INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH
Wydział Mechaniczny Technologiczny
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH
Symulacja procesów obróbki cieplnej i plastycznej materiałów inżynierskich
Projekt
Obróbka cieplna stopów Tytanu
Imię nazwisko: Mateusz Soja,
Witold Jękalski
Karol Szindler
Michał Siuda
Kierunek: Inżynieria Materiałowa
Grupa dziekańska: IM4
Rok akademicki: 2014/2015
GLIWICE 2015
Spis Treści
Wstęp
Cos o symulacjach i tytanie
Wprowadzenie teoretyczne
2.1 Tytan
Tytan i jego stopy wraz ze stopami na osnowie żelaza, kobaltu oraz stopami z pamięcią kształtu tworzą grupę biomateriałów metalicznych. Początkowo tytan i jego stopy (przede wszystkim stop Ti6Al4V) były projektowane jako materiały konstrukcyjne dla wojska
i przemysłu lotniczego, dopiero z czasem zostały zaadoptowane na potrzeby medycyny dając początek biomateriałom tytanowym.
Pierwsze próby zastosowania tytanu jako implantu podjęto w latach czterdziestych ubiegłego wieku z uwagi na jego dobrą odporność korozyjną. Początkowo zastrzeżenia budziły niskie, w porównaniu z innymi materiałami metalicznymi, właściwości mechaniczne tytanu. W latach sześćdziesiątych zaczęto stosować stopy tytanu (głównie stop Ti6Al4V)
z uwagi na ich wyższą w porównaniu z tytanem wytrzymałość. Stop Ti6Al4V znalazł zastosowanie głównie w ortopedii na endoprotezy stawu kolanowego i biodrowego oraz
w traumatologii (płytki, gwoździe, śruby). Z uwagi na pojawiające się doniesienia
o toksyczności wanadu w latach osiemdziesiątych podjęto prace nad bezwanadowymi stopami tytanu z przeznaczeniem dla medycyny. Kolejnym krokiem w rozwoju biomateriałów tytanowych było opracowanie stopów tytanu o strukturze β. W chwili obecnej tytan i jego stopy znajdują się w czołówce biomateriałów metalicznych.
Tytan i jego stopy w porównaniu z innych materiałami metalicznymi charakteryzują się bardzo dobrą biozgodnością, dobrą odpornością korozyjną, najniższym modułem Younga, wysoką wytrzymałością względną i niskim ciężarem właściwym
Tytan posiada dwie odmiany alotropowe: niskotemperaturową α, krystalizującą
w układzie heksagonalnym o strukturze zwartej HZ (a=0,295 nm, c= 0,468 nm) oraz wysokotemperaturową β, krystalizującą w układzie regularnym o strukturze przestrzennie centrowanej RPC (a= 0,328 nm). Temperatura przemiany alotropowej wynosi 882,5°C
i zależy od stopnia czystości tytanu. Struktura tytanu w temperaturze otoczenia zawiera tylko fazę α. Tytan po wyżarzaniu może mieć morfologię iglastą lub równoosiową. Tytan techniczny zawiera niewielkie ilości żelaza i pierwiastków międzywęzłowych (C, N, O i H).
Tlen w największym stopniu wpływa na wytrzymałość tytanu, stąd też pierwiastek ten traktowany jest jako dodatek stopowy. Wzrost wytrzymałości spowodowany jest w tym przypadku umocnieniem roztworu α. Pozostałe domieszki traktowane są jako zanieczyszczenia, jednakże przy ocenie właściwości mechanicznych tytanu, bierze się pod uwagę efekt umocnienia pochodzący także od tych pierwiastków. Obecność wodoru uważana jest za szczególnie niekorzystną z powodu efektu kruchości, jaki wywołuje ten pierwiastek. Z uwagi na trudności dokładnego pomiaru stężenia gazów, jako kryterium klasyfikacji tytanu technicznego przyjmuje się jego właściwości mechaniczne.
