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A spur gear model showing phase fractions of austenite in blue and martensite in red.

Simula le trasformazioni di fase nei metalli con il Metal Processing Module

Trasformazioni di fase in componenti meccanici

Quando un materiale come l'acciaio viene riscaldato o raffreddato da una temperatura elevata, si possono verificare trasformazioni di fase metallurgica. Queste trasformazioni sono talvolta volute, come parte del trattamento termico di un componente meccanico, o introdotte inavvertitamente, come nel caso della saldatura. Le fasi metallurgiche presenti in un componente ne influenzano le proprietà meccaniche e termiche e, ottimizzando la composizione di fase, è possibile migliorarne le prestazioni. Il Metal Processing Module, un componente aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®, può essere utilizzato per simulare le trasformazioni di fase metallurgica in corpi 3D, 2D assialsimmetrici e 2D.

Che cosa puoi simulare con il Metal Processing Module

Il Metal Processing Module fornisce una serie completa di strumenti per simulare processi di produzione come la tempra dell'acciaio, la saldatura e la produzione additiva. Questi strumenti sono 'confezionati' in interfacce fisiche, che impostano e risolvono automaticamente le equazioni specifiche del processo di produzione che si sta modellando.

Tempra acciaio

La tempra dell'acciaio è un processo di trattamento termico in cui le parti in acciaio, riscaldate fino allo stato completamente austenitico, vengono temperate. Essendo un processo multifisico, la tempra dell'acciaio comporta una combinazione di decomposizione dell'austenite, trasferimento di calore e analisi strutturale. Con l'interfaccia multifisica Steel Quenching nel Metal Processing Module, vengono aggiunte automaticamente diverse funzioni per facilitare la configurazione del modello. L'interfaccia richiede di inserire le impostazioni per le fasi di austenite, ferrite, perlite, bainite e martensite, nonché le trasformazioni di fase da austenite a ciascuna delle altre. Gli accoppiamenti multifisici sono impostati anche per tenere conto degli effetti del calore latente e delle deformazioni nella trasformazione di fase.

Inoltre, le proprietà dei materiali per l'analisi strutturale possono essere dipendenti dalla temperatura e la dissipazione plastica può agire come fonte di calore nell'analisi di trasferimento del calore. 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. Con questi risultati, si ottiene una visione dell'efficacia di un determinato agente di raffreddamento e di come la geometria di un componente influisce sulla composizione di fase ottenibile al suo interno.

Modello di ingranaggio cilindrico con una vista in sezione per mostrare le tensioni interne e le sollecitazioni residue visualizzate in rosso. Ingranaggio cilindrico dopo la tempra

Carburazione

Il processo di carburazione consiste nel riscaldare un componente in acciaio ed esporlo ad un ambiente ricco di carbonio, come il 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. La flessibilità del software rende semplice la modellazione dei processi di trattamento termico correlati come la carburazione, dove è possibile modificare i dati del modello di trasformazione di fase in funzione del contenuto di carbonio calcolato. 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 è vantaggioso dal punto di vista della fatica.
L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics, quando si utilizza il Metal Processing Module, mostra nella finestra Graphics le impostazioni dello studio di Carburazione e un modello di ingranaggi in acciaio. Studio di carburazione e tempra di un ingranaggio in acciaio

Trasformazioni indotte dalla plasticità (TRIP)

In generale, le trasformazioni di fase avvengono mentre il materiale è sottoposto a sollecitazioni meccaniche, con conseguente plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP). Una deformazione anelastica del materiale è il risultato di sollecitazioni inferiori al limite di snervamento e non provocherebbe una plasticità in senso classico. Il Metal Processing Module può essere utilizzato per analizzare l'effetto TRIP, ad esempio, nella trasformazione da austenite a martensite.

Trasformazioni di fase di diffusione e di dislocamento

Per le trasformazioni di fase a diffusione controllata, come quando l'austenite si decompone in ferrite, sono previsti due tipi di modelli di trasformazione di fase: Leblond-Devaux e Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Per la modellazione delle trasformazioni di fase per dislocamento martensitica (senza diffusione) è disponibile il modello Koistinen-Marburger. Questi modelli di trasformazione di fase sono disponibili attraverso l'interfaccia generalizzata Metal Phase Transformation che permette di definire un numero arbitrario di fasi e trasformazioni di fase.

Inoltre, è possibile definire i propri modelli di trasformazione di fase da utilizzare in una simulazione e può essere necessaria una calibrazione sperimentale per una data trasformazione di fase. È anche possibile calcolare diagrammi comuni di trasformazione di fase per facilitare la calibrazione rispetto ai dati sperimentali, come i diagrammi di trasformazione a raffreddamento continuo (CCT) e di trasformazione della temperatura nel tempo (TTT).

Diagramma 1D delle frazioni di fase nel tempo con linee separate per austenite, ferrite, perlite, bainite e martensite. Frazioni di fase nel tempo
L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics per il Metal Processing Module che mostra i diagrammi CCT e TTT a destra del Model Builder. Diagrammi CCT e TTT in COMSOL Multiphysics

Analisi strutturale

Le sollecitazioni e le deformazioni sono calcolate utilizzando le proprietà effettive del materiale composto, che sono generalmente dipendenti dalla temperatura e dalla fase di composizione. Il comportamento elastoplastico del materiale composto viene calcolato come media delle singole fasi. Nel caso in cui una fase sia significativamente più dura delle altre, è possibile utilizzare uno schema di ponderazione non lineare per modellare l'effettivo carico di snervamento iniziale del materiale composto. Esiste un'opzione di recupero della plasticità per assicurare che le fasi appaiano gradualmente e prive di precedenti sollecitazioni plastiche. La temperatura di riferimento del volume e il coefficiente di dilatazione termica sono usati per calcolare un tensore di deformazione termica in ogni fase. I tensori di deformazione termica delle fasi sono mediati in una deformazione termica del materiale composto. Per analisi strutturali più avanzate, il Metal Processing Module può essere combinato con lo Structural Mechanics Module.

Tre modelli di una billetta d'acciaio che mostra la frazione di fase della martensite, la deformazione plastica e la sollecitazione assiale. Analisi strutturale di una billetta di acciaio dopo 10 minuti di tempra

Analisi termica

Il Metal Processing Module è configurato per modellare il trasporto del calore utilizzando la completa equazione del calore nell'analisi. Inoltre, la conducibilità termica, la densità e la capacità termica specifica possono essere dipendenti dalla temperatura e possono anche dipendere dalla composizione della fase corrente. Ad esempio, la conducibilità termica dell'austenite è diversa da quella della ferrite e, man mano che le frazioni di fase evolvono, anche la conducibilità termica del materiale composto sarà aggiornata. Per analisi di trasferimento di calore più avanzate, il Metal Processing Module può essere combinato con l'Heat Transfer Module.

Tempra ad induzione

Se si aggiunge l'AC/DC Module, è possibile eseguire simulazioni di tempra ad induzione, in cui si utilizza il campo di temperatura calcolato da una simulazione di riscaldamento ad induzione come input per una simulazione di tempra.

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