فولاد Ck45

فولاد CK45-شبیه سازی حرارتی کوئنچ و پیش بینی سختی فولاد Ck45-فولاد 1191

خواص میکانیکی فولادها علاوه بر آنالیز شیمیایی به مقدار قابل توجهی به عملیات حرارتی انجامی روی فولاد بستگی دارد. و فرآیندهای مختلف حرارتی باعث ایجاد صیف وسیعی از خواص در فولادها خواهند شد. دو پدیده انتقال حرارت و نفوذ در قطعات فولادی تعیین کننده ریزساختارهای حاصل در اثر عملیات حرارتی می باشند.

با دانستن نرخ سرد شدن فولاد و نمودار CCT آن. می توان ریزساختار حاصل را در اثر سرد شدگی مداوم فولاد از دمای آستنیته پیش بینی نمود. از طرفی بدست آوری نرخ سرد شدگی قسمت های داخلی قطعات کار مشکلی می باشد. در پروژه حاضر نرخ سرد شدگی نقاط داخلی یک مکعب فولادی از جنس CK45 فولاد انطباق دهی گردید. و ریز ساختار هر نقطه پیش بینی شده است. پس از انجام عملیات حرارتی بر فولاد، قطعه برش دهی شد. و سختی نقاط مورد بررسی، اندازه گیری گردید. که نتایج سختی سنجی تأییدی بر صحت محاسبات شبیه سازی می باشد.

فولاد Ck45

ریز ساختار در نتیجه خواص مکانیکی قطعات فولادی در اثر عملیات حرارتی به نرخ سرد شدن قطعه بستگی دارد. با توجه به این که نقاط مختلف قطعه فواصل مختلفی از سطح قطعه دارند. بنابراین نرخ سرد شدن نقاط مختلف قطعه متفاوت بوده و در اثر عملیات حرارتی ممکن است. ریز ساختارها و سختی های متفاوتی در قسمت های مختلف قطعه حاصل شود. (در صورتی که ضخامت قطعه از حد معینی بیشتر باشد). در مورد فولادها با داشتن نمودار دگرگونی سرد شدن پیوسته (CCT). و نمودار سرد شدن نسبت به زمان هر نقطه از قطعه. می توان سختی آن نقاط را پیش بینی نمود. در واقع به محاسبه نرخ سرد شدن هر نقطه از قطعه و داشتن منحنی CCT آن ماده. می توان سختی و حتی ریزساختار آن را با دقت قابل قبولی پیش بینی کرد.

نرخ سرد شدن یک نقطه از قطعه به پارامترهایی مانند دمای اولیه فلز. ظرفیت گرمایی فلز، ضریب هدایت حرارتی فلز. ضخامت فلز (که شامل فاصله نقطه از سطح و گرمای ذخیره شده در آن منطقه است). و دما و ضریب هدایت حرارتی و حجم و برخی دیگر پارامترهای محیط خنک کننده بستگی دارد.

در واقع می توان آهنگ سرد شدن یک قطعه فولاد تحت تأثیر دو پارامتر مهم نقسیم بندی کرد. یکی انتقال حرارت از داخل به سطح نمونه فولادی و دیگر انتقال حرارت از سطح قطعه توسط سرد کننده. توانایی انتقال حرارت یک فولاد توسط پارامتر نفوذ حرارتی یا نسبت هدایت حرارتی. به گرمای ویژه حجمی آن مشخص می شود. نفوذ حرارتی محصولات دگرگونی آستنیت با کاهش دما افزایش می یابد. برای یک محیط سرد کننده سریع نفوذ حرارت مشخص کننده ی توزیع دما در ناحیه سرد شونده است. و آهنگ های سرد شدن آهسته تر در نقاط دور از سطح و نزدیک به مرکز. زمان بیشتری برای دگرگونی نفوذی فراهم می کند.

فولاد Ck45

از آنجا که عملاً امکان کنترل خواص حرارتی در فولادها بسیار کم است. مهمترین روش کنترل آهنگ سرد شدن یک قطعه با انتخاب صحیح محیط سرد شونده مناسب است. انتقال حرارت در فصل مشترک قطعه فولادی با محیط سرد شونده آن، مسئله نسبتاً پیچیده است. این پدیده بستگی به شدت تشعشع حرارت از سطح فولاد و جریان های جابجایی در داخل محیط سرد کننده دارد. این امر باعث دور کردن حرارت از فصل مشترک فلز و محیط می شود. در نظر گرفتن تمام عوامل فوق توسط محاسبات دستی برای قطعات بزرگ. و پیچیده مشکل و تا حدی غیر ممکن می باشد.

استفاده از محاسبات شبیه سازی که به روش های متفاوتی. مانند روش اختلاف محدود و روش حجم محدود و روش المان محدود انجام می شود. می تواند باعث کاهش هزینه های تولید ناشی از سعی و خطا و پیش بینی بسیاری پدیده های متالورژیکی شود. در تحقیق حاضر نرخ سرد شدن قطعات فولادی در اثر کوئنچ توسط نرم افزار محاسباتی و برنامه نویسی MATLAB. برنامه ای به روش (اختلاف محدود) FDM نگارش شد و فرآیند شبیه سازی و سپس توسط نتایج حاصل. سختی نقاط مختلف قطعه پیش بینی گردید. این نرم افزار صرفاً یک نرم افزار محاسباتی بوده. که با تعریف معادلات انتقال حرارت و شرایط مرزی برای آن، میتوان مسائل مختلف مهندسی را شبیه سازی نمود.