2.2 Stopy Tytanu
Klasyfikacji stopów tytanu dokonuje się najczęściej ze względu na strukturę
w określonym stanie. Na podstawie tego kryterium w stanie po normalizowaniu wyróżnia się następujące grupy stopów:
stopy jednofazowe α oraz stopy pseudo α (stopy o strukturze złożonej z fazy α, zawierające poniżej 5% pierwiastków stabilizujących fazę β),
stopy dwufazowe (α+ β),
stopy jednofazowe β oraz stopy pseudo β (po normalizowaniu mają strukturę złożoną z metastabilnej fazy βM, a ich właściwości odpowiadają stopom α+β o dużej zawartości fazy β)
Powyższej klasyfikacji stopów dokonuje się w oparciu o wpływ pierwiastków stopowych na przemianę alotropową tytanu α↔β oraz typ układu równowagi
Stopy α i pseudo α
Mikrostruktura jednofazowych stopów α po odkształceniu plastycznym i wyżarzaniu składa się w ponad 95% z roztworu stałego α. Niewielka ilość fazy β może być spowodowana obecnością zanieczyszczeń, takich jak żelazo.
Stopów α nie umacnia się poprzez obróbkę cieplną. Pewien wzrost wytrzymałości uzyskuje się poprzez umocnienie przez zgniot, jednakże metoda ta powoduje spadek plastyczności stopów. Obróbka cieplna stosowana w przypadku tych stopów dotyczy głównie wyżarzania w niskich temperaturach w celu usunięcia skutków zgniotu lub naprężeń powstających w wyniku spawania oraz odlewania.
Stopy α ze względu na swój skład chemiczny charakteryzują się dobrymi właściwościami odlewniczymi, dobrą spawalnością oraz wytrzymałością na pełzanie. Posiadają dużą odporność na kruchość na zimno oraz stabilność cieplną. Ze wzglądu na dużą zawartość aluminium stopy te wykazują małą podatność na przeróbkę plastyczną. Przy zawartości aluminium przekraczającej 7%, tworzy się faza α2 (roztwór stały na osnowie fazy międzymetalicznej Ti3Al), charakteryzująca się dużą kruchością. Stopy α nie posiadają dobrych właściwości wytrzymałościowych.
Struktura stopów pseudo α zawiera, oprócz fazy α, niewielką ilość fazy β (2-6%
w stanie po normalizowaniu oraz 8-15% po hartowaniu z temperatury wyższej niż temperatura przemiany α→β). Właściwości tej grupy stopów nie odbiegają zasadniczo od właściwości stopów α. Charakteryzują się one dobrą spawalnością, plastycznością
i stabilnością cieplną. Wprowadzenie do stopów pseudo α pierwiastków stabilizujących fazę β, wpływa istotnie na zwiększenie wytrzymałości i żarowytrzymałości tych materiałów, przy nieznacznej zmianie ich plastyczności.
Poprawa właściwości wytrzymałościowych wynika ze zwiększenia niejednorodności roztworu α .
Stopy dwufazowe (α+β)
Stopy dwufazowe (α+β) otrzymuje się poprzez wprowadzenie odpowiedniej ilości pierwiastków stabilizujących fazę α i β. Faza α umacniana jest głównie poprzez dodatek aluminium. Wynika to z faktu, że pierwiastki stabilizujące fazę β wykazują małą rozpuszczalność w fazie α. Aluminium powoduje także zmniejszenie gęstości stopów
i zwiększa stabilność cieplną fazy β.
Faza β może być utrwalona przez wprowadzenie do stopu pierwiastków eutektoidalnych lub izomorficznych. Faza β utrwalona pierwiastkami eutektoidalnymi charakteryzuje się lepszymi właściwościami mechanicznymi, ale za to posiada mniejszą plastyczność w porównaniu z fazą β utrwaloną pierwiastkami izomorficznymi.
