MODELING OF THE JOMINY TEST BY THE FINITE ELEMENT METHOD Modeling of heat treatments applied to materials is now done with commercial software. Accurate determination of the value of the convection coefficient, which symbolizes the amount of heat transfer between the material and the coolant, will increase the accuracy of the heat treatment models. The approximate overlap of the curves obtained from the experimental and modeling results was determined as 15000 W/m2K of the convection coefficient for the cooling parameters in the jominy test conditions (such as coolant and temperature used, coolant flow, material type and surface properties).
The determination of the convection coefficients (h) will also form a database for studies involving prospective thermodynamics and energy transfer.
GİRİŞ
- Tavlama
- Çelikte Martenzit Oluşumu
- Zaman Sıcaklık Dönüşüm Eğrisi
- Isıl İşlemler
- Isı Transfer Çeşitleri
- Sertleşebilirlik
- Grossman Sertleşebilirlik Testi
- Jominy Sertleşebilirlik Testi
Söndürme, östenitin Şekil 1.1'deki soğutma hattında gösterildiği gibi ZSD eğrisinin burnundan geçmeyecek kadar hızlı soğutulmasını gerektirir. Birlikte ele alındığında, temperlenmiş martensit oluşturmak için çeliğin ısıl işleminin üç adımı Şekil 1.3'te gösterildiği gibi gösterilebilir. Belirli bir zaman aralığında konveksiyonla aktarılan ısı miktarını hesaplamak için Newton'un soğuma kanunu kullanılır.
Belirli bir zaman aralığında konveksiyonla aktarılan ısı miktarını hesaplamak için Newton'un soğuma kanunu kullanılır.
ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Narazaki ve diğerleri (1999) tarafından yapılan bir çalışmada, ısı transfer katsayılarının çeliğin soğuma işlemi üzerindeki etkileri sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak simüle edilmiş ve sonuçların doğruluğu için deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada robot kol tahrikinde kullanılacak planet dişlinin malzemesinin belirlenmesi amacıyla sonlu elemanlar yöntemlerinden biri olan ANSYS kullanılarak gerilme analizi yapılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemini kullanarak sabit bir sıcaklığa girilmesiyle oluşan termal gerilmelerin dağılımı hakkında bilgi elde ettik.
Ayrıca sonlu elemanlar yöntemi olan ANSYS programı ile bobin baskı yayında deformasyon analizleri yapılmış ve elde edilen yay sabiti değerleri yay sayısal denklemleri ile karşılaştırılmıştır. 7000 DWT'luk tankere yüklenecek malzeme sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yükleme şartlarına göre üç farklı şekilde gerçekleştirildi. Soncu, Yavuz ve Ertan (2010)'ın çalışmasında, en yaygın kullanılan kaynaklı birleştirme yöntemlerinden biri olan tozaltı ark kaynağının ısıl analizi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir.
Sarıkavak ve Çokun (2010) tarafından yapılan çalışmada iş parçasının EDM ile ne kadar aşınacağının belirlenmesi için sonlu elemanlar yöntemi ile modelleme yapılmıştır. Pietrzyk ve Kuziak (2011) yaptıkları çalışmada, Jominy numunesinin su soğutma altında hacim faz dönüşüm kinetiğini sonlu elemanlar simülasyonu ve standart prosedüre göre tahmin etmektedir. Üç boyutlu sonlu elemanlar yönteminin sonuçları, kompozit bağlantı üzerindeki çekme gerilmelerinin değerlerinin ve dağılımının, etki ettiği çekme yükü miktarındaki değişime bağlı olarak değiştiğini göstermiştir.
Namlu tasarımı 3D tasarım programlarından Catia'da oluşturularak Ansys Workbench sonlu elemanlar paket programına aktarılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak çeşitli eğimler test edildi ve gerilme konsantrasyonlarının oluşmayacağı veya daha küçük olacağı eğim miktarı bulunmaya çalışıldı.
