Simulación numérica del temple por inducción en aceros de baja aleación y análisis de la influencia de las tensiones residuales en el rolling contact
Maialen Areitioaurtena
27/04/2022
- ZUZENDARIAK: Eneko Ukar (EHU) eta Mario Cabello (Ikerlan).
- UNIBERTSITATEA: UPV/EHU
LABURPENA
Indukzio bidezko tenplaketa metalezko konponenteen gainazala gogortzeko erabiltzen den teknika bat da. Industrian gero eta gehiago erabiltzen den prozesu bat da, beste tratamendu termiko konbentzionalekiko eskaintzen dituen abantailak direla eta. Normalean, karga handiak eta presio handiko kontaktuak jasaten dituzten osagai kritikoetan erabiltzen da, hauek azaleko gogortasun handia eskatzen baitute. Industriak tratamendu termiko honetan duen interes handia den arren, orokorrean prozesuaren diseinua proba-errore prozeduren bidez egiten da. Izan ere, prozesuaren parametro erabakigarrienen definizioa teknikarien know-how-era eta sektoreko eragileen aurretiazko esperientziara mugatzen da, kostuak eta time-to-market-a handituz.
Prozesu multifisikoa izanik, eta fisiken arteko elkarreragin ugariak kontuan hartuta, indukzio bidezko tenplearen simulazioa oso konplexua eta konputazionalki garestia da. Literaturaren errebisioan ikusi denez, industria-osagai konplexuetan indukzio bidezko tenplearen ondorioak aurreikusteko gai diren eredu numerikoen faltak prozesu honen aplikazioa oztopatzen du. Simulazio numerikoa, beraz, funtsezkoa da indukzio bidezko tenplaketa-prozesua garatzeko eta industria modernoan eraginkortasunez ezartzeko. Gainera, indukzio bidezko tenpleak gogortutako osagaien portaeran dituen inplikazioen azterketak ere garrantzi handia hartzen du. Gai honi ingeniari eta zientzialariek azken urteotan arreta berezia eskaini dioten arren, oraindik aztertzeke dagoen gai baten aurrean gaude.
Doktorego tesi honetan indukzio bidezko tenplaketa prozesuaren simulazioaren problematikari heldu zaio, literaturan aurkitutako mugei erantzunez. Hasteko, indukzio bidezko beroketa fasea modu eraginkorrean simulatzeko eredu numeriko bat garatu da, material ferromagnetikoetan eremu elektromagnetikoak eta termikoak eredu erdi-analitiko baten bidez akoplatuz. Ondoren, modelo hori esperimentalki baliozkotu da 42CrMo4 altzairuzko zilindroetan, lortutako emaitzak, beste software komertzial batzuekin alderatuta, zehatzagoak eta % 80 azkarragoak izanik. Horrez gain, indukzio bidezko tenplaketa prozesuaren bigarren fasea simulatzeko eredu multifisiko akoplatu bat garatu da. Eredu honek fisika termikoa, mekanikoa eta mikroestrukturala akoplatzen ditu, eta esperimentalki baliozkotu da mikroegituraren iragarpenari, gogortasunari eta hondar tentsioen sorrerari dagokienez. Garatutako ereduak, beste software komertzial batzuek ez bezala, tenplean gertatzen diren hainbat fenomeno deskribatzeko erabiltzen diren ereduen inpaktua ebaluatzeko aukera ematen du. Tesi honetan Transformation Induced Plasticity (TRIP) delakoak 42CrMo4 altzairuan duen eragina ikertu da, kalkulu ereduek efektu hori barne hartu beharko luketela ondorioztatuz, hondar tentsioen iragarpenak hobetzeko.
Azkenik, garatutako ereduak teknika esperimentalekin konbinatu dira indukzio bidezko tenplaketan sortutako hondar tentsioek rolling contact-aren (RCF) portaeran duten eragina ikertzeko. Ikerketa honetan, kalkulu-metodologia bat garatu da bizitza analisietan hondar tentsioak kontsideratu ahal izateko. Horretarako, hondar tentsioen eragina numerikoki eta esperimentalki aztertu da three-ball-on-rod saiakuntza baten bidez. Gainazalean sortzen diren konpresiozko hondar tentsioek osagaiaren bizitza luzatzen dutela eta kalte kritikoena sortzen den puntuaren sakonera aldatzen dutela ikusi da. Analisi numerikoa egiteko, Dang Van kriterio multiaxiala erabili da, eta hiru ebakidura tensio magnitude kritiko alderatu dira (Tresca, ebakidura ortogonala eta ebakidura oktaedrikoa), bizitzari eta puntu kritikoaren sakonerari dagokienez. Emaitza numeriko eta esperimentalek ebakidura ortogonalak emaitza zehatzagoak iragartzen dituela adierazten dute.
Doktorego tesi honetan egindako ekarpenekin literaturan garatu ohi diren eredu sinplifikatuen eta konplexutasun handiagoko kasu industrialen arteko egungo arrakala murriztea espero da, proba eta erroreen prozedura enpirikoak nabarmen murriztea ahalbidetuz eta prozesuarekin lortutako emaitzaren gaineko kontrola areagotuz. Paradigmaren aldaketa horrekin, industrian eraginkortasun handiagoa (ekonomiari, denborari eta energiari dagokienez) lortzea espero da, baita akatsa duten pieza kopurua murriztea ere.