Mikrostruktura stopów dwufazowych składa się z mieszaniny faz α i β, czego efektem jest wzrost wytrzymałości stopów zarówno w temperaturze 25°C, jak i w temperaturze podwyższonej. Na mikrostrukturę stopów (α+β) mają wpływ trzy czynniki: skład chemiczny, sposób otrzymywania i obróbka cieplna [23,29,30]. Właściwości wytrzymałościowe stopów (α+β) zależą od udziału objętościowego i od morfologii poszczególnych faz. Wraz ze wzrostem ilości fazy β w osnowie fazy α wzrasta wytrzymałość stopu, osiągając maksimum przy 50% zawartości każdej z faz.
Stopy (α+β) wykazują dużą podatność na obróbkę cieplną, co pozwala na kształtowanie w szerokim zakresie ich właściwości i mikrostruktury. Najbardziej rozpowszechniony zabieg obróbki cieplnej dwufazowych stopów tytanu (α+β) polega na nagrzaniu stopu tuż poniżej temperatury przemiany (α+β)→β (25÷60°C) tak, aby pozostająca w strukturze faza α zapobiegała rozrostowi ziarna fazy β i następnym ochłodzeniu. Otrzymuje się metastabilną fazę βM, będącą roztworem przesyconym lub martenzytyczną fazę α' w zależności od położenia temperatury Ms. Następnie nagrzanie stopu do temperatury 450÷600°C prowadzi do starzenia lub odpuszczania. W wyniku starzenia następuje częściowa przemiana metastabilnej fazy βM. Powstające drobnodyspersyjne wydzielenia fazy
α umacniają stop. Zabieg ten pozwala na zwiększenie wytrzymałości stopu o 35%.
W wyniku odpuszczania w metastabilnej fazie α' wydziela się drobnodyspersyjna faza β. Efekt umocnienia w wyniku obróbki cieplnej wzrasta wraz ze wzrostem zawartości pierwiastków stabilizujących fazę β. Wzrost pierwiastków stabilizujących fazę β sprzyja powstawaniu podczas hartowania większej ilości metastabilnych faz, zdolnych do rozpadu w procesach odpuszczania i starzenia. Maksymalny wzrost wytrzymałości osiągany jest dla zawartości pierwiastków odpowiadającej przejściu struktury (α+β) w β. Stopy dwufazowe mogą być również umacniane przez zgniot.
Jednakże stopy dwufazowe (α+β) charakteryzują się dużym oporem plastycznym małą przewodnością cieplną, co utrudnia przeróbkę plastyczną na zimno jak i na gorąco.
W stanie równowagi stopy (α+β) zawierają od 5 do 50% fazy β. Przyjmując jako kryterium zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β i strukturę wyróżnia się martenzytyczne stopy (α+β) i przejściowe stopy (α+β). Martenzytyczne stopy (α+β) zawierające 5-25% fazy β, po wyżarzaniu normalizującym charakteryzują się większą plastycznością niż stopy jednofazowe α, a po obróbce cieplnej posiadają lepsze właściwości wytrzymałościowe. Przejściowe stopy (α+β) po normalizowaniu posiadają 25-50% fazy β. Stopy te charakteryzują się maksymalnym efektem umocnienia w wyniku obróbki cieplnej oraz wysokim stopniem dyspersji faz α i β [29].
Stopy β i pseudo β
Stopy β i pseudo β zawierają dużą ilość (powyżej 20%) pierwiastków stabilizujących fazę [22]. W skład stopów β wchodzą najczęściej takie pierwiastki jak: V, Mo, Cr i Fe. Czasami dodawany jest Zr oraz Al. Cyrkon umacnia roztworowo fazy α i β, natomiast dodatek aluminium pozwala na obniżenie gęstości stopów, przyczynia się do ich umocnienia roztworowego i podnosi odporność na utlenianie. Stopy β charakteryzują się dużą gęstością, co związane jest z obecnością wanadu i molibdenu [23].
W stopach β może występować termodynamicznie stabilna faza βTS lub metastabilna faza βM różnicując właściwości stopów. Struktura stopów β po wygrzewani w temperaturze powyżej temperatury przemiany α+β→β oraz po chłodzeniu w powietrzu składa się wyłącznie ze metastabilnej fazy βM, która jest stabilna pod wpływem naprężeń mechanicznych a rozpada się na skutek wzrostu temperatury.