MATERYAL ve YÖNTEM
Materyal
- SAE 1050 Çeliği
- Isıtma Fırını
- InfraRed Termometre
- Termal Kamera
- Sonlu Elemanlar Yöntemi
Jominy test numunelerinin gerekli test sıcaklığına ısıtılması için Protherm PLF 120/15 model ısıl işlem fırını kullanıldı. Kızılötesi termometrenin emisyon oranı, bir numune malzeme tarafından alınan veya verilen kızılötesi ışık seviyesinin belirlendiği bir ölçüm tekniğidir. Çalışmalarda kullanılan Extech 42570 çift lazer kızılötesi termometrenin görüntüsü şekil 3.3'te, teknik özellikleri ise tablo 3.4'te verilmiştir.
Sıcaklık bilgisi alınacak malzemedeki yansıyan ışınım (yansıyan, saçılan, iletilen uzun dalga kızılötesi ışınım) termal kamera ekranında ölçülecek malzemede görülür. Bu termal kamera ile normal şartlarda -20°C ile 100°C arasında ölçüm yapılabilmekte ve optikler isteğe göre değiştirilerek ölçüm sıcaklığı 350°C'ye kadar artırılabilmektedir. Bir sürekliliğin bazı bölgelerinin de süreklilik özelliği gösterdiği biliniyorsa, bu alt bölgelerdeki alan değişkenlerinin değişimi sonlu sayıda bilinmeyenli bir fonksiyonla temsil edilebilir.
Tonlar arasında süreklilik olduğundan sürekliliğin alt bölgeleri aynı özellikleri gösterir ve bu alt bölgelere ait alan denklemleri birleştirildiğinde sistemin tamamını ifade eden denklem elde edilir. Ancak geçmişte bu tür karmaşık modeller bu şekilde değerlendirilse de son yıllarda sonlu elemanlar yönteminin kullanılmaya başlanmasıyla bu işler kolaylaştı. Özellikle son yıllarda endüstriyel uygulamalarda sonlu elemanlar yönteminin kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, daha önce pahalı deneylerle değerlendirilen sistemler daha kolay ve ekonomik olarak incelenebilmektedir.
Bu sayede makine parçalarının seçimi daha tasarım aşamasında sonlu elemanlar yöntemi ile optimize edilebilmektedir (Topçu ve Taşgetiren, 1998). Sonlu elemanlar ağının oluşturulması; Matematiksel model kurulduktan sonra başlangıç bilgilerine göre bağlantı noktalarının oluşturduğu yapı aynı ağ görünümüne sahiptir (Öztürk, 2013).
Yöntem
ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
Jominy Test Cihazının Yeniden Tasarlanıp İmal Edilmesi
Bu cihaz, saha ısıl işlem uygulamalarında kullanılan farklı soğutucuların (su, yağ vb.) farklı sıcaklık ve debilerde uygulanmasının malzeme üzerindeki etkilerinin simüle edilmesini mümkün kılar. Cihaz özetle, mekanik özelliklerin iyileştirilmesi aşaması olan çelik üretimi ve ısıl işlem proseslerini ele almaktadır. Bu cihaz; Soğutucu akışkanın debisini, sıcaklığını ve cinsini, soğutulacak malzemenin yüzey pürüzlülüğünü ve malzeme cinsinin bir fonksiyonu olan bunlar arasındaki ısı transfer katsayısını (konveksiyon) belirlemeye yardımcı olan ekipmanlara sahiptir.
