MODELIZACIÓN DE LAS TRANSFORMACIONES DE FASE EN EL PROCESO DE ENDURECIMIENTO DE ACEROS CON LÁSER DE CO2

J. C. Álvarez, A. Ramil, E. Saavedra, J. Sanesteban, J. M. Amado, A. J. López, G. Nicolás, M. J. Tobar, J.A. Pérez, A. J. Yáñez

1. INTRODUCCIÓN

El endurecimiento superficial de aceros por láser lleva asociado un rápido calentamiento de una pequeña zona del material, seguido de un rápido enfriamiento por conducción del calor hacia el interior de la pieza. El endurecimiento depende de las propiedades termofísicas del acero utilizado y de los parámetros del proceso. El modelo desarrollado es capaz de estimar la dureza alcanzada mediante el tratamiento térmico.

2. DESARROLLO DEL MODELO

2.1. Primera fase

Simulación, mediante el modelo de elementos finitos, programa ANSYSTM, de los ciclos térmicos experimentados por el material, acero martensíticoAISI 1045, al ser barrido por un haz láser de CO2.

Distribución de las temperaturas sobre el centro de la probeta. Las curvas están tomadas a intervalos de profundidad de 0.1 mm y de 1 mm

modo de salida: TEM01*

velocidad de barrido: 10 mm s-1

potencia del haz: 1900 W

anchura: w = 3 mm

2.2. Segunda fase

Modelización de las transformaciones de fase. Se aplica el principio de aditividad, en el que se discretiza la curva de temperatura en una serie de pasos isotermos conectados por otros de fracción de volumen constante.

Calentamiento:

ley de Johnson – Mehl y Avrami

ν k= ( 1- exp( -bk tknk ))

Enfriamiento:

ley de Koistinen y Marburger

νmart = νaus[1–exp[-0.011(Ms–Tq)]]

2.3. Tercera fase

Cálculo de las durezas a través de fórmulas empíricas.5. BIBLIOGRAFÍA1. A. Yánez et al. “Modelling of temperature evolution on metals during laser hardening

process”. Appl. Surf. Sci. 186 (2002)611.2. Wang, K.F., S. Chandrasekar, H.T.Y. Yang (1997); Experimental and computational study of

the quenching of carbon steel; JMSE, Vol. 119, pp. 257-265.3. Melander, M., J. Nicolov (1985); Heating and cooling transformation diagrams for the rapid

heat treatment of two alloy steels; American Society for Metals, Vol. 4, No. 1, June 1985.4. Smithells, C.J. (1992); Smithells metals reference book (7th ed); Ed. E.A. Brandes & G.B.

Brooks, Oxford: Butterworth-Heinemann.

4. AGRADECIMIENTOSNuestro agradecimiento al Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) por la disponibilidad del ordenador HPC 320.

Dpto. Ingeniería Industrial II. Universidad de La Coruña

e-mail contacto: cafseara@cdf.udc.es

Pieza plana

Mapa de martensita teórico de una sección para una pieza plana.

3. VALIDACIÓN DEL MODELO

Del análisis de las dimensiones de las regiones templadas de las figuras se concluye la validez del modelo para el cálculo de las profundidades de zonas afectadas térmicamente y del endurecimiento obtenido en aceros tratados con ciclos térmicos rápidos.

Se realizó el tratamiento de una serie de piezas de acero AISI 1045, midiendo las durezas obtenidas en una sección de la zona templada y se comparó con los resultados de la modelización y con imágenes metalográficas de la sección.

Predicción numérica del mapa de durezas

Resultados experimentales

Resultados comparativos

Hν = XmHνm + XbH νb + (Xf + Xp) H νf + p

H νm = 127 + 949C + 11Mn + 21log(νfr)

H νb = -323+185C + 153Mn + (89 + 53C –22Mn) log(νfr)

H νf + p = 42+223C + 30Mn +10log(νfr)

Tiempo

Temperatura

paso i

paso i-1

Ti

νs

νf

νi-1

νi-1

νi

ts,i

t’i ∆ti

tf,i

línea de fracción de volumen constante

Corte metalográfico de la sección tratadaA la izquierda región de transición. A la derecha zona endurecida