KOMPUTEROWA SYMULACJA POLA TWARDOŚCI W ODLEWACH HARTOWANYCH

Transkrypt

1 3/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN KOMPUTEROWA SYMULACJA POLA TWARDOŚCI W ODLEWACH HARTOWANYCH JURA Stanisław, KILARSKI Jerzy Katedra Odlewnictwa, Politechnika Śląska Gliwice, ul. Towarowa 7 JURA Zbigniew Katedra Mechaniki Teoretycznej, Politechnika Śląska Gliwice, ul. STRESZCZENIE Opracowano modyfikację próby Jominy, która bardziej wiarygodnie odtwarza proces stygnięcia odlewów grubościennych. Przeprowadzając badania zmian temperatury oraz typowe pomiary twardości w próbie opracowano funkcję twardości. Funkcja ta jest podstawą do obliczenia pola twardości na przekroju odlewu. 1. WSTĘP Próba hartowności od czoła, zwana często próbą Jominy została opracowana dla stali głównie wyrobów walcowanych cienkościennych. W przypadku zastosowania do wyrobów grubościennych, a w szczególności odlewów o złożonych kształtach próba ta nie jest przydatna, a to głównie ze względu na nieporównywalny proces stygnięcia. 2. MODYFIKACJA PRÓBY JOMINY Metoda hartowności od czoła zwana metodą Jominy jest próbą termodynamiczną. Ustabilizowane warunki chłodzenia przez strumień wody przepływający z jednakową prędkością pozwalają na ocenę twardości próbki w zależności od odległości od czoła. Twardość i głębokość (odległość od czoła) zahartowania zależeć będzie od składu chemicznego. Rozkład temperatury w próbce będzie również zależny od składu chemicznego próbki. Oczywiście należy pamiętać, że od składu chemicznego zależy również współczynnik przewodnictwa cieplnego, ciepło właściwe oraz gęstość. Te dwa ostatnie parametry są słabo zmienne dla stali niskostopowych i węglowych. Główną więc rolę spełnia współczynnik przewodzenia ciepła. Typową próbę Jominy przedstawiono na rysunku 1. Próbka o średnicy 25 mm i

2 26 długości 100 mm chłodzona jest wodą od czoła, ale również ciepło oddawane jest przez pobocznicę do otoczenia. Wpływ ten może się już istotnie zaznaczyć w odległości mm od czoła, a w odległości 100 mm chłodzenie od czoła nie ma już wpływu na procesy termodynamiczne w próbie. Tak więc można stwierdzić, że dla odlewów grubościennych próba ta nie jest przydatna. Dokładne obliczenia termodynamiczne w pełni potwierdzają te stwierdzenia. Postanowiono więc zaizolować cieplnie pobocznicę i główkę próbki aby ograniczyć tamtędy odpływ ciepła. Modyfikację tę przedstawiono na rysunku 1b. Dla określenia kinetyki chłodzenia w zmodyfikowanej próbie Jominy wewnątrz próbki zamontowano termoparę. Pomiarów temperatury dokonuje się co najmniej na dwóch głębokościach. Pomiar ten służy do prawidłowego określenia pola temperatur w próbie. Oczywiście na każdej próbce dokonuje się typowego pomiaru twardości. Tak przeprowadzone badania nazwano modyfikowaną próbą Jominy-M lub w skrócie J-M. a) b) Rys.1. Typowa próba Jominy (a) oraz modyfikowana próba Jominy-M (b) Fig.1. Typical Jominy test (a) and modified Jominy-M test (b) 3. POMIAR TEMPERATURY W PRÓBIE J-M Obecnie szeroko rozwinęła się metoda komputerowej symulacji procesów cieplnych. Prawdziwość obliczeń jest związana ściśle z prawdziwością współczynników fizycznych materiałów które poddaje się procesowi symulacji. W tym jednak zakresie obserwuje się brak danych dla każdego gatunku materiału. Dla prawidłowego rozwiązania tego zagadnienia zastosowano pomiar temperatury w odległości 40 i 50 mm od czoła próbki rys.2. Mając te pomiary zastosowano metodę odwrotną do symulacji. Poszukiwano współczynniki fizyczne spełniające chociażby w przybliżeniu

