بخشی از مقاله
چکیده
در فرآیندهای شکل دهی فلزات، از جمله مشکلاتی که بروز می کند افزایش ناخواسته دمای نمونه در اثر اعمال کرنش و همچنین عدم توزیع یکنواخت کرنش اعمالی در همه نواحی فلز در حال تغییر شکل می باشد. در این تحقیق با استفاده از روش المان محدود توزیع تغییرات کرنش پلاستیک و همچنین تغییرات دمای فلز در حین تغییر شکل فشار گرم فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 321 بصورت تابعی از جابجایی فک دستگاه پرس استخراج گردیده و با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته است.
از مقایسه نتایج حاصل از تحلیل المان محدود با نتایج تجربی حاصل از آزمون فشار داغ در مورد منحنی های نیرو-جابجایی دیده می شود انطباق خوبی بین این دو نوع نتایج وجود دارد. نتایج شبیه سازی مبین آن است که در نرخ کرنشهای بالاتر و دماهای تغییر شکل پایین تر میزان افزایش دما بیشتر می باشد. همچنین مشاهده می شود کرنش پلاستیک پیش بینی شده، از طریق تحلیل المان محدود، برای مرکز نمونه در حدود 1/4 می باشد و این در حدود 0/6 بالاتر از مقدار کرنش پلاستیک به دست آمده از روابط تجربی می باشد. دلیل این اختلاف ناشی از در نظر گرفته نشدن تاثیر اصطکاک در شبیه سازی می باشد.
مقدمه
فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل داشتن استحکام دمای بالا و مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون عالی در بسیاری از سازه های مهندسی کابرد گسترده ای یافته اند. از جمله مشکلاتی که در فرآیندهای شکل دهی این فولادها بروز می کند افزایش ناخواسته دمای نمونه در اثر اعمال کرنش و همچنین عدم توزیع یکنواخت کرنش اعمالی در همه نواحی فلز در حال تغییر شکل می باشد.
اولاً بروز این مشکلات به پارامترهای مختلفی در حین شکل دهی بستگی دارد ، ثانیاً وقوع آنها اثرات نامطلوب و نتایج پیش بینی نشده ای بر پدیده های متالورژیکی مختلف که در حین تغییر شکل داغ در درون فلز اتفاق می افتد و همچنین بر ساختار دانه بندی، بافت و خواص مکانیکی محصول تولیدی بجا می گذارد. برخلاف تحقیقات گسترده ای که در شناخت رفتار تغییر شکل گرم فولادهای زنگ نزن آستنیتی 304 و 316 انجام گرفته است
اطلاعات محدودی در مورد شبیه سازی توزیع پارامترهای شکل دهی در فولاد زنگ نرن آستنیتی 321 در دسترس است. بنابر این در تحقیق حاضر با استفاده از روش المان محدود توزیع تغییرات کرنش پلاستیک و همچنین تغییرات دمای فلز در حین تغییر شکل فشار گرم فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 321 بصورت تابعی از جابجایی فک دستگاه پرس استخراج گردیده و با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته است.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI321 به عنوان ماده اولیه استفاده شد. ترکیب شیمیایی فولاد مذکور در جدول - 1 - درج شده است. ابتدا نمونه های آزمون فشار داغ با قطر 10 و طول 15 میلیمیتر تهیه شدند. آزمون فشار داغ با استفاده از دستگاه Zwick-Roell Z250 با ظرفیت 25 تن انجام شد که مجهز به کوره و نرم افزار کامپیوتری برای ثبت تغییرات نیرو بر حسب زمان می باشد. آزمون فشار داغ تک مرحله ای در محدوده دمایی 1200-800 درجه سانتیگراد و محدوده نرخ کرنش 1-0/001 بر ثانیه انجام گرفت.
بعد از فشار داغ، نمونه ها ریزساختار آنها مورد بررسی قرار گرفت. به منظور بررسی نحوه توزیع کرنش در نمونه های تغییر شکل یافته و همچنین تعیین مقدار افزایش دما در نمونه ها در حین آزمون فشار داغ از شبیه سازی المان محدود استفاده شد.
