Własności fizyczne staliwa w stanie stałym w funkcji temperatury i

0 03
E’ 2
M
AM
1 2th
Własno ci fizyczne staliwa w stanie stałym w funkcji temperatury i szybko ci stygni cia
D. Bartocha
Zakład Odlewnictwa Instytutu Materiałów In ynierskich i Biomedycznych. Wydział
Mechaniczny Technologiczny Politechniki l skiej
ul. Towarowa 7, 44-100 Gliwice, Polska
W artykule opisano wst pne badania wpływu szybko ci stygni cia na warto ci własno ci
fizycznych staliwa w stanie stałym i kształt ich charakterystyk temperaturowych. Na
podstawie analizy danych termofizycznych staliwa wykorzystywanych w programach
symulacyjnych okre lono ich cechy charakterystyczne oraz zaproponowano prosty i jednolity
sposób definiowania charakterystyk temperaturowych własno ci fizycznych w zakresie
temperatur 0 – 1000oC. Zaproponowany model stał si podstaw do próby okre lenia wpływu
szybko ci stygni cia na warto ci i przebieg charakterystyk temperaturowych własno ci
fizycznych staliwa.
1. CECHY OGÓLNE CHARAKTERYSTYK TEMPERATUROWYCH DANYCH
FIZYCZNYCH STALIWA
Wi kszo odlewniczych programów symulacyjnych posiada „otwarte” bazy danych
materiałowych. Pozwala to u ytkownikowi na edytowanie istniej cych danych, a tak e na
wprowadzanie własnych danych termofizycznych zarówno metali (tworzyw odlewniczych)
jak i materiałów pomocniczych (masa formierska, materiały izolacyjne, egzotermiczne,
materiały ochładzalników itp.). Bazy danych materiałowych uzupełniane s zazwyczaj
danymi pochodz cymi z rozwi za zada odwrotnych na podstawie zarejestrowanych
przebiegów procesów cieplnych zachodz cych w rzeczywistych odlewach. Im bardziej
zło ony obiekt bada i skromniejszy aparat badawczy tym wi ksze prawdopodobie stwo
wyedytowania „sztucznych” danych sprawdzaj cych si jedynie w symulacji tego
szczególnego przypadku. Przykładem tego rodzaju danych mo e by zbiór danych
termofizycznych zgromadzony w programie ColdCast w ci gu kilku lat u ytkowania
programu w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki l skiej. Najcz ciej generatorem bł dów
jest u ytkownik programu, zwykle popełniaj c bł dy wynikaj ce z nieznajomo ci zakresu
warto ci w jakim mo e si porusza .
W niniejszej pracy podj to prób okre lenia wspólnych cech własno ci termofizycznych
staliwa i zaproponowano proste i jednolite definiowanie ich charakterystyk temperaturowych
oraz okre lono granice w jakich mo na przypisywa warto ci poszczególnym własno ciom
termofizycznym.
102
D. Bartocha
Cp
3000
Cp
Cp
Cp
2500
4000
3500
3000
2000
2500
1500
2000
1000
1500
1000
500
500
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
200
400
600
800
1000
1200
Temperatura oC
λ
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
200
400
600
800
1600
λ
60
0
1400
Temperatura oC
1000
1200
1400
0
1600
0
200
400
600
800
1000
1200
o
Temperatura C
1400
1600
Temperatura oC
ρ
ρ
8000
9000
7800
8500
7600
8000
7400
7200
7500
7000
7000
6800
6500
6600
6000
6400
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
Temperatura C
Rys. 1. Własno ci termo – fizyczne
dziesi ciu staliw w glowych –
CastCAE
Fig. 1. Thermo-physical properties of
ten carbon cast steel – CastCAE
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
o
Rys. 2. Własno ci termo – fizyczne
dwunastu staliw stopowych –
CastCAE
Fig. 2. Thermo-physical properties of
twelve carbon cast steel –
CastCAE
2. ANALIZA DANYCH MATERIAŁOWYCH
W celu okre lenia ogólnych cech charakterystyk temperaturowych własno ci fizycznych
staliw, zebrano dane termofizyczne z baz danych materiałowych programów Novacast
Flow&Solid, CastCAE i ColdCast.