Bu amaçla Şekil 4.3 tasarlanan jominy test cihazını, şekil 4.4 test cihazının soğutma kabinini, şekil 4.5 ise jominy test cihazının soğutucu sirkülasyon sistemini, sistemlerin bağlı olduğu ana gövdeyi (1) göstermektedir. . Üniteye takılabilen, sistemlerin kontrol edildiği kontrol ve gösterge paneli (2), sistemlere gelen enerjiyi kontrol eden ana şalter (3), enerjiyi kesen acil stop (4) sistemlerde. İstenmeyen durumlarda, numuneye farklı sıcaklık ve debilerde farklı sıvıların uygulandığı buzdolabı (5), işlenmiş soğutucu akışkanın toplandığı boşaltma tankı (6), soğutma ana parçalardan oluşur: ısıtma tankı ( Sıvıları istenilen sıcaklığa yükselten pompa (8) ve soğutucuyu test numunesine istenilen akış hızında uygulayacak olan pompa (8). Soğutucu uygulama sıcaklığı kontrol panelinden (2) ayarlanmakta ve soğutucu direnç (19) kullanılarak istenilen sıcaklığa getirilmektedir. Soğutucu uygulama sıcaklığının 100 oC'nin altında olması durumunda veri sağlamak üzere düşük sıcaklıklı akış ölçer (20) için özel valf. 22) yüksek sıcaklık debimetre vanasını açar (23) kapalı konuma getirilir, sıcaklık 100 olur.
Soğutma sıvısının sıcaklığı ve geçiş yolu ayarlandıktan sonra, pompa (8) ve akış ayar vanaları (24) ile soğutma sıvısının test numunesi istenilen debiye gönderilir. Yatay dikey yataklara (12) belirli bir sıra ile sabitlenen pirometreler (12), soğutma sıvısının test numunesi ile temas ettiği noktadan belirli mesafelerin soğuması sırasında zamana bağlı değişiklikleri anında kontrol ve gösterge paneline iletir. Ayrıca termal kamera (16) bağlantısı (17) sayesinde ana gövdeye bağlanmakta ve alternatif veri olarak test numunesi üzerindeki zamana bağlı sıcaklık konum verilerini kaydetmektedir.
Aynı zamanda, ticari yazılım "matematiksel modelleme yöntemleri" ile test ekipmanı ve grafik kaplaması kullanılarak elde edilen soğuma süresi eğrileri karşılaştırılarak ticari yazılım tarafından verilen konveksiyon katsayısı, gerçek değişkenlerin (akış hızı, Sıcaklık ve tip) sonucudur. soğutucunun miktarı, test numunesinin yüzey pürüzlülüğü ve malzeme türü) gerçek konveksiyon katsayısının belirlenmesini sağlar. Danışmanlarımla birlikte tasarladığımız ve çizdiğimiz test donanımının tam fotoğraflarını ekte bulabilirsiniz.
Jominy Deney Teorik Hesaplanması
0,2479 4.8 Numunenin başlangıç sıcaklığı 1100 ºC, soğutma suyu sıcaklığı 25 ºC olarak belirlenerek gerçek test orijinal şartlarına getirildi. Sınır koşullarına ve başlangıç koşullarına göre 39 iç düğüm ve 1 uç düğüm için zamana bağlı hesaplamalar yapılmıştır. Yukarıdaki ifadedeki biot sayısı taşıma sırasında geçerli olsa da iletim aşamasında 39 iç düğümde 1 olarak kabul edilmektedir.
T'den T'ye kadar sıcaklık bilgisinin verildiği aşağıdaki formüller, ana formül 4.6'da gerekli değerler yerine konularak temsil edilir.
Jominy Test Sonuçları
Pirometrelerden anlık veriler alınarak jominy test numunesinin istenilen kısımlarının sıcaklık-zaman grafikleri elde edilmiştir (Şekil 4.10). Simülasyon için kullanılan ABAQUS sonlu elemanlar yazılımında malzemenin mekanik özelliklerinden biri olan iletkenlik Şekil 4.13'te gösterilmektedir. Simülasyon için kullanılan ABAQUS sonlu elemanlar yazılımında malzemenin mekanik özelliklerinden biri olan yoğunluk Şekil 4.14'te gösterilmektedir.
Simülasyon için kullanılan ABAQUS sonlu elemanlar yazılımında malzemenin mekanik özelliklerinden biri olan özgül ısı Şekil 4.15'te gösterilmektedir. Bu çalışmada FEM yazılımlarından biri olan ABAQUS ticari yazılımına 1 kW/m²K konveksiyon katsayısı bilgisi girilerek aşağıda gösterilen zaman-sıcaklık eğrisi ile modelleme simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada FEM yazılımlarından biri olan ABAQUS ticari yazılımına 2 kW/m²K konveksiyon katsayısı bilgisi girilerek aşağıda gösterilen zaman-sıcaklık eğrisi ile modelleme simülasyonu gerçekleştirilmiştir.