Stopy β o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej, charakteryzują się lepszą podatnością na przeróbkę plastyczną niż stopy α oraz stopy α+β, które posiadają składniki strukturalne krystalizujące w układzie heksagonalnym zwartym. Ze względu na dużą zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β, spowalniających procesy starzenia, efekt umocnienia powodowany przez tą obróbkę jest niewielki.
Stopy pseudo β po hartowaniu posiadają strukturę składającą się z niestabilnej termodynamicznie fazy β, a po starzeniu strukturę składającą się z faz β i α. W stopach pseudo β nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Wzrost wytrzymałości tych stopów możliwy jest poprzez obróbkę cieplną w wyniku umocnienia wydzieleniowego. Jednakże stopień umocnienia uzyskiwany w wyniku obróbki cieplnej jest mniejszy niż w przypadku stopów dwufazowych (α+β).
Stopy pseudo β po hartowaniu charakteryzują się dobrymi właściwościami plastycznymi w temperaturze 25°C, zbliżonymi do właściwości czystego tytanu. Posiadają natomiast mniejszą odporność na pełzanie i mniejszą stabilność cieplną w porównaniu ze stopami α.
2.3 Przemiany fazowe zachodzące w tytanie i w stopach tytanu
Podczas przemian fazowych zachodzących w stopach tytanu w wyniku obróbki cieplnej, obok faz równowagowych, powstają fazy metastabilne. Czynnikiem sprzyjającym powstawaniu faz metastabilnych jest ich niższa w porównaniu z wysokotemperaturową fazą β, wartość energii swobodnej.
Do najważniejszych przemian fazowych zachodzących w tytanie i w stopach tytanu zalicza się:
przemianę alotropową tytanu (α↔β),
przemianę fazową w stopach dwufazowych (α+β ↔β),
przemianę martzenzytyczną (β→α'; β→α''),
przemianę eutektoidalną (β→α+TiX).
Przemiana eutektoidalna w stopach tytanu (dla prędkości chłodzenia stosowanych
w warunkach przemysłowych) zachodzi niezmiernie rzadko.
2.4 Obróbka cieplna stopów tytanu
Tytan i jego stopy po zgniocie podlegają wyżarzaniu rekrystalizującemu, które przeprowadza się w temperaturze 700 — 800°C. Występowanie przemian fazowych
w stopach tytanu pozwala prowadzić takie obróbki cieplne jak: hartowanie, odpuszczanie, przesycanie i starzenie. Należy jednak zaznaczyć, że skutek obróbki cieplnej w stopach tytanu nie jest tak wyraźny jak w stopach żelaza.
Własności mechaniczne stopu zależą więc od jego składu chemicznego i charakteru przemian fazowych podczas chłodzenia. Wynika więc, że w tego rodzaju sto pach najkorzystniejsze z punktu widzenia twardości i wytrzymałości, jest otrzymywanie struktury dwufazowej (β → β + ω).
W niektórych stopach tytanu występuje przemiana fazowa określana mianem przemiany martenzytycznej β → α'(α''), która powoduje także wzrost twardości. Temperatura nagrzewania do hartowania jest uzależniona od składu stopu i może być wyznaczona
z właściwego układu równowagi fazowej.
Własności mechaniczne zahartowanego stopu można określić na podstawie ilościowego udziału faz β, α' i α''. (Faza α'' jest to zniekształcona faza α' typu mertenzytycznego). Udział fazy α'' zależy od temperatury nagrzewania przed hartowaniem, prędkości chłodzenia i ilości dodatków stopowych stabilizujących fazę. Hartowanie stopu tytanu prowadzące do struktury α+β+α'+α'' powoduje wzrost twardości do 250 HB.
Należy podkreślić, że otrzymywanie faz o wysokiej twardości i wytrzymałości (α'' i ω) wywołuje znaczny spadek własności plastycznych stopów i dlatego często nie może być praktycznie stosowane. Ze względu na małą odporność na ścieranie stopów tytanu, należy poddawać je nawęglaniu lub azotowaniu, co znacznie polepsza ich własności.
