Recenzja 1 - Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki

Prof. dr hab. inż. Tadeusz BURCZYŃSKI, czł. koresp. PAN
Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
ul. A. Pawińskiego 5B
02-106 Warszawa
e-mail: [email protected]
Warszawa, 20.09.2016
Recenzja
rozprawy doktorskiej
mgra inż. Roberta Szymczyka
Analiza numeryczna zjawisk hartowania stali narzędziowych
do pracy na gorąco
1. Uwagi ogólne
Rozprawa doktorska mgra inż. Roberta Szymczyka poświęcona jest kompleksowej analizie
numerycznej zjawisk hartowania wybranej grupy stali narzędziowych do pracy na gorąco.
Podjęcie tej tematyki badawczej należy uznać za trafne ponieważ istniejące dotychczas
modele nie obejmują całej złożoności zjawiska.
Praca powstała na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki
Częstochowskiej, a jej promotorem jest prof. dr hab. inż. Adam Bokota.
Biorąc pod uwagę cel i zakres rozprawy, można ją zakwalifikować do dyscypliny mechanika.
2. Zakres rozprawy
Rozprawa napisana jest w j. polskim i zawiera 120 stronic. Składa się z sześciu rozdziałów,
podsumowania, wykazu literatury, spisu rysunków i tabel, streszczeń w j. polskim
i angielskim oraz oświadczenia o samodzielnym wykonaniu rozprawy.
Rozdział 1. ma charakter wstępu i zawiera ogólną charakterystykę omawianych zjawisk
przeprowadzoną na podstawie literatury przedmiotu, w szczególności z zakresu przemian
fazowych w stanie stałym. Doktorant przedstawił stan wiedzy na temat ostatnich osiągnięć
w dziedzinie modelowania matematycznego i numerycznego zjawisk hartowania stali.
W rozdziale 2. sformułowany został cel i zakres pracy.
Rozdział 3. poświęcony jest modelowaniu zjawisk cieplnych zabiegu hartowania stali.
W rozdziale tym przedstawiono model matematyczny zagadnienia przewodzenia ciepła.
Zagadnienie to rozwiązano metodą elementów skończonych w sformułowaniu Galerkina.
Przedstawiono dwa warianty modelowania źródeł ciepła pochodzących od przemian
fazowych podając algorytmy uwzględniania tych źródeł w równaniach MES.
W rozdziale 4. podano modele kinetyki przemian fazowych w stanie stałym
z przeznaczeniem do modelowania kinetyki przemian w stalach narzędziowych do pracy na
gorąco. Przedstawione modele oparto na wykresach ciągłego nagrzewani (CTPA) oraz
wykresach ciągłego chłodzenia (CTPc) wybranej grupy stali narzędziowej do pracy na
gorąco. Wychodząc od literaturowych wykresów CTPc dla wybranych trzech stali (WCL,
W1.2343 oraz W360) dokonano ich przesunięcia z przeznaczeniem do symulacji
komputerowej kinetyki przemian fazowych. Przeprowadzono walidację zaproponowanych
modeli kinetyki przemian fazowych z wykorzystaniem przesuniętych wykresów CTPc. Na
podstawie danych literaturowych i uzyskanych wyników testowych ustalono współczynniki
rozszerzalności termicznej oraz izotropowe odkształcenia strukturalne dla trzech stali
rozważanej grupy. Są to wielkości niezbędne do przeprowadzania symulacji numerycznych
zjawisk hartowania.
Rozdział 5. poświęcony jest modelowaniu zjawisk mechanicznych hartowania stali.
Oprócz równań równowagi, związków konstytutywnych, warunków brzegowych
i początkowych, przedstawiono modele odkształceń plastycznych dla materiałów: ze
wzmocnieniem izotropowym i wzmocnieniem kinematycznym. Dla tych dwóch wersji
wzmocnienia podano również modele odkształceń transformacyjnych. Przedstawiono
rozwiązanie zagadnienia termo-sprężysto-plastyczności metodą elementów skończonych.
Rozdział zakończono podaniem warunków zakończenia iteracyjnego procesu poszukiwania
odkształceń plastycznych.
Rozdział 6. zawiera przykłady numeryczne symulacji hartowania stali W360, jako
reprezentanta rozważanej grupy stali. Symulacje komputerowe obejmowały dwa przypadki:
(i) hartowanie po całkowitym austenityzowaniu oraz (ii) hartowanie przypowierzchniowe po
niecałkowitym austenityzowaniu. Dla obu przypadków wykonano kilka symulacji hartowania
dla różnych warunków chłodzenia. Wyniki obliczeń przedstawiono w formie wykresów
jednowymiarowych oraz w formie dwuwymiarowych rozkładów.
