Modelado computacional, termomecánico-metalúrgico, del tratamiento de austemperizado de una fundición nodular

• Autores: Adrián Dante Boccardo
• Directores de la Tesis: Patricia M. Dardati (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) ( Argentina ) en 2017
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    La fundición de hierro nodular austemperizada es una aleación metálica cuya microestructura, obtenida a través del tratamiento térmico de austemperizado, está compuesta por nódulos de grafito embebidos en una matriz ausferrítica. La buena relación entre propiedades mecánicas y costo de las piezas realizadas en este material lo posicionan como una excelente opción para la fabricación de autopartes y agropartes.

    El tipo de microestructura y las variaciones de las dimensiones de la pieza, al final del austemperizado, dependen de numerosos factores, entre ellos algunos parámetros del tratamiento térmico. La selección adecuada de los valores de todos los factores involucrados no es sencilla, especialmente cuando la pieza presenta una geometría compleja. De aquí la necesidad de contar con nuevas herramientas de diseño, que superen a las técnicas tradicionales, y permitan agilizar y reducir los costos de desarrollo de nuevas piezas. En esta tesis se predice la evolución de la temperatura, de las deformaciones y de la microestructura, en los distintos puntos de una pieza de fundición de hierro nodular, cuando ésta es sometida a un tratamiento térmico de austemperizado de tres pasos, considerándose las principales variables del proceso.

    Para ello se propone un nuevo modelo termo-mecánico-metalúrgico multiescala. El aspecto termomecánico se plantea en la escala macroscópica, escala de la pieza, y sus ecuaciones se resuelven por el método de los elementos finitos en el dominio espacial y por el método de las diferencias finitas en el dominio temporal. El aspecto metalúrgico es planteado en la escala microscópica, escala de los micro-constituyentes, representándose la microestructura por medio de elementos de volumen representativo.

    Para las transformaciones de fase consideradas se proponen nuevos modelos que consideran la nucleación, el crecimiento y la interacción de las fases presentes por medio de leyes determinísticas. Se realiza un estudio de sensibilidad del modelo basado en la varianza de la respuesta que permite conocer la influencia en el resultado de los diferentes factores del proceso, así como la interacción entre ellos. También se realiza la simulación de tratamientos térmicos de laboratorio, con las cuales se puede comprobar que el modelo, luego de un apropiado ajuste de sus constantes, puede representar correctamente los tiempos mínimos requeridos de tratamiento, las fracciones finales de fase y la evolución de la temperatura, de las dimensiones de la pieza y de la microestructura. La investigación realizada y el modelo propuesto contribuyen al mejor entendimiento de los procesos que intervienen en el tratamiento de austemperizado de una fundición de hierro nodular y permiten afrontar de mejor manera tanto el diseño del ciclo térmico como el de la pieza a ser tratada.

  • English

    Austempered ductile iron is a metal alloy, in which the microstructure is obtained by means of an austempering heat treatment, and results in graphite nodules embedded in an ausferritic matrix. Due to its good relation between mechanical properties and production costs of parts, the austempered ductile iron is an excellent choice for the manufacturing of autoparts and agroparts. At the end of the austempering, the characteristics of the microstructure and the changes in the part dimensions depend on several factors, such as heat treatment parameters. Selecting the values of all factors is not a simple task, especially when the geometry of the part is complex.

    Thus, it is very important for the designer to have new design tools to accelerate the development of new parts and reduce their cost. In this thesis the temperature, deformation and micro-structure evolutions, are predicted at different points of a part made of nodular cast iron, when it is subjected to a three-step austempering heat treatment, taking into account the main variables of the process. In order to do that, a new thermo-mechanical-metallurgical multi-scale model is proposed. The thermo-mechanical model addresses the macroscopic scale, which is the scale of the part, and the equations are solved by a finite element method in the spatial domain and a finite difference method in the time domain. The metallurgical model addresses the microscopic scale, which is the scale of the micro-constituents, in which the micro-structure is represented by representative volume elements. For the considered phase transformations, new models are proposed to account for nucleation, growth, and interaction of phases by means of deterministic laws. A variance-based sensitivity study is performed, which allows identifying the influence of factors and factor interactions. Simulations of laboratory heat treatments are performed, and following an appropriate parameter fitting, the minimum required time of heat treatment, final phase fractions, and temperature, part dimension, and micro-structure evolutions are adequately represented. The research performed in this thesis and the proposed model contribute to a better understanding of the different processes that take place in the austempering heat treatment and allow to address the design of the thermal cycle and the design of parts to be treated.

  • português

    O Ferro fundido nodular austemperado é uma liga de metal cuja microestrutura, obtido através de um tratamento térmico de austêmpera, composto de nódulos de grafite e uma matriz ausferritica. A boa relação entre as propriedades mecânicas e o custo das peças feitas deste material é posicionado como uma escolha excelente para a fabricação de autopeças e agropeças. O tipo de microestrutura e variações de dimensões da peça, o fim austemperado, dependem de inúmeros fatores, incluindo alguns parâmetros de tratamento térmico. A selecção adequada dos valores dos factores envolvidos não é simples, especialmente quando a peça tem uma geometria complexa. Assim a necessidade de ter novas ferramentas de desenho que superam as técnicas tradicionais, e para simplificar e reduzir os custos de desenvolvimento de novas peças. Nesta tese a evolução da temperatura, deformação e microestrutura, em diferentes pontos de uma peça de ferro fundido, quando submete-se a um tratamento térmico de três passos, considerando as principais variáveis processo. Assim sendo, é proposto um novo modelo termo-mecânico-metalúrgico multi-escala. O aspecto termomecânico é abordado na escala macroscópica, escala da peça, e suas equações são resolvidas pelo método dos elementos finitos no domínio espacial e o método de diferenças finitas no domínio do tempo. O aspecto metalúrgico é abordado na escala microscópica. A microestrutura é representada por elementos volume representativo.

    Nas transformações de fase, considera-se novos modelos de nucleação, crescimento e interação das fases com leis deterministas. Um estudo de sensibilidade baseada na variância da resposta é realizado para inferir a influência nos resultados dos diferentes factores no modelo do processo e a interação entre eles. Realiça-se, também, a simulação de tratamentos térmicos, visando-se verificar o modelo após o ajuste apropriado de suas constantes. O modelo pode representar corretamente os tempos mínimos de tratamento necessário, as frações de fase final as evoluções da temperatura, dimensões da peça e microestrutura. A investigação e o modelo proposto contribuem para uma melhor compreensão dos processos envolvidos no tratamento térmico de austêmpera de fundição de ferro dúctil e permitir um melhor desenho do ciclo térmico da peça a ser tratada.