شبیه سازی ها با استفاده از نرم افزار Deform 3D V10.2 و به صورت سه بعدی انجام گرفت و صحت نتایج با مقایسه کردن منحنیهای نیرو جابجایی حاصل از شبیه سازی المان محدود با منحنیهای نیرو- جابجایی تجربی مورد تایید قرار گرفت. اندازه نمونه ها در شبیه سازی مشابه با نمونه های آزمون فشار داغ - قطر 10 میلیمتر و طول 15 میلیمتر - در نظر گرفته شد. فکهای دستگاه پرس به صورت جسم صلب در نظر گرفته شد. مش بندی آن با استفاده از 10000 المان از نوع هرمی با چهار راس انجام گرفت.
برای جلوگیری از متوقف شدن شبیه سازی به دلیل تغییر شکل یافتن شدید و موضعی المانها، از قابلیت المان بندی مجدد اتوماتیک استفاده شد. دمای اولیه فکهای دستگاه، نمونه و محیط اطراف آن برابر با دمای تغییر شکل مورد نظر قرار داده شد همچین اطلاعات مربوط به خواص مکانیکی نمونه ها از منحنیهای سیلان بدست آمده از آزمون فشار داغ، که به صورت منحنی تنش حقیقی-کرنش حقیقی می باشند، استخراج شد. علاوه بر این فرض شد که 90 درصد انرژی اعمالی به صورت حرارت از دست رفته و تنها 10 درصد آن صرف تغییر شکل نمونه ها میشود.
نتایج و بحث شبیهسازی المان محدود منحنیهای نیرو- جابجایی در آزمون فشار داغ
به منظور تعیین میزان افزایش دمای نمونه در حین فرایند فشار داغ و حذف اثر افزایش دما از منحنی های سیلان فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 321 از تحلیل المان محدود استفاده شد. در این تحلیل از منحنی های سیلان حاصل از آزمون فشار داغ و همچنین ضریب اصطکاک محاسبه شده از روی ابعاد نمونه های بشکه ای شده به عنوان ورودی به نرم افزار DEFOM 3D استفاده شد.
در شکل - 1 - تغییرات دمایی در مرکز نمونه به صورت تابعی از جابجایی فک دستگاه پرس ترسیم گردیده است. همانطورکه مشاهده می شود در نرخ کرنشهای بالاتر و دماهای تغییر شکل پایین تر میزان افزایش دما بیشتر می باشد. به طوریکه در نرخ کرنش 0/001 تقریبا فرایند تغییر شکل بدون افزایش دما بوده است. در نرخ کرنش 1 بر ثانیه شرایط تغییر شکل داغ به شرایط آدیاباتیک نزدیک تر شده است زیرا زمان انجام فرایند تغییر شکل کم بوده و فرصت کافی برای انتقال حرارت از نمونه به محیط اطراف خود وجود نداشته است.
در شکل - 2 - تغییرات کرنش پلاستیک در مرکز نمونه به صورت تابعی از میزان جابجایی ترسیم شده است. مشاهده می شود کرنش پلاستیک پیش بینی شده، از طریق تحلیل المان محدود، برای مرکز نمونه در حدود 1/4 است و این در حدود 0/6 بالاتر از مقدار کرنش پلاستیک به دست آمده از طریق رابطه - - می باشد. دلیل این اختلاف در نظر گرفته نشدن تاثیر اصطکاک بر روی میزان کرنش اعمالی می باشد.
درحالیکه در شرایط واقعی تغییر شکل، مابین سطوح بالایی و پایینی نمونه و فک های دستگاه پرس ضریب اصطکاکی در محدوده 0/4-0/6 وجود دارد. وجود اصطکاک مابین سطوح باعث بشکه ای شدن نمونه و اعمال تغییر شکل غیریکنواخت می شود. در شکل - 3 - ، توزیع کرنش پلاستیک در نمونه در حین آزمون فشار داغ با در نظر گرفتن ضریب اصطکاک 0/4 نشان داده شده است. وجود اصطکاک باعث ایجاد تغییر شکل غیر یکنواخت در نواحی مختلف نمونه شده است.