Symulacja obróbki cieplnej
3.1. SolidWORKS Simulation
Jednym z programów umożliwiających przeprowadzenie symulacji komputerowej obróbki cieplnej metali i ich stopów. Oprogramowanie SolidWORKS Simulation jest modułem oprogramowania, jakim jest SolidWORKS.
Jest to typowy program wykorzystujący metodę elementów skończonych do rozwiązania problemów. W programie tym jesteśmy w stanie określić dokładnie materiał,
z jakiego jest wykonany dany element, ustalić czy badanie ma zakończyć się po upływie czasu czy też po przekroczeniu ustalonej temperatury.
W programie tym jesteśmy również w stanie określić dokładny wzrost temperatury
w każdej sekundzie badania dzięki temu możemy dokładnie zasymulować warunki panujące w piecu. Po ustaleniu podstawowych parametrów takich jak temperatura podstawowa, czas bądź też temperatura graniczna badania, obciążenie termiczne (w programie możemy wybrać opcje: temperatura, konwekcja, obciążenie cieplne, moc cieplna oraz promieniowanie), kolejnym etapem jest nałożenie siatki elementów skończonych na badany element.
W tym etapie można popełnić wiele błędów, ponieważ jak wiadomo metoda elementów skończonych opiera się na aproksymacji równań różniczkowych, zbyt duże zagęszczenie siatki pokaże z reguły zawyżone wyniki, natomiast zbyt małe zagęszczenie siatki da nam bardzo niedokładny wynik końcowy.
Aby otrzymać wiarygodne wyniki potrzebne jest doświadczenie
w posługiwaniu się tego typem oprogramowania. Po przeprowadzeniu symulacji otrzymujemy wynik w postaci wykresu (Rys 1.)
Następnym etapem, jaki możemy wykonać jest zbadanie naprężeń występujących
w elemencie podczas obróbki termicznej, wyniki te są zaprezentowane na wykresie
w postaci naprężeń zredukowanych von Misesa (Rys 2.)
Rys. 1. Przykładowy wynik symulacji obróbki cielnej w programie SolidWORKS SImulation.
Rys. 2. Przykładowe wyniki występujących naprężeń podczas wykonywania obróbki cieplnej w programie SolidWORKS Simulation.
3.2. Sysweld
Program Sysweld jest używany do wirtualnych symulacji numerycznych procesów obróbki cieplnej i spawania, biorąc pod uwagę przemiany fazowe. Program pozwala symulować powstawanie w materiale naprężeń i odkształceń residualnych wynikających zarówno ze zjawisk termicznych jak i z pochodnych zmian fazowych zachodzących w materiale.
Praca programu Sysweld opiera się na metodzie elementów skończonych. Poniżej przedstawiono możliwe do uzyskania parametry wirtualnej symulacji procesu spawania
i obróbki cieplnej [3]:
pole temperatur
struktura materiału (fazy przemiany materiału, takie jak ferryt, benit, martenzyt)
utwardzenie HV
rozmiar ziarna w fazie austenitu
deformacje
naprężenia szczątkowe
zawartość węgla i azotu
Wymienione niżej materiały mogą być użyte podczas procesu wirtualnego spawania oraz obróbki cieplnej z wykorzystanie programu Sysweld [3]:
wszystkie stale (czysta stal, stopy stali, stal austeniczna, itp.)
stopy aluminium
stopy tytanu
odlewy z żelaza
itp.
Modele komputerowe nie są zwykle przygotowywane w pre-procesorze zawartym w programie Sysweld. Przygotowywanie modeli do obliczeń odbywa się w programie Visual Mesh [3]. Sysweld - moduł do obróbki cieplnej. Moduł do przeprowadzania symulacji procesu obróbki cieplnej zawiera [3]:
kod interaktywny,
pre oraz post-processing ,
przwodnik po procesie obróbki cieplnej,
sysweld solver,
standardowa bazę materiałów dla programu Sysweld.
