機械部品の冶金学的相転移をシミュレートする
鋼や鋳鉄などの材料が高温から冷却されると, 冶金相転移が発生することがあります. 金属プロセス は, COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアのアドオン製品であり, これらの相転移が材料の機械的特性と熱的特性にどのように影響するかを調べるために使用できます. このモジュールには, 意図的な相転移 (鋼の焼入れや浸炭など) と不注意に導入された相転移 (積層造形や溶接など) をモデル化する機能, およびアニーリング機能が含まれています. 組み込みのマルチフィジックス機能により, 相組成を最適化して部材のパフォーマンスを向上させることができます.
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鋼の焼入れとは, 完全オーステナイト状態に加熱された鋼部品を急速に冷却する熱処理プロセスです. 鋼の焼入れは, オーステナイトの分解, 伝熱, 構造解析を組み合わせたマルチフィジックスプロセスでもあります. 金属プロセスモジュールは, このマルチフィジックスプロセスのモデル設定を容易にするための特殊な機能を提供します.
解析を実行すると, 相組成と, 部材の焼入れ中の最終的な歪みと残留応力に対する冷却速度の影響を調べることができます. これらの結果は, 特定の焼入れ剤の有効性と, 部品の物理的形状が内部の達成可能な相構成にどのように影響するかについての洞察を提供します.
浸炭のプロセスとは, 鋼製部品を加熱し, 一酸化炭素などの炭素を多く含む環境にさらすことです. 周囲の環境からの炭素の拡散は, 時間に依存した拡散プロセスにより, 境界を通って材料内に発生します. 浸炭解析を行うことで, プロセスが正しく行われていることを確認することができます. 浸炭後に焼入れを行うと, 部品の表面に圧縮応力が発生するため, 疲労のリスクを軽減することができます.
塑性変形を受けた鋼の加熱をモデル化することがしばしば必要になります. 十分に高い温度にさらされると, 鋼は以前の加工硬化を失うため, この効果を計算モデルに含める必要があります. 金属プロセスモジュールは, 非線形構造材料モジュールと組み合わせることで, 焼鈍モデリング機能を提供します. これらの機能により, 焼鈍温度を指定できます. この温度以上では, 塑性硬化変数をリセットすることで, 鋼の以前の加工硬化が解消されます.
このモデリング機能は, マルチパス溶接などの熱サイクルを伴うシナリオで特に役立ちます. このような状況では, 材料の残留応力状態はその塑性履歴によって大きく影響されます.
3D, 2D, 2D 軸対称体での冶金学的相転移や関連現象をモデル化します.
金属相転移 インターフェースは, 加熱または冷却中に鋼などの材料で発生する冶金相転移を調べるために使用されます. 冶金相 機能を使用して, 初期相分率と材料特性を定義できます. 相転移 機能を使用して, ソース相, ターゲット相, および相転移モデルを定義できます.
オーステナイトがフェライトに分解する場合などの拡散制御相転移の場合, 5種類の相転移モデルが提供されます: Leblond–Devaux; Johnson–Mehl– Avrami–Kolmogorov; Kirkaldy–Venugopalan (簡略化), マイクロ構造ベース, および双曲速度です.
変位型 (拡散なし) マルテンサイト相転移をモデル化する場合は, Koistinen–Marburger モデルを使用できます.
これらの相転移モデルは, たとえば TTT 図データを使用して定義できます. 相転移データは各モデルごとに個別に定義され, ソフトウェア JMatPro® からインポートできます.
提供されている相転移モデルに加え, ユーザー定義も可能です.
炭化 インターフェースは, 熱処理中の浸炭プロセスをモデル化するために使用されます. このインターフェースを使用して, 周囲環境の炭素濃度を定義し, 炭素が表面を移動する方法を指定し, 炭素が部材内で内部拡散する方法を定義できます.
金属相転移 および オーステナイト分解 インターフェースは, 個々の冶金相の材料特性に基づいて有効な材料特性を計算できます. これらの有効な特性は, 伝熱 (固体) や 固体力学 などの他のインターフェースで透過的に利用できます. 材料特性は, 冶金相ごとに個別に定義され, ソフトウェア JMatPro® からインポートできます.
