Jominy testinin sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmesi

Abstract

Malzemelere uygulanan ısıl işlemlerin modellenebilmesi günümüzde ticari yazılımlarla yapılmaktadır. Bu modellemeleri yapan ticari programlar, iş parçasının ısıl işlem sonrasındaki mekanik özellikleri ve tane yapıları hakkında kapsamlı bilgiyi yüksek oranda doğrulukla kullanıcılarına sunmaktadır. Malzeme ile soğutucu sıvı arasındaki ısı taşınım miktarını sembolize eden ısı taşınım katsayısının değerinin doğru tespit edilmesi ısıl işlem modellemelerinin doğruluk oranını yükseltecektir. Soğutucu sıvının debisi, sıcaklığı ve türü konveksiyon değerini etkilediği gibi test numunesinin de yüzey pürüzlülüğü ve malzeme türü de aynı şekilde etkili olacaktır. Bu bağlamda, yeniden tasarlanıp imal edilen Jominy test cihazı, ısıl işleme etki eden değişkenleri ( soğutucu sıvı türü, sıcaklığı ve uygulama hızı ) kontrollü ve ölçülebilir şekilde test numunesine uygulayabilmektedir. Bu çalışma, ısıl işlemde bilinmesi zaruri olan, konveksiyon katsayısının bulunmasında yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Sunulan yaklaşım ile ticari yazılım "sonlu elemanlar yöntemiyle modelleme" ve test cihazı kullanılarak elde edilen zaman-soğuma eğrileri kıyaslanıp, grafiklerin örtüşmesi beklendi. Örtüşme olana kadar ticari yazılımda, rastgele konveksiyon katsayısı değiştirildi. Örtüşme olduğu durumdaki ticari yazılıma verilen konveksiyon katsayısı, o anki değişkenlerden (soğutucu sıvının debisi, sıcaklığı ve türü, test numunesinin yüzey pürüzlülüğü ve malzeme türü) kaynaklanan gerçek konveksiyon katsayısı olarak tespit edildi. Bu bağlamda, SAE/AISI 1050 çeliğinin Jominy alından su verme deneyi ve sonlu elemanlar modellemesi tasarlandı. AISI 1050 çeliği için jominy deneyi yapıldı. Aynı malzeme için ticari yazılım olan ABAQUS'de soğuma koşulları modellendi. Modelleme esnasında rastgele verilen konveksiyon katsayısına göre grafikler elde edildi. Bu grafikler arasından uygulama ile en iyi örtüşen sonuç grafiği elde edildi. Deneysel ve modelleme sonucu elde edilen eğrilerin yaklaşık olarak örtüşmesi, jominy deney koşullarındaki soğutma parametrelerine (kullanılan soğutma sıvısı ve sıcaklığı, soğutma sıvı debisi, malzeme türü ve yüzey özellikleri gibi) ait konveksiyon katsayısının 15000 W/m2K olduğu tespit edildi. Konveksiyon katsayılarının (h) tespiti ileriye dönük termodinamik ve enerji transferini ilgilendiren çalışmalar için de bir veri tabanı oluşturacaktır. Günümüzde enerji sistemlerini ihtiva eden makine cihaz ve ekipmanlarının termal dizaynındaki en büyük problem konveksiyon katsayılarının (h) hesaplanmasındaki zorluklardır. Bu tez çalışması ile konveksiyon katsayılarının (h) tespitine yardımcı olacak bilimsel bulgular ortaya konmuş olacaktır.

Modeling of heat treatments applied to materials is now done with commercial software. The commercial programs that make these models present their users with a high level of accuracy in their knowledge of the mechanical properties of the workpiece after heat treatment and grain composition. Accurate determination of the value of the convection coefficient, which symbolizes the amount of heat transfer between the material and the coolant liquid, will increase the accuracy of the heat treatment models. The surface roughness and material type of the test sample will be equally effective as well as the temperature of the coolant liquid, temperature and type of convection. In this context, the redesigned Jominy tester is able to apply heat treatment variable (coolant type, temperature and application speed) to the test sample in a controlled and measurable manner. This study presents a new approach to finding the convection coefficient, which is essential to know the heat treatment. It is expected that the time-cooling curves obtained by using the commercial approach "modeling with finite element method" and the test instrument are compared with the presented approach and the graphs overlap. The convection coefficient given at random is changed in the commercial software until the overlap occurs. The convection coefficient given in the commercial case where overlap is determined as the actual convection coefficient resulting from the variables (flow temperature, coolant temperature and type, surface roughness of the test sample and material type). In this context, Jominy quenching experiment and finite element modeling of SAE/AISI 1050 steel were done. A jominy test was conducted for the AISI 1050 steel. Cooling conditions were also modeled for commercial material ABAQUS for the same material. Graphs were obtained according to the convection coefficient given at random during modeling. Among these graphs, the best matching result graph was obtained. The approximate overlap of the curves obtained from the experimental and modeling results was determined to be 15000 W/m2K of the convection coefficient for the cooling parameters in the jominy test conditions (such as cooling fluid and temperature used, cooling fluid 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. The biggest problem in the thermal design of machine tools and equipments nowadays containing energy systems is the difficulty in calculating the convection catheters (h). This thesis study will reveal scientific findings that will aid in the identification of convection cathedrals (h)