Jak określić nowoczesną mikrostrukturę stali po spawaniu?

Wiem, że istnieją „klasyczne” metody przewidywania mikrostruktur, takie jak diagramy konstytucyjne Schaefflera, DeLonga lub WRC. Zastanawiam się: jakie algorytmy są używane w programach opartych na obliczeniach metodą elementów skończonych (FEM) (tj. Oprogramowanie ESI Group, szczególnie SYSWELD)

Czego chcę się dowiedzieć w szczególności:

1. Czym model MES wykonany z austenitu różni się od modelu wykonanego z ferrytu?

2. Czy model MES wystarcza do określenia mikrostruktury materiału reprezentowanego przez ten model? Jeśli nie, to czego jeszcze potrzebujesz, aby zbadać transformacje mikrostruktury podczas procesu spawania?

Podsumowanie:

1) Odpowiedź na to pytanie jest trudna. Musisz wiedzieć, jak zachowują się austenit i ferryt w stosunku do tego, co im robisz. Musisz także znać ich skład, pole temperatury itp. Tutaj wyniki mogą się znacznie różnić w zależności od określonych parametrów i tego, jak zmieniają się w czasie i ze sobą.

2) Tak i nie. Możesz uzyskać model statystyczny każdego elementu MES w skali makro, aby określić statystyczny charakter mikrostruktury, taki jak wielkość ziarna, gęstość cząstek itp. Lub możesz modelować, co dzieje się w mikroskali podczas spawania, aby określić, jak może wyglądać mikrostruktura jak pod mikroskopem. Wykonanie obu wymaga wielu szczegółowych danych termodynamicznych na temat wszystkich obecnych składników i ich faz, jak omówiono poniżej.

Dokładniej...

Moje podejście do problemu polegałoby na zastosowaniu modelowania statystycznego do określenia wielkości ziarna, wielkości i rozkładu cząstek itp. Dane pochodzą z danych ze schematu fazowego opartych na znanych składach, wraz z założonymi równaniami kinetycznymi. Rzeczywistą kinetyką termiczną i kompozycyjną rządzą w skali masowej dobrze znane modele PDE, ale pewne cechy, takie jak rozmiar i rozkład, są określane za pomocą kinetyki mikroskopowej. Jakie fazy pojawiają się i kolejność, w jakiej się pojawiają, zależą od schematów faz. Możemy ogólnie założyć, że kinetyka objętościowa zapewnia dane wejściowe do mikroskali kinetycznych i termodynamicznych, ale odwrotność jest w dużej mierze nieistotna. Z kolei dane mikrostrukturalne stanowią wkład w relacje struktura-właściwość.

Kompletny model wiązałby je wszystkie mniej więcej w tej kolejności i wyglądałby mniej więcej tak:

• Użyj kinetyki skali masowej, aby uzyskać profile temperatury i składu dla każdego elementu.
• Profile temperatury i składu służą do generowania statystycznych danych mikrostrukturalnych dla każdego elementu.
• Użyj statystycznych danych mikrostrukturalnych, aby określić właściwości.

Algorytmy dla powszechnego oprogramowania są generalnie zastrzeżone, więc nie mogę tego powiedzieć na pewno, ale wierzę, że jakikolwiek pakiet, taki jak SYSWELD lub MAGMA, używa czegoś takiego. SYSWELD może nawet wykorzystywać diagramy Schaefflera, DeLonga i WRC jako część swojego termodynamicznego modelowania. To zależy od tego, w jakim stopniu przyjmują założenia dotyczące danych termodynamicznych i ile wysiłku włożyli w tę część swojego modelu.

Mikrostrukturalna MES

MES można zastosować do modelowania zachowania mikrostrukturalnego w mikroskali, takiego jak zachowanie mechaniczne i termiczne. Zasadniczo odbywa się to poprzez uchwycenie mikrostrukturalnej reprezentacji obrazu, albo za pomocą mikroskopu (optycznego lub SEM) w przypadku 2D, albo przez komputerową tomografię rentgenowską (CT) w 3D, i przekształcenie reprezentacji w MES poprzez identyfikację lub segmentację różnych faz i ich interfejsów i przypisując odpowiednie (często anizotropowe) właściwości materiału do każdej fazy i każdego interfejsu pary faz.