3 27 warunek: T(t) symulacji = T(t) pomiar Rys.2. Pomierzony proces stygnięcia próby J-M w odległości 40 mm od czoła Fig.2. The self-cooling of J-M test in the distants 40 mm on the front Następnie w procesie symulacji komputerowej stygnięcia próby J-M wyznaczono krzywe dla siedmiu odległości od czoła tj. 5, 10, 20, 30, 40, 50 i 60 mm rys.3. Parametrem określającym szybkość chłodzenia można było przyjąć pochodną (dt/dt) w temperaturze 600 o C. Okazało się jednak, Ze wpływ na tę pochodną miała przemiana alotropowa co znacznie podwyższało błędy obliczeń statystycznych. Przyjęto więc rozwiązanie tworzenia siecznych. Na poziomie 600 o C przeprowadzono linię przecinającą krzywe chłodzenia. Przecięcie to wyznacza punkt C. Punkt A wyznacza temperaturę początku chłodzenia, a punkt B wybraną temperaturę 600 o C. Powstaje więc trójkąt ABC, który jest odpowiednio inny dla każdej odległości od czoła próbki. Charakterystycznym parametrem dla przebiegu chłodzenia próbki w każdym punkcie jest wyrażenie: S = AB/BC = T/t [K/s]

4 28 Rys.3. Symulowane przebiegi stygnięcia próby J-M w różnych odległościach od czoła Fig.3. The simulation of the self-cooling J-M test in different distants on the front 4. POMIAR TWARDOŚCI I WYNIKI OBLICZEŃ NACHYLENIA SIECZNEJ Pomiaru twardości (HRC) dokonano zgodnie z zasadami próby Jominy na przeciwległych pobocznicach w odpowiednich odległościach. Dla tych samych odległości obliczono nachylenie siecznej "S". Wyniki przedstawiono w tabeli 1. Stosując metodę regresji krokowej obliczono twardość w funkcji siecznej "S". Związek ten przedstawia wzór: HRC = 30,4-0,018 S + 2,47 ln(s) + 1,65 exp(10/s) 10 7 o parametrach statystycznych: - odchylenie standardowe dhrc = 0,9 - współczynnik korelacji R = 0,98 - test wiarygodności W = 25 Przedstawiony wzór jest bardzo wiarygodny ponieważ test W>2 znacznie przekracza wartość graniczną. Z dużym prawdopodobieństwem można stosować ten wzór do obliczenia pola twardości w hartowanych odlewach. Tabela 1

5 29 Wyniki pomiarów twardości HRC oraz nachylenie siecznej S Lp Odległość Od czoła Twardość średnia Nachylenie siecznej [mm] HRC [K/S] ,5 39,5 38,5 38,5 37,5 37,0 36,5 36,0 33,0 30,5 30,5 29,5 29,5 27,5 27,0 26,5 212,40 169,80 85,20 45,62 25,90 16,52 11,50 8,58 4,74 3,04 2,13 1,61 1,28 1,07 0,93 0,75 0,67 0,62 0,62 0,61 5. POLE TWARDOŚCI NA PRZEKROJU WIEŃCA KOŁA SUWNICY Dla potwierdzenia metody J-M oraz symulacji pola twardości na przekroju odlewu przeprowadzono badania na odlewach kół suwnicowych. Koła o średnicy 900 mm odlano ze staliwa L30HGSN2M, tego samego co próbki J-M. Do obliczenia pola twardości zmodyfikowano program komputerowy symulacji stygnięcia COLDCAST. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 4. Hartowanie koła odbyło się w specjalnym urządzeniu hartowniczym. W czasie obrotu koła jego wieniec częściowo zanurza się w wodzie (hartuje) następnie się wynurza odpuszczając struktury hartownicze. Program obliczeniowy COLDCAST przystosowano do tego rodzaju technologii. Obliczanie pola temperatur jest niezbędne do równoczesnego obliczenia parametru S. Na tej bowiem podstawie obliczono pole twardości na przekroju wieńca. Pomierzona twardość na kole różniła się nie więcej niż 5 HRC na obrzeżach i 3 HRC na bieżni.

6 30 Rys. 4. Rozkład twardości na przekroju wieńca koła suwnicy Fig.4. The hardness penetration pattern on the crane wheel section 6. WNIOSKI Opracowana metoda komputerowa symulacji pola twardości na przekroju wieńca koła suwnicowego jest prawidłowa. Wyniki te uzyskano na bazie danych obliczeniowych na podstawie modyfikowanej próby Jominy-M. Typowy pomiar twardości w połączeniu z pomiarem temperatury i obliczeniu symulacyjnym pola temperatury w próbie J-M jest podstawą do obliczenia pola twardości w odlewach hartowanych. COMPUTER SIMULATION OF HARDNESS FIELD IN HARDENED CASTINGS ABSTRACT The modification of the Jominy test, that presents the self-cooling process of heavy-walled castings has been worked out in this paper. The hardness function has been determined, according to the investigations of the temperature changes and typical hardness test. The function is a basis for calculation of hardness field in cast section.