Wnioski wynikające z rozprawy zawarte są w podsumowaniu.
Spis literatury zawiera 118 pozycji, w tym 14 pozycji stanowi notografia oraz 2. pozycje
zajmują polskie normy. Dwie prace wykazane w spisie literatury są współautorstwa
Doktoranta.
3. Ocena merytoryczna
Oceniana rozprawa doktorska poświęcona jest oryginalnej tematyce badawczej
związanej z analizą numeryczną zjawisk hartowania wybranej grupy stali narzędziowych do
pracy na gorąco. Kluczową rolę odgrywają tutaj zjawiska cieplne, przemiany fazowe w stanie
stałym oraz generowane nimi zjawiska mechaniczne. Analiza numeryczna procesów obróbki
cieplnej jest istotnym i trudnym zagadnieniem ponieważ zjawiska towarzyszące obróbce
cieplnej są złożone i do tej pory nie w pełni zbadane. Modelowanie numeryczne takich
procesów technologicznych mieści się w obszarze zaawansowanej obliczeniowej mechaniki
materiałów.
Do tej pory brak jest kompleksowych modeli numerycznych hartowania grupy stali
narzędziowych do pracy na gorąco. Istniejące modele nie obejmują całej złożoności zjawiska,
ponieważ opisują najczęściej przemiany fazowe podczas chłodzenia oraz zabiegu
2
odpuszczania, ale nie sprzęgają tych zabiegów z odkształceniami i naprężeniami
mechanicznymi.
Celowe jest zatem opracowanie kompleksowego modelu hartowania grupy stali
narzędziowych do pracy na gorąco, uwzględniającego jednocześnie zjawiska cieplne,
przemiany fazowe oraz zjawiska mechaniczne.
Podjęcie tej problematyki badawczej należy zatem uznać za w pełni uzasadnione.
Celem pracy było zatem zbudowanie modeli matematycznych kinetyki przemian
fazowych w stanie stałym dla reprezentatywnej grupy stali narzędziowych do pracy na
gorąco, opracowanie algorytmów numerycznych ich rozwiązania i w końcu
ich
implementacja komputerowa. Pozwoliło to na przeprowadzanie symulacji numerycznej
hartowania elementów wykonywanych ze stali należących do rozważanej grupy stali
z różnymi warunkami nagrzewania i chłodzenia.
Modele matematyczne hartowania stali narzędziowych do pracy na gorąco zbudowane
zostały na podstawie teorii niestacjonarnego przepływu ciepła, modelu kinetyki przemian
fazowych oraz modelu zjawisk mechanicznych hartowania stali.
Równanie nieustalonego przewodzenia ciepła, z odpowiednimi warunkami brzegowymi
i początkowymi, Doktorant rozwiązał za pomocą metody elementów skończonych w ujęciu
Galerkina. W modelu numerycznym uwzględnił zmianę wielkości termofizycznych materiału
od temperatury.
Do przemian dyfuzyjnych Doktorant wykorzystał formułę Johnson - Mehl - Avrami, a do
przemiany struktura wyjściowa-austenit zmodyfikowany wzór Koistinena-Marburgera.
Do przemiany austenit-martenzyt zastosował zmodyfikowany wzór KoistinenaMarburgera.
Model zjawisk mechanicznych hartowania stali uwzględniał odkształcenia plastyczne dla
materiałów ze wzmocnieniem izotropowym oraz wzmocnieniem kinematycznym i jako
zagadnienie brzegowe termo-sprężysto-plastyczności został rozwiązany za pomocą metody
elementów skończonych w ujęciu Galerkina.
Przedstawiono algorytmy numeryczne określania kinetyki przemian fazowych oraz
wyznaczania ułamków faz oparte na wykresach nagrzewania i chłodzenia ciągłego (CTPA
oraz CTPc). W symulacjach numerycznych wykorzystano przesunięte wykresy chłodzenia
ciągłego (CTPc). Opracowane modele przemian fazowych w stanie stałym potwierdzono
weryfikacją symulacyjną dla trzech gatunków stali, z grupy stali narzędziowych do pracy na
gorąco, tzn. dla stali: WCL, W1.2343 oraz W360.