Bu çalışmada, FEM yazılımlarından biri olan ticari ABAQUS yazılımına 3 kW/m²K konveksiyon katsayısına ilişkin bilgiler girilerek aşağıda gösterilen zaman-sıcaklık eğrisi ile bir modelleme simülasyonu yapılmıştır. Bu çalışmada FEM yazılımlarından biri olan ticari ABAQUS yazılımına 4 kW/m²K konveksiyon katsayısına ilişkin bilgiler girilerek aşağıda gösterilen zaman-sıcaklık eğrisi ile modelleme simülasyonu yapılmıştır. Bu çalışmada FEM yazılımlarından biri olan ticari ABAQUS yazılımına 5 kW/m²K konveksiyon katsayısına ilişkin bilgiler girilerek aşağıda gösterilen zaman-sıcaklık eğrisi ile modelleme simülasyonu yapılmıştır.
Numune parçası üzerindeki 5 mm ve 10 mm'lik noktalarda oluşan soğuma eğrisi ile aynı koşullar altında test standından alınan 5 mm ve 10 mm'lik noktaların soğuma eğrisi karşılaştırılarak Şekil 4.34'te gösterilmektedir. Numune parçası üzerinde 15 mm ve 20 mm noktasında oluşan soğuma eğrisi ile aynı koşullar altında test standından alınan 15 mm ve 20 mm noktasının soğuma eğrisi karşılaştırılarak Şekil 4.35'te gösterilmektedir. Numune parçası üzerinde 25 mm ve 30 mm noktasında oluşan soğuma eğrisi ile aynı koşullar altında test standından alınan 25 mm ve 30 mm noktasının soğuma eğrisi karşılaştırılarak Şekil 4.36'da gösterilmektedir.
Numunenin 35 mm ve 40 mm noktalarında oluşan soğuma eğrisi ile aynı koşullar altında test düzeneğinden alınan 35 mm ve 40 mm nokta soğuma eğrileri karşılaştırılarak Şekil 4.37'de gösterilmektedir.
SONUÇ ve ÖNERİLER
Sonuçlar
Bu kapsamda SAE/AISI 1050 çeliğinin Jominy düzleminde söndürme testi ve sonlu elemanlar modellemesi yapılmıştır.
Öneriler
Alyanak, İ ve Sen, F., 2015 "Paralel Çift Pimli ve Tutkallı Bağlantılı Kompozit Plakaların Çekme Yükü Altında Gerilme Analizi". Soğuma hızının Zircaloy-4'ün dokusu ve mikro yapısı üzerindeki etkisi Jominy son söndürme testi ile incelenmiştir. AISI 304 ve AISI 1050 çeliğinin yüzey pürüzlülüğü ve sertlik değişimlerine plazma ark yöntemlerinin etkilerinin karşılaştırılması.
AISI 1050 çeliği için hava-su ile söndürülmüş Jominy çubukların ısıl özellikleri ile sertleşebilirliği arasındaki korelasyonların araştırılması”. Çolak, B., 2002 “Yassı Ürün Rulolarının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Gerilme Analizi ve Optimum Çözgü Değerinin Belirlenmesi” Erdemir A.Ş. Metalurjik 'Jominy son söndürme' testi sırasında konveksiyon ısı transfer katsayısını tahmin etmek için sayısal bir çalışma”.
Küçük, M., 2002 "Analysis of thermal stresses in the upper mesh coated with aluminum porcelain reinforced ceramics" DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 4 Sayı: 1 sh. Numerical-experimental correlation of microstructures, cooling rates and mechanical properties of AISI 1045 steel during the Jominy ultimate quench test”. A comparative study of the heat transfer coefficient determination method by inverse heat transfer and iterative modification”.
Elemental Yöntemle Termal ve Mekanik Analiz” Uludağ Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi Cilt 10, Sayı 2.
