Simulate Metallurgical Phase
Transformations with the Metal Processing Module


Phase Transformations in Mechanical Components
강철과 같은 재질이 상승 온도 수준에서 가열 혹은 냉각 조건을 겪을 때, 금속 상태에서 상변화가 발생합니다. 이러한 상변화는 기계부품의 의도적인 열처리나 혹은 용접에 기인한 의도하지 않은 상황에서 나타납니다. 기계부품에서 나타나는 금속 상태에서의 상변화는 구조 및 열 관련 물성값에 영향을 미치며 상 구성을 최적화하여 부품의 성능을 향상시킬 수 있습니다. COMSOL Multiphysics® 에 추가하여 사용 가능한 Metal Processing Module은 3차원, 2차원 및 2차원 축대칭 형상에서 금속 상변화를 해석할 수 있습니다.


What You Can Model with the Metal Processing Module

Metal Processing Module은 금속의 담금질, 용접 및 3D 프린팅과 같은 제조 공정을 해석하는데 유용한 정보를 제공합니다. 이러한 도구들은 물리 인터페이스의 패키지 형태로 구성되어 있으며, 모델링한 제조공정에 대해 자동으로 지배방정식을 설정하고 해석할 수 있습니다.

Steel Quenching

담금질은 완전한 오스테나이트 형태로 가열한 강철 부품을 담금질하는 열처리 공정입니다. 다중물리 과정을 통해, 담금질 공정은 오스테나이트 분해, 열전달 및 구조해석간의 조합을 포함하고 있습니다. Metal Processing Module에 있는 Steel Quenching 다중물리 인터페이스를 이용하면, 몇 가지 기능들이 자동으로 추가되어 모델 설정이 편하게 되어 있습니다. 인터페이스는 오스테나이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 마텐사이트 상태뿐만 아니라, 오스테나이트에서 다른 상태로의 상변화를 사용자가 입력할 수 있도록 메시지로 표시해 줍니다 다중물리 연동에서 잠열과 상변화 변형율의 효과를 고려하여 설정 가능합니다.
이에 더하여, 구조해석관련 물성값은 온도에 따라 달라질 수 있으므로, 소성 분산이 열전달 해석의 열원으로 작용할 수 있습니다. 해석 후에, 상구성뿐 아니라 냉각비의 영향으로 나타나는 최종 비틀림이나 담금질 중에 발생하는 잔류응력을 고찰할 수 있습니다. 이러한 결과를 통해, 담금질에 사용되는 특정 유체의 효능이나, 구성 성분의 물리적 형상이 금속 내에서 도달 가능한 상조합에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

담금질 후 스퍼기어에 작용하는 잔류 응력

담금질 후 스퍼기어에 작용하는 잔류 응력

Carburization


침탄 공정은 기계부품을 가열하고 일산화탄소와 같은 탄소가 풍부한 환경에 노출시키는 공정을 포함합니다. 주변 환경으로의 탄소 확산은 시간 경과에 따른 확산 공정을 통해 재질의 경계면에서 발생합니다. 소프트웨어의 유연성으로 탄산화되는 공정을 다루는 열처리 과정에 대한 모델링을 보다 용이하게 하며, 해석한 탄소 함량에 따른 상변화 모델을 수정할 수 있습니다. 침탄 해석의 구동은 공정이 올바르게 수행되도록 하는데 도움을 줍니다. 담금질 후 수반되는 침탄은 부품의 표면에 압축 응력이 발생하여 피로 성능에 유리합니다.


Transformation-Induced Plasticity (TRIP)

일반적으로, 재질이 기계적인 응력을 받을 때 상변화가 발생하여 변화-기인 소성(TRIP)을 유발합니다. 응력에 기인한 재질의 비탄성 변형은 항복응력 값보다 낮은 수준에서 나타나며, 고전적인 소성 측면에서 소성 흐름을 야기하지 않습니다. Metal Processing Module은 오스테나이트에서 마텐사이트로 상변화하는 TRIP 효과를 분석하는데 사용할 수 있습니다.


Diffusive and Displacive Phase Transformations

오스테나이트가 페라이트로 분해되는 경우와 같은 확산 제어 상변화에 대한 두 가지 모델을 제공하고 있으며, Leblond–Devaux 및 Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK)가 그것입니다. 비분열(확산이 없는)마텐사이트 상변화 모델은 Koistinen–Marburger 모델을 사용하는 것이 가능합니다. 이러한 상변화 모델은 일반화된 Metal Phase Transformation 인터페이스를 통해 사용 가능하며, 임의의 상의 개수 및 상변화를 정의할 수 있습니다.
또한, 해석에 사용 가능한 사용자 정의 상변화 모델을 정의하는 것도 가능하며, 실험 보정이 상변화에 대해 필요할 수 있습니다. 이는 연속 냉각 상변화(CCT) 혹은 시간 의존형 상변화(TTT) 다이어그램과 같은 시험 데이터에 대한 교정이 가능하도록 상변화 다이어그램을 해석할 수 있습니다.


Structural Analysis

응력 및 변형률은 일반적으로 온도와 상구성에 의존한 복합재질의 유효 재료 물성값을 통해 계산됩니다. 복합재료의 탄소성 거동은 개별 상 단계를 걸쳐 평균화됩니다. 임의의 상 단계에서 다른 상 단계로의 도달이 어려운 경우, 비선형 가중 계획이 복합 재질의 유효 초기 항복응력을 모델링 하는데 사용될 수 있습니다. 상이 점진적으로 나타나 이전 단계의 소성 변형이 없도록 하는 소성 회복 옵션이 있습니다. 체적 기준 온도 및 열팽창계수는 각 상에 대한 열변형을 계산하는데 사용됩니다. 상의 열변형 텐서는 복합 재료의 열변형으로 평균화 됩니다. 보다 상위 레벨의 구조 해석 수행을 위해, Metal Processing Module은 Structural Mechanics Module과 함께 사용할 수 있습니다.


Thermal Analysis

Metal Processing Module은 완전한 열 지배방정식을 통해 열전달을 모델링할 수 있습니다. 이에 더하여, 열전도도, 밀도 및 열용량은 온도에 따라 달라질 수 있으며, 심지어 상 조성에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트의 열전도도는 페라이트의 열전도도와 다르며, 상분열이 진화하여 복합재질의 열전도도도 달라집니다. 보다 상위 레벨의 열전달 해석을 위해 Metal Processing Module은 Heat Transfer Module과 함께 사용할 수 있습니다.

Induction Hardening


AC/DC Module을 추가하면, 인덕션 경화 해석이 가능하며, 담금질 해석에 인덕션 열 해석 결과를 입력값으로 사용하여 온도장을 해석할 수 있습니다.







여섯 겹의 복합재료 적층 구조물에 인가된 열에 의한 유효 응력 분포.

침탄 및 담금질 후 기어에 나타나는 잔류 응력


강철 빌렛의 담금질 중 시간 경과에 따른 다양한 금속 상변화에 대한 상조합


연속 냉각 변환(CCT)과 시간 의존 변환(TTT) 다이어그램을 이용한 오스테나이트의 페라이트 및 베이나이트로의 변환을 나타내는 예제


강철 빌렛의 담금질 해석결과; 10분 경과 후 축응력, 등가 소성 변형 및 마텐사이트 상분열