر گرفته شده است. نتایج تجربی با نتایج شبیهسازی مقایسه شده و تطابق خوبی در سینتیک تبلورمجدد و توزیع ریزساختار مشاهده شده است.
کلمات کلیدی: تبلورمجدد استاتیکی، روش اتوماسیون سلولی، شبیهسازی ریزساختار، سوپرآلیاژ پایه نیکل .Nimonic 80A
مقدمه
تغییر شکل پلاستیک سرد فلزات و آلیاژها منجر به افزایش دانسیته عیوب کریستالی و همچنین تغییرات ریزساختاری شده که این امر خواص فیزیکی و مکانیکی ماده را تحت تاثیر قرار میدهد. ریزساختار تغییرشکل یافته پس از اعمال کار سرد به دلیل افزایش انرژی ذخیره شده در سیستم نیروی محرکه لازم برای آنیل را فراهم میکند. آنیل پس از تغییرشکل سرد یکی از روشهای مهم برای کنترل ریزساختار نهایی فلزات و آلیاژها میباشد. در حین فرآیند آنیل پدیدههای بازگشت همچون بازیابی و تبلورمجدد رخ داده که به شدت ریزساختار و خواص مکانیکی نهایی را تحت تاثیر قرار میدهند .[2 ,1] از آنجایی که در بیشتر فرآیندهای شکلدهی، تغییرشکل ناهمگن است لذا لازم است الگوریتمی وجود داشته باشد که توزیع اندازه دانه و مورفولوژی دانهها را به طور مشخص، تعیین کند .[3]
طراحی چنین ابزار شبیهسازی که بتواند خواص ذاتی ماده همچون انرژی و تحرک مرزدانه و توپولوژی ریزساختار را در نظر بگیرد و در نهایت مشخصات ریزساختاری ماده را بدست دهد، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. روشهای مختلفی برای شبیهسازی ریزساختار ارئه شدهاند که میتوان به روش مونت کارلو [4]، روش میدان فازی [5]، ورتکس [6] و روش اتوماسیون[7] سلولی اشاره کرد. روشی که امروزه بیشتر مورد توجه محقیقین بوده روش اتوماسیون سلولی بوده که در مقایسه با سایر روشها به دلیل قابلیت به کارگیری همزمان متغیرهای مختلف و سادگی محاسبات - کاهش زمان محاسبه و کاهش پیچیدگی کد کامپیوتری از نظر ذخیره و الگوریتم - روش مناسبی برای شبیهسازی فرآیندهای پیچیده که تحت پارامترهای مختلف قرار دارند، است.
این روش اولین بار توسط [8] Neumann در سال 1966 پیشنهاد گردید و تاکنون برای پدیده های مختلفی در زمینه تبلورمجدد شامل استاتیکی و دینامیکی استفاده شده است. روش اتوماسیون سلولی برای شبیهسازی تبلورمجدد استاتیکی اولین بار توسط [9] Hesselbarth معرفی گردید. Turk و [10] Kugler با اصلاح مدلهای ارائه شده، اثر ریزساختار اولیه بر سینتیک تبلورمجدد استاتیکی و اندازه دانه نهایی مورد بررسی قرار دادند. Lin و همکارانش [11] به بررسی رفتار تبلورمجدد استاتیکی در تغییرشکل داغ یک سوپرآلیاژ نیکل پرداختند. سراج زاده و سیدصالحی [12] با استفاده از روش سلولی به شبیه سازی تغییرات ریزساختاتی یک فولاد کم کربن در حین آنیل غیرهمدما بعد از تغییرشکل سرد پرداختند.
در این مقاله هدف ارائه مدلی است که با در نظر گرفتن اندازه دانه اولیه و اعمال توپولوژی تغییرشکل بر روی ریزساختار اولیه و نیز شرایط آنیل بتواند سینتیک و ریزساختار تبلورمجدد را پیشبینی کند. به این منظور از ترکیب روش اتوماسیون سلولی و اجزای محدود استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل المان محدود جهت تحلیل فرآیند آزمون فشار جانبی به عنوان شرایط اولیه برای شبیهسازی تبلورمجدد استاتیکی مورد استفاده قرار گرفته است. از اینرو با توجه به اصول فیزیکی از روش اتوماسیون سلولی احتمالاتی استفاده شده است تا ریزساختارتبلورمجدد استاتیکی در فرآیند آنیل نمونههای سوپرآلیاژ را پیشبینی کند. همچنین در این مدل انرژی ذخیره شده در ماده تابعی از توزیع انرژی کرنشی در ماده در نظر گرفته شده است تا با استفاده از این مدل تاثیر ناهمگنی تغییر شکل در حین تغییرشکل در نظر گرفته شود.
روش تحقیق
در این تحقیق به منظور شبیهسازی تبلورمجدد استاتیکی در سوپرآلیاژ پایه نیکل Nimonic 80A ابتدا تغییرشکل سرد آلیاژ با استفاده از روش المان محدود به کمک نرم افزار آباکوس شبیهسازی شده تا توزیع کرنش و تنش و دیگر مقادیر مورد نیاز در نقاط مختلف ماده محاسبه شده و نتایج حاصل از آن به عنوان ورودی به الگوریتم اتوماسیون سلولی منتقل شود. سپس توسط روش سلولی سینتیک و تغییرات ریزساختاری در حین آنیل بطور دقیقی پیش بینی گردید. به این منظور نمونههای سوپرآلیاژ پایه نیکل با ترکیب شیمیایی ارائه شده در جدول 1 با استفاده از فرآیند تغییرشکل آزمون فشار جانبی تا 40% کاهش ضخامت تغییرشکل یافتند.
مدل اجزای محدود
در این پژوهش یک مدل المان محدود برای پیشبینی میدان کرنش و تنش و توزیع انرژی ذخیره شده در ماده با بکارگیری نرم افزار اجزای محدود آباکوس ارائه شده است. بدین منظور انرژی ذخیره شده در ماده از آنالیز اجزای محدود محاسبه شده و سپس در مدل سلولی برای تعیین سینتیک تبلور مجدد استاتیکی بکار برده شد. برای نیل به این اهداف آزمون فشار جانبی به عنوان یک فرآیند تغییرشکل در نظر گرفته شد. برای آزمون فشار جانبی ماده مورد نظر بصورت الاستیک-پلاستیک انتخاب شد و شرایط کار سختی نیز در نظر گرفته شد. سایر شرایط مکانیکی حاکم بر مساله نیز بصورت داده های اولیه از خواص ماده مورد نظر به نرم افزار ارائه گردید که مقادیر بکار برده شده در جدول 2 آورده شده است.