روش تحقیق

تحلیل حرارتی قطعه به روش اختلاف محدود

معادلات اختلاف محدود برای رفتار گذرا در سیستم های سه بعدی. با در نظر گرفتن سرعت انباشت انرژی حرارتی. در معادله (1) انتقال حرارت هدایتی در سه بعد در شرایط پایا) بدست می آیند. بنابراین برای شبکه بندی با اندازه Δx Δ y Δz موازنه انرژی برای یک المان داخلی. که هیچ گرمایی در آن تولید نمی شود. منجر به معادله (2) می گردد.

به همین صورت در گره سطحی، برای سطحی که در تماس با سیال است. به جای ترم هدایتی از ترم همرفت

استفاده می شود.

در این تحقیق انتقال حرارت به روش های جابجایی و همرفت. در یک مکعب مربع فولادی با طول ضلع 10 سانتی متر. و با دمای اولیه 850 درجه سانتی گراد (که در آب کوئنچ می شود). به روش اختلاف محدود و توسط زبان برنامه نویسی MATLAB محاسبه گردیده است. مشخصات فولاد (CK45) طبق جدول (1) مورد استفاده قرار گرفته است.

ابعاد قطعه 10×10×10 سانتی متر و طول هر مش 5 میلی متر مد نظر قرار گرفت. دمای اولیه آب نیز 25 درجه سانتی گراد فرض گردید.

ضریب هدایت آن

(برای جابجایی آزاد). حل معادلات هدایت و همرفت به صورت ناپایا بوده. و تغییرات دمایی مربوط به گذشت زمان 400 ثانیه پس از غوطه وری فولاد در آب می باشد. در نهایت نتایج مورد حاصل، ترسیم با نمودارهای CCT فولاد CK45 مقایسه شدند.

کوئنچ فولاد

در این قسمت پژوهش، مکعب مربع فولادی با طول ضلع 10 سانتی متر و از جنس Ck45. به مدت 4 ساعت در دمای 850 درجه سانتی گراد آستنیته می‌شود و سپس در وان آب کوئنچ گردید. ابعاد وان به گونه ای انتخاب شد که تا پایان سرد شدگی فولاد. افزایش دمای قابل ملاحظه ای در آب ایجاد نگردد. سپس قطعه فولادی سخت شده از قطر اصلی برش داده شده. و سختی فلز روی قطر اصلی محل برش بررسی شده است.

نتایج و مباحث

نمودار CCT شامل منحنی هایی در مختصات خطی دما و لگاریتمی زمان می شود. و شروع و پایان تغییرات آستنیت را برای هر تابع سرد کردن دما تعیین می کند. نمودار CCT برای فولاد ساده کربنی Ck45 در شکل (1) نمایان و مشخص است.

شکل اولیه قطعه و مش (تقسیم بندی) اعمالی بر آن در شکل (2) نمایان و مشخص است. صفحه برش فولادی و نقاطی که سختی آنها بررسی شده است. در شکل (3) مشاهده می شوند. نمودارهای دما – زمان برای نقاط معلوم در شکل (4) نمایان می‌شوند. (محور زمان به حالت لگاریتمی نیز تبدیل می‌شود). سپس نمودار حاصل بر نمودار CCT فولاد مورد مطالعه انطباق دهی گردید (شکل 5).

با انطباق نمودارهای دما و زمان برای نقاط مورد معرفی فولاد که توسط محاسبات شبیه سازی حاصل گردیدند. و نمودار CT فولاد CK45 (شکل 5) مشاهده می شود. که ریزساختار گوشه های قطعه دارای ساختار پاینیتی و لایه داخلی تر دارای ریزساختار پرلیتی – باینیتی. و قسمت داخلی دارای ریز ساختار فریتی – پرلیتی می باشد. نتایج سختی سنجی فولاد برای یازده نقطه مورد آزمایش در شکل (6) نشان نمایان و مشخص است.

از شکل (6) مشاهده می شود. که سختی قطعه فولادی کوئنچ از سطح به مغز کاهش یافت. که علت این امر کمتر بودن نرخ انتقال حرارت فلز به محیط بیرون می باشد. تطبیق خوبی بین نتایج شبیه سازی و آزمون سختی سنجی فولاد مشاهده می شود. که شبیه سازی حاضر، مورد مناسبی برای شبیه سازی ریزساختار و سختی قطعات فولادی مورد عملیات کوئنچ می باشد.

نتیجه گیری

1- با افزایش نرخ انتقال حرارت فولاد با دمای آستنیته، احتمال تشکیل ریزساختارهای مارتنزیتی یا باینیتی افزایش می یابد.

2- شبیه سازی انتقال حرارت به روش اختلاف محدود. یک روش مطمئن برای بررسی انتقال حرارت در مطالعات متالورژیکی می باشد.

3- در قسمت های مرکزی قطعات ضخیم فولاد ساده کربنی. حتی با کوئنچ فولاد در آن به ساختارهای سخت مارتنزیتی تشکیل نخواهد شد.

دانشگاه آزاد واحد شهر مجلسی