Własno ci fizyczne staliwa w stanie stałym…
103
Cp
3000
Cp
Cp
Cp
2500
1200
1000
2000
800
1500
600
1000
400
500
200
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Temperatura oC
λ
λ
70
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Temperatura oC
ρ
ρ
9000
8000
8500
7800
8000
7600
7400
7500
7200
7000
7000
6500
6800
6000
6600
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Rys. 3. Własno ci termo – fizyczne
Rys. 4. Własno ci termo – fizyczne
pi tnastu staliw odpornych na
dziesi ciu staliw w glowych –
NOVA Flow&Solid
korozj – CastCAE
Fig. 3. Thermo-physical properties of Fig. 4. Thermo-physical properties of ten
fifteen corrosion resistant cast steel
carbon cast steel – NOVA
– CastCAE
Flow&Solid
Po analizie szeregu przedstawionych na rysunkach 1 – 6 charakterystyk temperaturowych
własno ci fizycznych staliw o ró nym składzie chemicznym zało ono: linowy przebieg
charakterystyki temperaturowej zmian g sto ci, liniowy przebieg zmian współczynnika
przewodzenia ciepła w funkcji temperatury od temperatury 0oC do temperatury przemiany, w
temperaturze tej zało ono punkt zmiany monotoniczno ci charakterystyki i dalsz liniow
zmian współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury przemiany do temperatury
1000oC. Charakterystyk zmian warto ci ciepła wła ciwego w zale no ci od temperatury
rozbito na dwie składowe: liniow charakterystyk temperaturow zmian ciepła wła ciwego
oraz charakterystyk wydzielania si ciepła przemiany w funkcji temperatury. Jako
najbardziej optymalny przyj to „trójk tny” charakter wydzielania si ciepła przemiany.
Jednocze nie zakres warto ci na osi warto ci jest zakresem warto ci jakie mog przyjmowa
poszczególne dane z zachowaniem ogólnych cech charakterystyk.
Powy sze zało enia dotycz ce warto ci charakterystycznych i przebiegu charakterystyk
temperaturowych danych fizycznych staliwa zaimplementowano w autorskim programie
symulacyjnym (rysunek 10) u ywanym do wyznaczania kompletu danych termofizycznych
staliwa w rozwi zaniu klasycznego zadania odwrotnego.
104
D. Bartocha
Cp
Cp
Cp
Cp
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
1600
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Temperatura oC
λ
λ
35
40
30
35
25
30
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Temperatura oC
ρ
ρ
7800
7700
7600
7500
7400
7300
7200
7100
7000
6900
6800
8200
8000
7800
7600
7400
7200
7000
6800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperatura oC
Rys. 5. Własno ci termo – fizyczne Rys. 6. Własno ci termo – fizyczne
sze ciu staliw stopowych – NOVA
o miu staliw chromowych – NOVA
Flow&Solid
Flow&Solid
Fig. 5. Thermo-physical properties of Fig. 6. Thermo-physical properties of
six alloy cast steel – NOVA
eight chromium cast steel – NOVA
Flow&Solid
Flow&Solid
3. DANE TERMOFIZYCZNE STALIWA W FUNKCJI SZYBKO CI STYGNI CIA
Dane termofizyczne wykorzystywane do symulacji komputerowych procesów
przepływu ciepła to najcz ciej proste charakterystyki temperaturowe. Całkowicie pomija si
w nich (z wyj tkiem specjalistycznych programów do obróbki cieplnej) wpływ szybko ci
stygni cia na własno ci fizyczne, które ci le zwi zane s ze struktur , a ta jak wiadomo
zmienia si w trakcie przemian fazowych determinowanych szybko ci stygni cia. Wpływ
szybko ci stygni cia na kształt charakterystyk danych termofizycznych w swoich
algorytmach obliczeniowych przedstawia Miettinen [1,2,3] Algorytmy te bazuj na modelach
IDS i ADC i słu do oblicze własno ci termofizycznych staliw, wykorzystywanych do
symulacji krzepni cia i stygni cia odlewów. Pozwalaj jednak wyznaczy własno ci
termofizyczne staliwa w bardzo szerokim zakresie temperatury <25;1600>oC. Model IDS
(Interdendritic Solidification Model) pierwotnie stworzony był w celu symulacji przemian
fazowych krzepni cia niskostopowych nierdzewnych stali o zawarto ci 16-20%Cr i 8-14%Ni.
