بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر ابتدا یک مدل حرارتی به روش المان محدود در مختصات دو بعدي با تقارن محوري بر اساس آزمایش استاندارد جامینی در نرم افزار ANSYS تهیه و در مرحله بعد با استفاده از تاریخچه حرارتی نقاط مختلف نمونه جامینی، درصد فازهاي تشکیل شده و سختی حاصل از کوئنچ فولاد پیشبینی گردید. براي این منظور ابتدا نقاط لازم از دیاگرام CCT فولاد مورد نظر، که بیانگر درصد پیشرفت استحاله هاي فریت، پرلیت و بینیت بود، مشخص و سپس الگوریتمی براي بررسی شرایط برخورد منحنی هاي سرد شدن با دیاگرام CCT فولاد توسعه داده شد و بر اساس محل برخورد هاي بدست آمده، محاسبات فازي و سختی انجام پذیرفت.
با توجه به معلوم بودن سختی هر نقطه از نمونه جامینی و امکان محاسبهي مدت زمان قرارگیري در محدوده دمائی 500 تا 800 °C - زمان - t8/5 براي نقاط مختلف، مقادیر t8/5 بهدست آمده را میتوان به عنوان معیاري براي تعیین سختی نقاط مختلف هر قطعه صنعتی از جنس فولاد فوق مورد استفاده قرار داد. از مدل شبیهسازي توسعه داده شدهي حاضر می توان براي پیش بینی درصد تغییر فاز و سختی حاصل از کوئنچ قطعات صنعتی فولادي - درصورت در اختیار بودن دیاگرام - CCT استفاده نمود.
مقدمه
اگرچه شبیهسازي فرآیند عملیات حرارتی با چالشهاي بسیاري روبروست ولی میتواند اطلاعات ارزشمندي از درصد فازها و ساختارهاي نهایی و سختی هر نقطه و همچنین تنشهاي پسماند حرارتی و متالورژیکی را فراهم آورد.
آزمایش سختی پذیري جامینی مثالی از عملیات حرارتی فولادهاست که بهدلیل تکرارپذیري و قابلیت بسط نتایج حاصل از آن کاربرد گستردهاي دارد. در این آزمایش نمونهي استوانهاي از فولادي آستنیته شده، از یک انتها با پاشش آب با دبی مشخص سرد میشود. بر این اساس نقاط مختلف نمونه در راستاي طول، سرعت سرد شدن متفاوتی را تجربه میکنند و در نتیجه سختی متفاوتی خواهند داشت. از آنجا که در ترکیب شیمیاي ثابت، سختی فولاد تنها وابسته به سرعت سرد شدن است، هر نقطه از یک نمونهي عملیات حرارتی شده را میتوان به نقطهاي روي قطعهي جامینی با همان جنس مربوط دانست که سرعت سرد شدن و در نتیجه سختی یکسانی دارند. بر این اساس از نمودارهاي مرجعی استفاده میشود و سعی میگردد تا با تخمین سرعت سرد شدن هر نقطه از قطعه، سختی معادلی براي آن حدس زده شود
بهطور کلی تحلیل حرارتی - سیالاتی آزمایش جامینی خصوصاً در نقطهي برخورد فواره با نمونه بسیار پیچیده میباشد. تبخیر آب در لحظهي اول برخورد با نمونه با دماي بالا و دیگر مراحل سرد شدن از طریق پاشش آب به انتهاي نمونه، عملاً تخمین ضریب انتقال حرارت1 در اثر جابجایی2 را با دشواريهاي بسیاري همراه ساخته است. تخمین ضریب انتقال نه تنها در مورد آزمایش جامینی بلکه در مورد اکثر آنالیزهاي حرارتی از چالشهاي جدي به حساب میآید. این ضریب نه تنها به دما وابسته میباشد بلکه براي نقاط مختلف نمونه نیز مقادیري متفاوت خواهد بود. پژوهشگران در گذشته با استفاده از روند تغییرات دمایی نقاط مختلف و بر اساس روشهایی نظیر تخمین معکوس3 سعی نمودهاند تا به تقریبی از این ضریب دست یابند
با توجه به پیچیدگیهاي موجود در زمینهي تخمین ضریب انتقال حرارت، در اکثر پژوهشها تنها یک مقدار معادل براي ضریب انتقال حرارت پیشنهاد میشود که در مورد آزمایش سختی پذیري جامینی نیز مقدار معادل 15000 W/m2.K براي سطح زیرین نمونه پیشنهاد گردیده است . - Masson et al, 2002 - توجه به این نکته ضروري است که انتقال حرارت در آزمایش سختی پذیري جامینی عمدتاً از طریق سطح زیرین نمونه صورت میپذیرد و انتقال حرارت از سطح جانبی نمونه نقش چندانی بر سرد شدن نمونه ندارد.
انتقال حرارت از سطح جانبی از طریق تابش4 و جابجایی در اثر تماس نمونه با هوا است که ضریب انتقال حرارت براي سطح در تماس با هوا تنها در حدود 10 W/m2.K و ضریب انتقال حرارت جایگزین به جاي تابش نیز برابر با 80 W/m2.K تقریب زده شده است . - Masson et al, 2002 - محاسبات مربوط به استحالههاي متالورژیکی از دیگر چالشهاي پیش رو در شبیهسازي عملیات حرارتی فولادهاست.
پژوهشگران عمدتاً با حل معادلات اورامی - Avrami - بهطور همزمان، به تعیین درصد پیشرفت استحاله در حین عملیات حرارتی پرداختهاند . علاوه بر این، مدت زمانی که طول میکشد تا دماي نقطهاي خاص از یک قطعه از 800 °C به 500 °C - زمان - t8/5 برسد نیز میتواند بهعنوان معیاري براي تعیین سختی قطعهي فولادي بهکار رود . - Smoljan, 2005 - با نسبت دادن t8/5 هر نقطه از قطعه به سختی بهدست آمده براي آن میتوان با در دسترس بودن تغییرات دمایی، به تخمین سختی پرداخت.