Aby to wszystko zrobić, musisz być w stanie dokładnie segmentować fazy, interfejsy i orientację krystalograficzną, co może wymagać trochę kosztownego sprzętu i prac związanych z charakterystyką. Alternatywnie można zastosować model pola fazowego, aby spróbować przewidzieć morfologię mikrostrukturalną, a następnie odpowiednie dane przechwycone z modelu pola fazowego. Istnieją ograniczenia w stosowaniu modelu pola fazowego w ten sposób, które omówiono w następnym rozdziale.

Na stronie nanoHUB.org znajduje się narzędzie, które wykonuje mikrostrukturalną MES dla obrazów 2D o nazwie OOF2 . Aby skorzystać z tego narzędzia, musisz utworzyć konto i jest ono zasadniczo przeznaczone do celów edukacyjnych, ale powinno dać ogólny obraz tego, jak mikrostrukturalna MES może działać w przypadku 2D. Może być konieczne przesłanie własnego obrazu mikrostruktury, minęło trochę czasu, odkąd go użyłem i zapomniałem szczegółów.

Wyniki mikrostrukturalnej MES są przydatne do określenia, jak mogą zachowywać się mikrostruktury teksturowane. Są one również przydatne do określania, w jaki sposób mikrostrukturę można powiązać z właściwościami zmęczeniowymi poprzez identyfikację stężeń naprężeń w mikrostrukturze oraz w jaki sposób mikrostruktura może odgrywać rolę w inicjacji pękania i pustki.

Modele fazowe

Do modelowania kinetyki transformacji fazowej w mikroskali zwykle stosuje się modele pola fazowego ( Wikipedia ). Modele zawierają wiele ruchomych części, że tak powiem, ale czasami są szybsze i zwykle bardziej odporne na przechwytywanie ruchomych interfejsów niż w przypadku tradycyjnych modeli MES.

Podstawową koncepcją jest to, że dla pola elementów zawierających dwie fazy dyskryminację fazową całego pola można modelować z wartością skalarną zmieniającą się od 0 do 1. Jeśli wartość elementu wynosi (bardzo blisko) 0, to jest jedna faza i (bardzo blisko) 1 druga faza. Jeśli ma wartość pośrednią, stanowi część interfejsu między fazami. Zatem zamiast ostrego interfejsu, jaki byłby wymagany w przypadku MES, interfejs modeluje się, zakładając, że jest rozproszony.

Modele pola fazowego zwykle również śledzą skład, temperaturę i energię swobodną oraz posiadają zbiór równań rządzących, które należy rozwiązać na każdym etapie, aby określić ewolucję następnego etapu. Zastosowanie modelu pola fazowego wymaga zatem znajomości między innymi krzywych energii swobodnej zależnych od temperatury i szybkości dyfuzji zależnych od temperatury, zarówno termicznych, jak i kompozycyjnych.

Możliwe jest modelowanie różnorodnych zjawisk ewolucji mikrostrukturalnej za pomocą modeli pola fazowego, w tym:

• Planar do krzepnięcia dendrytycznego ( narzędzie nanoHub.org i wideo solidification.org )
• niestabilna eutektyczna komórkowa krzepnięcie ( wideo solidification.org )
• rozkład spinodalny ( narzędzie nanoHub.org )
• wzrost ziarna ( narzędzie nanoHUB.org ).

i na pewno znacznie więcej jest możliwe, jeśli stanowi wyzwanie.