Własno ci fizyczne staliwa w stanie stałym…
105
Poł czenie modelu IDS z modelem ADC (Austenite Decomposition Model), stworzonego do
symulacji rozkładu austenitu na struktury zawieraj ce ferryt i cementyt, znacznie rozszerzyło
mo liwo ci ich zastosowania. Obecnie w rezultacie zastosowania modelu IDS otrzymujemy
udziały poszczególnych faz (fazy ciekłej, ferrytu, austenitu, cementytu) w funkcji temperatury
(dla zakresu temperatur <1000;1600>oC). Dalsze obliczenia, a do temperatury pokojowej,
przeprowadzane s w oparciu o model ADC.
Zale no ci Miettinen’a słu do oblicze własno ci termo – fizycznych staliw w glowych,
niskostopowych i odpornych na korozj na podstawie ich składu chemicznego i zadanej
szybko ci stygni cia.
W niniejszej pracy zaproponowano prost metod wyznaczania własno ci termofizycznych
materiałów chłodzonych z ró nymi pr dko ciami, podj to tak e prób opisania wpływu
szybko ci stygni cia na przebieg charakterystyk danych termofizycznych.
3.1. Stanowisko pomiarowe
Kształt próbki oraz stanowisko badawcze przygotowano tak aby zarejestrowa krzywe
stygni cia próbek staliwnych (rysunek 7) nagrzewanych i austenityzowanych w piecu
oporowym i chłodzonych tylko poprzez bezpo rednie oddawanie ciepła do otoczenia, jako
które stosowano trzy ró ne media chłodz ce.
Dzi ki czemu w obliczeniach mo na było zastosowa tylko
współczynnik wnikania ciepła do otoczenia i jest to jedyna
wielko charakteryzuj ca oddawanie ciepła przez próbk .
W
geometrycznym
(cieplnym)
centrum
próbki
umieszczano termoelement Ni-NiCr, podł czony do
przetwornika i komputera, próbki umieszczane były w
piecu w „koszyku” wykonanym z drutu φ0.5mm i tak te
próbki były chłodzone w powietrzu, oleju hartowniczym i
wodzie.
Wykonano 12 prób rejestruj c krzywe stygni cia próbek
odlanych z czterech staliw, skład chemiczny badanych
staliw podano w tabeli 1.
Rys. 7. Próbka
Fig. 7. Specimen
Tabela 1.
Skład chemiczny badanych staliw
Table 1.
Chemical composition of testing cast steels
Nr
Skład chemiczny [%]
Oznaczenie
próbki
C Cr Si Ni Mn Cu P
S
Al Mo
1 GS30Mn5 0,31 0,24 0,42 0,24 1,27 0,18 0,013 0,008 0,025 0,04
2 L35GSM
0,3 0,08 0,7 0,01 1,32 0,08 0,022 0,021 0,01 0,28
3 L35HM
0,33 1 0,45 0,24 0,66 0,17 0,013 0,007 0,032 0,25
4 L70H2GNM 0,66 1,7 0,53 0,73 0,9 0,17 0,021 0,009 0,029 0,35
106
D. Bartocha
otoczenie
o symetrii cieplnej
3.2. Wyznaczenie danych termofizycznych
Własno ci termofizyczne badanych staliw wyznaczane były poprzez rozwi zanie
klasycznego zadania odwrotnego.