Symulacje komputerowe są przeprowadzane z użyciem tzw. metody transient. Oznacza to, iż cały proces jest obliczany bez uproszczeń czasowych, czyli tak jak przebiega w rzeczywistości [3].
Przebieg procesu obróbki cieplnej, który może być obliczony z wykorzystaniem programu Sysweld [3]:
schłodzenie w różnych typach ośrodków chłodzących (powietrze, woda, olej, polimer, itp.)
odpuszczanie i wyżarzanie,
utwardzanie powierzchni (płomień, laser, GTAW, itp.),
hartowanie indukcyjne,
nawęglanie,
azotowanie/nawęglanie,
Moduł obróbku cieplnej zawiera także bazę materiałową oraz bazę ze współczynnikiem przenikalności cieplnej dla różnych typów ośrodków chłodzących (woda, powietrze, trzy rodzaje oleju, polimery, itp.) [3].
Program posiada własny preprocesor, przy pomocy którego możliwy jest import danych z systemów CAD i rozpinanie na nich siatek MES. Procesor umożliwia również budowę modelu geometrycznego, gdy brak jest odpowiedniej dokumentacji CAD. Ponieważ większość przemysłowych użytkowników MES jest jednak przyzwyczajona do istniejących, popularnych generatorów siatek MES, Sysweld umożliwia również import siatek MES wraz
z ich atrybutami; akceptowane formaty importowanych siatek, to ANSA, HYPERMESH, IDEAS, PATRAN itd. [3].
3.3. Ansys
ANSYS - jedno z najbardziej znanych na świecie oprogramowań do różnego rodzaju symulacji przeprowadzanych w inżynierii. Znajduje zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie m.in. w przemysłach [4]:
lotniczym i obronnym,
samochodowym,
konstrukcyjnym,
energetycznym,
naukowym,
medycznym,
paliwowym i gazowym,
maszynowym i przy urządzeniach przemysłowych,
w procesach chemicznych i wszelkich procesach materiałowych.
W programie tym możemy stworzyć element od podstaw, kolejno tworząc element z dokładnymi wymiarami, wybierając materiał z jakiego jest stworzony, dokładny skład chemiczny itp. Następnie w zależności od żądanej symulacji nakładamy siatkę elementów skończonych - w zależności od wybranej analizy siatka będzie się różniła (np. PLANE 55 dla analizy termicznej, PLANE 182 dla analizy strukturalnej). W kolejnych krokach zależnych od wybranej symulacji oraz materiału z którego jest wykonany element możemy uzyskać informacje o własnościach zależnych od temperatury, które mogą nas interesować [4]:
Temperature, 0F |
Specific Heat, Btu/(il. 0F) |
Thermal Conductivity, Btu/(hr*in*0F) |
Density, lb/in3 |
70 |
0,10929 |
2,3993 |
0,283 |
100 |
0,11112 |
2,3788 |
|
200 |
0,11725 |
2,3094 |
|
300 |
0,12337 |
2,2381 |
|
400 |
0,12949 |
2,1648 |
|
500 |
0,13561 |
2,0897 |
|
600 |
0,14174 |
2,0126 |
|
700 |
0,14786 |
1,9337 |
|
800 |
0,15398 |
1,8528 |
|
900 |
0,16011 |
1,7701 |
|
1000 |
0,16623 |
1,6853 |
|
1100 |
0,17235 |
1,5987 |
|
1200 |
0,17848 |
1,5102 |
|
1300 |
0,18460 |
1,4198 |
|
1400 |
0,44273 |
1,3274 |
|
1500 |
0,15174 |
1,2135 |
|
1600 |
0,15369 |
1,2477 |
|
1700 |
0,15564 |
1,2819 |
|
Tabela 1. Własności cieplne dla danego materiału, przy danej wartości temperatury [4]
Temperature, oF |
70 |
400 |
600 |
800 |
1300 |
1600 |
Modulus of Elasticity, x106psi |
29,181 |
28,899 |
28,139 |
26,568 |
17,115 |
6,150 |
Yield Strength, ksi |
57,990 |
56,505 |
53,841 |
47,122 |
15 |
9,813 |
Tangent Modulus, x106psi |
2,187 |
3,273 |
3,089 |
2,526 |
0,722 |
0,2092 |
Poisson's ratio |
0,3 |
|||||
Coefficeint of Thermal Expansion in/(inoF) |
9,44 x10-6 |
|||||
Tabela 2. Własności mechaniczne dla danego materiały, przy danej wartości temperatury [4]
Parametry obróbki cieplnej (i innych symulacji) są bardzo dokładne, dzięki czemu wyniki symulacji przy dobrych założeniach oraz przy odpowiedniej siatce elementów skończonych są dokładne i odpowiadające parametrom w rzeczywistości. Przykładowe parametry dla obróbki materiału to [4]:
czas hartowania,
czas nagrzewania,
czas wygrzewania,
temperatura pieca,
temperatura początkowa,
współczynnik materiał -> woda (ogólnie współczynnik: materiał ->ośrodek chłodzący),
ciepło właściwe,
przewodność cieplna,
moduł elastyczności (sprężystości),
granica plastyczności,
rozszerzalność cieplna.