Nie znam żadnych profesjonalnych pakietów do modelowania fazowego, ponieważ istnieją wady ograniczające ich przydatność poza środowiskiem akademickim i badaniami na wczesnym etapie. Jednym z ograniczeń jest to, że w zależności od modelu określone zmienne mogą nie mieć wyraźnego związku z wartościami fizycznymi, które można określić eksperymentalnie. Dlatego czasami parametry modelu muszą być systematycznie korygowane, aż wyniki będą „wyglądać dobrze”. Ponadto uzyskiwanie przydatnych informacji z modelu to kolejny problem ze względu na te same rozbieżności między wartościami parametrów modelu a wartościami fizycznymi. Możliwe jest również dość łatwe uzyskiwanie wyników niefizycznych bez starannego dostosowania równań rządzących do konkretnego modelu. Walidacja to kolejna kwestia, ponieważ przeprowadzanie eksperymentów jest co najwyżej kosztownym i czasochłonnym procesem, a w najgorszym przypadku praktycznie niemożliwe w zależności od określonych parametrów. Badania skupiają się oczywiście na ograniczeniu tych problemów, ale ponieważ modele pola fazowego są stosunkowo nowe (najwcześniej ~ 10 lat), jest jeszcze wiele do zrobienia.

Zasadniczo modele pola fazowego są najbardziej przydatne do narysowania ładnego obrazu tego, jak mogłaby wyglądać mikrostruktura bez wykonywania kosztownych eksperymentów i badań mikroskopowych. Są również przydatne do tworzenia animacji ewolucji mikrostrukturalnej. W przyszłości ich zastosowanie może rozszerzyć się na funkcje przewidywania, takie jak modelowanie statystyczne i przechwytywanie danych dla MES, ale powyższe ograniczenia ograniczają te zastosowania.

Statystyczne modele termodynamiczne

Ogólnie rzecz biorąc, na poziomie użytecznym większość inżynierów zajmuje się właściwościami masowymi. W końcu większość inżynierów projektuje produkty w widocznej, makroskopowej skali. W rezultacie specyfika niewielkiej części mikrostruktury nie jest szczególnie przydatna bezpośrednio do tego, jak produkt może zachowywać się na poziomie makroskopowym. Zamiast tego chcemy ustalić, w jaki sposób produkt zachowuje się jak produkt masowy.

Aby modelować masową ewolucję mikrostrukturalną i końcowe właściwości materiału zwykle wykonuje się za pomocą programu CALPHAD (Obliczanie diagramów faz, Wikipedia ). Mikrostrukturalne modele CALPHAD nie generują ładnych zdjęć, jak w poprzednich dwóch sekcjach, ale zamiast tego generują statystyczną reprezentację niektórych klas mikrostruktury, generując rozmiar ziarna lub rozmiar cząstek i rozkład gęstości na podstawie danych termodynamicznych, kinetycznych, składu i temperatury.

Taki model można zastosować w połączeniu z procesem MES, aby określić lokalne rozkłady mikrostrukturalne dla każdego elementu skończonego. Thermocalc wykonuje termodynamiczne modelowanie statystyczne i jest programem CALPHAD. Oprogramowanie do symulacji procesu odlewania MAGMA łączy statystyczne modelowanie termodynamiczne z MES w niektórych pakietach stopów. Użytkownik MAGMA może następnie być w stanie przewidzieć niektóre dane statystyczne w całej masie swojego produktu, a następnie wygenerować pola skalarne reprezentujące właściwości mechaniczne, które różnią się w zależności od produktu. Wygląda na to, że SYSWELD robi to samo w przypadku obróbki cieplnej i procesu spawania, prawdopodobnie za pomocą opisanej tutaj ogólnej metody.

Bibliografia

nanoHub.org - strona z wieloma narzędziami obliczeniowymi i zasobami edukacyjnymi skoncentrowana na nanoskali . Niektóre informacje i narzędzia związane są z modelowaniem na większą skalę, zwłaszcza narzędzia OOF2 (Object Oriented Finite Element Analysis, 2D) i VKML (Virtual Kinetics of Materials Laboratory).

solidification.org - Witryna z wieloma ciekawymi filmami z procesów krzepnięcia, zarówno eksperymentalnych, jak i symulacji pola fazowego.

Nie popieram żadnych powiązanych stron ani oprogramowania, linki są przeznaczone wyłącznie do celów referencyjnych i edukacyjnych.