W obliczeniach zamodelowano tylko 1/4 obszaru próbki
wykorzystuj c dwuosiow symetri ciepln układu,
otoczenie
rysunek 8. Do oblicze wykorzystano autorski program
Jomin. W programie istnieje mo liwo wyboru medium
chłodz cego (otoczenie). Dla poszczególnych mediów:
powietrza, oleju i wody na podstawie danych z pracy [4]
próbka
zaimplementowane zostały warto ci współczynnika
wnikania ciepła w przedziale temperatury 0 – 1000oC w
funkcji temperatury powierzchni próbki odpowiednio: dla
powietrza
10 – 100 [W/mK], oleju 80 – 1080 [W/mK],
o symetrii cieplnej
wody 1000 – 2000 [W/mK], a tak e na podstawie
pomiarów prowadzonych w trakcie bada ich temperatury
o
Rys. 8 Model obliczeniowy odpowiednio 20, 100, 40 C.
Fig. 8. Calculating model
Rys. 9. Główne okno programu Jomin
Fig. 9. Main user interface of Jomin software
Procedura wyznaczenia danych termofizycznych polegała na wczytaniu do programu pliku z
zarejestrowan krzyw stygni cia próbki, która wy wietlana zostaje na wykresie (rysunek 9)
w kolorze czerwonym, nast pnie na doborze warunków pocz tkowo – startowych, poczym w
cyklu oblicze iteracyjnych na doborze takich warto ci charakterystycznych danych
termofizycznych, rysunek 10, aby doprowadzi do jak najdokładniejszego „nało enia”
Własno ci fizyczne staliwa w stanie stałym…
107
krzywej obliczeniowej na pomiarow oraz ich pochodnych. Wyniki oblicze zestawiono w
tabeli 2.
Rys. 10. Okno edycji danych termofizycznych programu Jomin
Fig. 10. Interface for thermophysical data edition of Jomin software
4. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI
Wybrane wyniki bada zamieszczone w tabeli 2 w formie liczbowej przedstawiono w
postaci wykresów na rysunkach 11 ÷ 13.
Na podstawie przedstawionych wyników bada mo na stwierdzi , e dane termofizyczne
silnie zale od szybko ci zmian temperatury, Zale no ta szczególnie silnie uwidacznia si
w przypadku współczynnika przewodzenia ciepła oraz charakterystyk wydzielania si ciepła
przemiany. W przypadku ciepła wła ciwego, dla staliwa Gs30Mn5 i L35GSM mo na
zauwa y wy sze jego warto ci dla próbek chłodzonych z najwi ksz pr dko ci (w wodzie).
Zmian g sto ci w funkcji szybko ci stygni cia nie stwierdzono, wielko tych zmian
prawdopodobnie jest bardzo mała.
Z przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy wst pnych bada nad wpływem szybko ci
stygni cia na przebieg charakterystyk danych termofizycznych wynika, i taka zale no
istnieje i przejawia si z ró n sił dla poszczególnych własno ci termofizycznych. Wpływ
ten ró nie przejawia si dla ró nych staliw z czego wnioskowa nale y i zale y jak i same
dane termofizyczne od składu chemicznego staliwa.
108
D. Bartocha
Tabela 2.
Wyznaczone dane termofizyczne badanych materiałów
Table 2.
Thermophysical data of testing materials determined
Med.
