JP2021156686A - Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program - Google Patents

Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program Download PDF

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Abstract

To accurately analyze behavior of a member where segregation is present by heat treatment in a heat treatment simulation.SOLUTION: A heat treatment simulation method includes: step S1 of reading model data in which a member to be analyzed is represented by a plurality of elements; step S2 of setting an anisotropy parameter showing anisotropy of distortion caused by phase transformation as a parameter used for calculating strain of an integration point of each of the plurality of elements; step S3 of calculating temperature of each node of the plurality of elements; step S4 of calculating strain of an integration point of each of the plurality of elements using a tissue fraction determined according to change in at least one of temperature and time and an anisotropic parameter; and step S5 of outputting analysis results based on temperature and calculated strain of the plurality of elements.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する技術に関する。 The present invention relates to a technique for performing a simulation of a heat treatment involving a phase transformation of a member by using a computer.

鉄鋼製品では性質を向上させるために熱処理が広く用いられている。例えば、自動車や産業機械に使用される歯車やシャフト等の高応力に繰り返し曝される鋼部材では、焼入れ処理を施すことによって耐摩耗性や疲労強度を向上させている。しかしながら、部材に焼入れを施すと、部材の表面部と内部の温度差に起因する熱応力並びに、相変態に伴う体積変化による変態応力が発生する。その結果、部材に歪が生じる。近年では、このような熱処理に伴う部材の変形或いは残留応力を予測するために、コンピュータによるシミュレーションが用いられている。 Heat treatment is widely used in steel products to improve their properties. For example, steel members such as gears and shafts used in automobiles and industrial machines that are repeatedly exposed to high stress are subjected to quenching treatment to improve wear resistance and fatigue strength. However, when the member is hardened, thermal stress due to the temperature difference between the surface portion and the inside of the member and transformation stress due to the volume change accompanying the phase transformation are generated. As a result, the member is distorted. In recent years, computer simulations have been used to predict deformation or residual stress of members due to such heat treatment.

例えば、特開2017−53807号公報(特許文献1)には、鋼の熱処理シミュレーション方法が開示される。この方法では、有限要素モデルの各節点における温度の時間変化を有限要素法によって計算する。また、各要素の積分点におけるひずみ量として、少なくとも変態塑性ひずみとクリープひずみとを算出し、これらの和に基づいて、鋼の内部応力の変化を計算する。これにより、大型鍛鋼品において熱処理した際のひずみや応力を精度良く推定することができる。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-53807 (Patent Document 1) discloses a method for simulating a heat treatment of steel. In this method, the time change of temperature at each node of the finite element model is calculated by the finite element method. Further, at least the transformation plastic strain and the creep strain are calculated as the amount of strain at the integration point of each element, and the change in the internal stress of the steel is calculated based on the sum of these. This makes it possible to accurately estimate the strain and stress of a large forged steel product during heat treatment.

特開2017−193777号公報(特許文献2)には、予め、加熱速度、加熱温度、及び冷却速度の熱処理条件と、熱処理による板厚方向、板幅方向、及び板長方向の寸法変化量との相関関係を測定により求めておき、これらの相関関係を用いて鋼板の熱処理を行うことが開示されている。この相関関係は、数値シミュレーションによって求められてもよいとされている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2017-193777 (Patent Document 2) describes in advance the heat treatment conditions of the heating rate, the heating temperature, and the cooling rate, and the amount of dimensional change in the plate thickness direction, the plate width direction, and the plate length direction due to the heat treatment. It is disclosed that the correlation between the above is obtained by measurement and the heat treatment of the steel plate is performed using these correlations. It is said that this correlation may be obtained by numerical simulation.

特開2017−53807号公報JP-A-2017-53807 特開2017−193777号公報JP-A-2017-193777

一般的な熱処理シミュレーションにおいては部材を均質な材料の連続体として取り扱っている。しかし、実際の材料には結晶粒などの微視的な構造が存在する。例えば、鋳造時に発生した鋼材中の化学成分の偏りがミクロな偏析となる。ミクロ偏析が鋼部材中に存在することによって焼入れ時の変形量が増大する。従来の熱処理シミュレーションではミクロ偏析を考慮したマクロな変形や残留応力の解析は難しい。そのため、ミクロ偏析が部材の熱処理による変形や残留応力に与える影響を、解析により評価できていなかった。 In a general heat treatment simulation, the member is treated as a continuum of homogeneous materials. However, the actual material has a microscopic structure such as crystal grains. For example, the bias of the chemical composition in the steel material generated during casting becomes a microsegregation. The presence of microsegregation in the steel member increases the amount of deformation during quenching. In the conventional heat treatment simulation, it is difficult to analyze macroscopic deformation and residual stress in consideration of microsegregation. Therefore, the effect of microsegregation on the deformation and residual stress of the member due to heat treatment could not be evaluated by analysis.