Dzięki przeprowadzeniu symulacji oszczędzamy głównie czas oraz materiał (co przekłada się na pieniądze). W dużo szybszym czasie możemy przeprowadzić symulację procesów obróbki cieplnej dla różnych materiałów z obserwacją przebiegu temperatura-czas. Jeśli wyniki symulacji będą odbiegały od rzeczywistych (przewidywanych) możemy bez żadnych konsekwencji poszukać błędu w założeniach, bądź zmienić parametry aż do uzyskania żądanego przebiegu i efektu końcowego [4].
Przykładowe efekty symulacji:
Rys. 3. Rozprowadzenie ciepła dla materiału przewodnego elektrycznie (w tym przypadku TiN) [4]
Rys. 4. Rozprowadzenie ciepła dla izolatora (w tym przypadku ZrO2) [4]
3.4 ADINA
Program ADINA pozwala na rozwiązywanie różnorodnych problemów z zakresu mechaniki ciała stałego, przepływów ciepła i przepływów płynów, akustyki, elektromagnetyzmu itp. Możliwe jest również rozwiązywanie problemów sprzężonych, jak np. rozwiązanie zagadnienia oddziaływania przepływającego płynu na ciało odkształcalne
z uwzględnieniem zjawisk termicznych. Pod względem różnorodności zastosowań ADINA jest jednym z najbardziej zaawansowanych, pod względem programistycznym, produktów tego typu dostępnych na rynku. Opcja tworzenia bibliotek własnych elementów skończonych umożliwia dostosowywanie programu do potrzeb użytkownika i prowadzenie specjalistycznych badań o charakterze naukowym.
Program ADINA składa się z trzech zasadniczych modułów:
preprocesora - modułu przygotowania modelu do obliczeń
solvera - modułu obliczeniowego
postprocesora - modułu prezentacji wyników obliczeń.
Możliwości analizy termicznej programu Adina obejmują symulację m in.:
zjawisk przewodzenia, konwekcji i promieniowania dla modeli 2-D i 3-D.
warunków stanu ustalonego i przejściowego.
promieniowania między dowolnymi powierzchniami
zmiany własności materiału w zależności od temperatury i czasu obróbki.
Analiza naprężeń wywołanych procesami spawania wymaga niezawodnego systemu do analizy nieliniowej z wyspecjalizowanymi technikami modelowania. Oprogramowanie Adina są z powodzeniem stosowane w analizach procesów spawalniczych (rys.1).
Rys.1 Analiza termiczna procesu spawania łukiem krytym spoin wieloprzebiegowych. [5]
Podsumowanie i wnioski
Literatura
[1] Bylica A.: Sieniawski J., „Tytan i jego stopy”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985r,
[2] Dobrzański L.A., „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego”, Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Gliwice - Warszawa 2002,
[3] www.e-spawalnik.pl,
[4] www.ansys.com,
[5] www.adina.com
7
Wyszukiwarka