λ0
λTp
λ1000
pow
50
25
45
640 490
570
Gs30M
olej
n5
50
25
45
250 490
570
45
520
600
Staliwo
woda 25
Tp
Cp0
Cp1000
pow
55
15
45
500 470
550
L35GS
olej
M
55
15
45
250 470
550
45
500
580
woda 15
pow
55
10
45
700 500
550
L35HM olej
55
10
45
300 500
550
45
500
550
45
100 480
500
woda 10
pow
45
25
L70H2
olej
GNM
25
45
480
500
woda 25
45
480
500
ρ0 ρ1000 Qmp
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
780
0
∆T
Qp
T
2400
920
0
4200
7500 420 200
860
0
7500 600
80
7500
0
0
0
850
3500
900
0
5625
7500 450 250
860
0
7500 350 200
7500
0
7500 100
0
0
860
50 2500 860
7500 350 200
7500
0
0
7500 400 250
3500
860
0
0
860
5000
920
0
7500
0
0
0
900
7500
0
0
0
890
Własno ci fizyczne staliwa w stanie stałym…
109
L35GSM
Gs30Mn5
60
60
p
50
temp[C]
temp[C]
w
40
p
50
o
30
o
w
40
30
20
20
10
10
0
200
400
600
800
1000
0
200
wsp. prew.ciepł [W/mK]
400
800
1000
L70H2GNM
L35HM
60
50
p
50
40
o
w
40
temp[C]
temp[C]
600
wsp. prew.ciepł [W/mK]
30
30
p
o
20
20
w
10
10
0
200
400
600
800
0
1000
200
400
600
800
1000
wsp. prew.ciepł [W/mK]
wsp. prew.ciepł [W/mK]
Rys. 11. Współczynnik przewodzenia ciepła
Fig. 11. Thermal conductivity coeficient
Gs30Mn5
700
p
700
600
o
600
p
500
w
500
o
400
w
temp[C]
temp[C]
L35GSM
800
800
400
300
300
200
200
100
100
0
0
0
200
400
600
Qp [J/kgK]
800
1000
0
200
L30HM
800
1000
L70H2GNM
800
800
700
600
p
500
o
400
w
temp[C]
700
temp[C]
400
600
Qp [J/kgK]
300
600
p
500
o
400
w
300
200
200
100
100
0
0
0
200
400
600
Qp [J/kgK]
800
Rys. 12. Ciepło przemiany
Fig. 12. Transformation heat
1000
0
200
400
600
Qp [J/kgK]
800
1000
110
D. Bartocha
Gs30Mn5
600
600
550
500
temp[C]
temp[C]
L35GSM
650
650
p
450
500
p
450
o
400
550
o
400
w
350
w
350
0
200
400
600
800
1000
0
200
600
800
1000
L70H2GNM
L35HM
650
650
600
600
550
550
500
p
450
o
temp[C]
temp[C]
400
Cp [J/kgK]
Cp [J/kgK]
w
400
p
o
w
500
450
400
350
0
200
400
600
Cp [J/kgK]
800
1000
350
0
200
400
600
800
1000
Cp [J/kgK]
Rys. 13. Ciepło wła ciwe
Fig. 13. Specific heat
Fakt istnienia takiego wpływy wymaga uwzgl dnienia go w bazach danych
materiałowych programów symulacyjnych oraz w ich algorytmach obliczeniowych, warto ci
własno ci fizycznych zale e musz nie tylko od temperatury materiału ale tak e od
szybko ci jego stygni cia. Dlatego problematyka przedstawiona w pracy wymaga dalszych
bada , które pozwol okre li posta funkcyjnych zale no ci własno ci fizycznych materiału
od temperatury i kinetyki stygni cia.
LITERATURA
1. J. Miettinen: Calculation of solidification related thermophysical properties for steels.
Metalurgical and Materials Transactions vol. 28B, 1997, 281.
2. J. Miettinen: Simple semiempirical model for prediction of austenite decomposition and
related heat release during cooling of low alloyed steels. Ironmaking and Steelmaking
vol. 23 no 4 1996, 346.
3. J. Miettinen, S. Louhenkirpi: Calulation of thermophysical properties of carbon and low
alloyed steels for modeling of solidification processes. Metalurgical And Materials
Transaction, vol. 25B, 1994, 909.
4. N.I. Kobasko, A.A. Moskalenko, G.E. Totten, G.M. Webster: Experimental determination
of the first and second critical heat flux densities and quench process characterization.
J.M.E.P. vol. 6, 1997,93
5. D. Bartocha, S. Jura: Cechy ogólne charakterystyk temperaturowych własno ci
fizycznych staliwa. Archiwum Odlewnictwa rocznik 3, nr 9, Gliwice 2003, 15
6. D. Bartocha: Zale no własno ci termofizycznych od szybko ci stygni cia. Archiwum
Odlewnictwa rocznik 3, nr 9, Gliwice 2003, 317
7. D. Bartocha, S. Jura: A simply method determination data indispensably for computer
simulation of hardened. KMiS vol. 2, no 44, 2000, 23
8. S. Och duszko: Teoria maszyn cieplnych. Tablice. PWT W-wa 1959