W algorytmie numerycznym zjawisk mechanicznych hartowania stali, równania
równowagi i związki konstytutywne przyjęto w formie prędkościowej. Założono, że
hartowany materiał jest sprężysto-plastyczny, a odkształcenia plastyczne determinuje
stowarzyszone prawo nieizotermicznego plastycznego płynięcia z warunkiem plastyczności
Hubera-Misesa. Uplastycznienie może charakteryzować się wzmocnieniem izotropowym lub
wzmocnieniem kinematycznym. Oprócz odkształceń sprężystych, cieplnych, strukturalnych
i odkształceń plastycznych, uwzględniono również odkształcenia transformacyjne. Wielkości
termofizyczne takie, jak moduł Younga i moduł styczny uzależniono od temperatury,
a granicę plastyczności - od temperatury i składu fazowego hartowanego materiału.
3
Wykorzystując zaimplementowane algorytmy wykonano przykłady symulacji hartowania
elementów wykonywanych ze stali narzędziowej do pracy na gorąco. Symulacje hartowania
przeprowadzono dla jednego reprezentanta rozważanej grupy stali, tzn. dla stali W360,
z założeniem hartowania na wskroś oraz hartowania przypowierzchniowego. Prezentowane
przykłady obliczeń numerycznych dotyczą różnych, parametrów uwarunkowań brzegowych
i początkowych. Dokonano analizy uzyskanych wyników numerycznych wskazując jakie
parametry są korzystniejsze do wybranej technologii hartowania obiektów wykonywanych ze
stali narzędziowej do pracy na gorąco.
Zamieszczone w rozprawie wyniki badań świadczą o bardzo dobrej znajomości
problematyki badawczej, dużej pomysłowości i profesjonalności Doktoranta.
Struktura rozprawy jest logiczna, dobrze przemyślana i nie budzi zastrzeżeń. Zwraca uwagę
duża pieczołowitość w przygotowaniu przykładów numerycznych oraz prezentacja wyników
symulacji komputerowych w postaci wykresów i map.
Uwagi dyskusyjne
(i)
(ii)
Brak jest w pracy wystarczającej informacji o zastosowanym oprogramowaniu
komputerowym. Czy jest ono oprogramowaniem własnym, czy też Doktorant
korzystał z kodów komercyjnych MES.
Uściślenia wymaga w jakim stopniu analizowany w rozprawie model
matematyczny i numeryczny zjawisk hartowania wybranej grupy stali
narzędziowych do pracy na gorąco jest właściwy. Wiedza związana z
wyznaczaniem i kwantyfikowaniem rzetelności i pewności symulacji
komputerowych i ich predykcji jest związana z walidacją i weryfikacją. Walidacja
wyznacza dokładność z jaką przyjęty model matematyczny hartowania stali
narzędziowych opisuje modelowane zjawisko. Weryfikacja zaś wyznacza
dokładność, z którą dany model obliczeniowy reprezentuje model matematyczny.
Mówiąc prosto, walidacja odpowiada na pytanie: „czy dobre równania są
rozwiązywane”, podczas gdy weryfikacja dotyczy odpowiedzi na pytanie: „czy
równania są rozwiązywane poprawnie”. W rozprawie brak jest jasnego
odniesienia się do sprawy zagadnień walidacji i weryfikacji.
4. Wniosek końcowy
Rozprawa doktorska mgra inż. Roberta Szymczyka jest bardzo interesującym studium
z zakresu kompleksowego modelowania zjawisk hartowania stali narzędziowych do pracy na
gorąco.
Zamieszczone w rozprawie rozważania teoretyczne i testy numeryczne, świadczą
o bardzo dobrym rozeznaniu Doktoranta w obszarze objętym rozprawą.
Główny cel rozprawy został osiągnięty, a uzyskane wyniki stanowią bardzo cenny
materiał.
Doktorant wykazał się bardzo dużą wiedzą i doświadczeniem oraz posiada dorobek
publikacyjny.
4
Biorąc pod uwagę przedstawioną opinię stwierdzam, iż rozprawa doktorska mgra inż.
Roberta Szymczyka w pełni odpowiada wymogom stawianym rozprawom doktorskim.
Doktorant jest bardzo dobrze przygotowana do prowadzenia samodzielnych badań
naukowych, zwłaszcza w zakresie zaawansowanych metod obliczeniowych przepływu ciepła
Dlatego uważam, że przedstawiona rozprawa doktorska w pełni spełnia warunki stawiane
rozprawom doktorskim przez obecnie obowiązującą ustawę o stopniach naukowych i tytule
naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki i wnoszę o dopuszczenie jej do publicznej
obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki
Częstochowskiej.
Jednocześnie z uwagi na wysokim poziom naukowy rozprawy oraz dorobek publikacyjny
Doktoranta, zgłaszam wniosek o wyróżnienie rozprawy doktorskiej mgra inż. Roberta
Szymczyka.
Tadeusz Burczyński
5