シミュレーションで使用する相転移モデルを定義する場合, 特定の相転移に対して実験的なキャリブレーションが必要になることがあります. 連続冷却転移 (CCT) や時間温度転移 (TTT) 図などの実験データに対するキャリブレーションを容易にするために, 一般的な相転移図を計算できます. TTT データに対するキャリブレーションには, 最適化モジュール が必要であることに注意してください.
事前定義された 高周波焼入れ マルチフィジックスインターフェースにより, 高周波焼入れシミュレーションが自動的に設定されます. これにより, オーステナイト分解 インターフェース, 固体力学 インターフェース, 伝熱 (固体) インターフェース, 磁場 インターフェースが追加されます. マルチフィジックスカップリングは, 相転移ひずみ, 各冶金相における潜熱, および電磁加熱を考慮するよう自動的に設定されます.
スチールクエンチング マルチフィジックスインターフェースで提供されるすべてのモデリング機能は, 高周波焼入れ マルチフィジックスインターフェースにも含まれています.
オーステナイト分解 インターフェースは, 金属相転移 インターフェースの特殊バージョンで, オーステナイト状態から鋼を急速に冷却する際のオーステナイト分解をモデル化するために使用されます. このインターフェースには, オーステナイト, フェライト, パーライト, ベイナイト, マルテンサイトといった冶金相と, 焼入れプロセス中に発生する可能性のある相転移が自動的に含まれます.
鋼の焼入れシミュレーションを自動的に設定する定義済みの スチールクエンチング マルチフィジックスインターフェースが利用可能です. オーステナイト分解 インターフェース, 固体力学 インターフェース, 伝熱 (固体) インターフェースが追加されます. マルチフィジックスカップリングは, 個々の冶金相の相転移ひずみと潜熱を考慮して自動的に設定されます.
非線形構造材料モジュールと組み合わせると, 金属プロセスモジュールを使用して, 焼入れ中の応力とひずみを詳細に計算できます. 個々の冶金相の塑性ひずみが含まれており, 塑性回復オプションと非線形重み付けスキームを使用して, 複合材料の有効初期降伏応力をモデル化できます. 体積基準温度と熱膨張係数を使用して, 各相の熱ひずみテンソルを計算します. 材料の非弾性ひずみが降伏応力を下回る応力によって生じ, 従来の塑性の意味での塑性流動を引き起こさない場合に, 転移誘起塑性 (TRIP) 効果も分析できます.
相伝熱 (相転移) マルチフィジックスインターフェースを使用して, 熱負荷中の冶金学的相転移をモデル化できます. 金属プロセスモジュールは, 解析で完全な熱方程式を使用して熱伝達をモデル化する機能を備えています. 潜熱を考慮するために, マルチフィジックスカップリングが自動的に設定されます. 熱伝導率, 密度, 比熱容量は, 温度に依存することがあり, 現在の相組成に依存することもあります. たとえば, オーステナイトの熱伝導率はフェライトの熱伝導率とは異なり, 相分率が変化すると, 化合物材料の熱伝導率も変化します.
α–β 相転移 インターフェースは, 金属相変換 インターフェースの特殊バージョンであり, 熱処理可能な α–β チタン合金の加熱および冷却中にさまざまなアルファ相の形成と溶解をモデル化するために使用されます. インターフェースには, ベータ, Widmanstätten アルファ, およびアルファマルテンサイトなどの冶金相が自動的に含まれ, アルファ相の形成と溶解の相変換が含まれます.
マイクロ構造ベース 相転移モデルは, 微細構造と化学情報に基づいてオーステナイト分解をモデル化するために使用できます. この機能により, 相転移モデルを較正するための時間のかかる実験作業の必要性が軽減されます.
スチール組成 ノードは, マイクロ構造ベース 相転移モデルで使用するモデル定式化を選択する前に, 鋼の化学組成, Fe–C ダイアグラム, およびオーステナイト粒径を指定するために使用されます.
他の製品と同様に, 金属プロセスモジュールを COMSOL Multiphysics® に追加すると, その機能と機能性がモデリングワークフローに完全に統合され, 他の追加モジュールと一緒に使用できるようになります. たとえば, 金属プロセスモジュールは, 次のモジュールと組み合わせることができます:
シミュレーションのニーズはそれぞれ異なります.
COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, ぜひ当社までお問い合わせください. 営業担当者との打ち合わせを通じて, 各個人に向いたお勧めや文書化されたモデル事例などをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.
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