発明者らは、部材中のミクロ偏析が、熱処理時の部材の相変態に起因して発生する歪に対して比較的大きな影響を与えることを見出した。そして、相変態に起因して発生する歪を、ミクロ偏析を考慮して解析する方法を検討した。 The inventors have found that microsegregation in a member has a relatively large effect on the strain generated due to the phase transformation of the member during heat treatment. Then, a method of analyzing the strain generated due to the phase transformation in consideration of microsegregation was examined.

本願は、ミクロ偏析が存在する部材の熱処理による相変態を伴う挙動を精度よく解析できる、熱処理シミュレーション方法、熱処理シミュレーション装置及びプログラムを開示する。 The present application discloses a heat treatment simulation method, a heat treatment simulation apparatus, and a program capable of accurately analyzing the behavior associated with phase transformation due to heat treatment of a member having microsegregation.

本発明の一実施形態における熱処理シミュレーション方法は、コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する方法である。上記熱処理シミュレーション方法は、解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む工程と、前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する工程と、前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する工程と、前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する工程と、計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する工程とを有する。 The heat treatment simulation method according to the embodiment of the present invention is a method of executing a heat treatment simulation accompanied by a phase transformation of a member by using a computer. In the heat treatment simulation method, the strain caused by the phase transformation is used as a parameter used in the step of reading the model data in which the member to be analyzed is represented by a plurality of elements and the strain of the integration point of each of the plurality of elements. The step of setting the anisotropic parameter indicating the anisotropy, the step of calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and the strain of the integration point of each of the plurality of elements are subjected to the temperature and time change. It includes a step of calculating using the microstructure fraction determined according to at least one of them and the anisotropic parameter, and a step of outputting an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements.

本発明によれば、コンピュータを用いた熱処理シミュレーションにおいて、ミクロ偏析が存在する部材の熱処理による相変態を伴う挙動を精度よく解析できる。 According to the present invention, in a heat treatment simulation using a computer, it is possible to accurately analyze the behavior of a member in which microsegregation exists, which is accompanied by a phase transformation due to heat treatment.

図1は、本実施形態における熱処理シミュレーション装置の構成例を示す機能ブロック図である。FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration example of the heat treatment simulation apparatus according to the present embodiment. 図2は、図1に示す熱処理シミュレーション装置の動作例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing an operation example of the heat treatment simulation apparatus shown in FIG. 図3は、図1に示す異方性パラメータ生成部の処理の例を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing an example of processing of the anisotropic parameter generation unit shown in FIG. 図4は、本発明の実施例におけるミクロ偏析を再現する代表体積要素を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a representative volume element that reproduces the microsegregation in the embodiment of the present invention. 図5は、実施例における均質なマクロモデルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a homogeneous macro model in the examples. 図6は、実施例における代表体積要素に適用したミクロ偏析の形状を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the shape of microsegregation applied to the representative volume element in the example. 図7は、実施例におけるミクロ偏析の化学成分の分布を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the distribution of the chemical components of microsegregation in the examples. 図8は、代表体積要素及びマクロモデル(均一モデル)のそれぞれに対し応力を負荷した際の各方向の変態塑性歪を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing transformational plastic strain in each direction when stress is applied to each of the representative volume element and the macro model (uniform model). 図9は、異方性マクロモデルに対し応力を負荷した場合における各方向の変態塑性歪と、代表体積要素の結果との比較を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a comparison between the transformation plastic strain in each direction when stress is applied to the anisotropic macro model and the result of the representative volume element. 図10は、等方的なマクロモデル、及び、ミクロ偏析を再現した代表体積要素の応力無負荷時のx、y、z方向の歪を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an isotropic macro model and strains in the x, y, and z directions of a representative volume element that reproduces microsegregation when stress is not applied. 図11は、実施例の部材の3次元解析モデルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a three-dimensional analysis model of the members of the embodiment. 図12は、実施例で用いた焼入れ油の熱伝達係数を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the heat transfer coefficient of the quenching oil used in the examples. 図13は、実施例の焼入れ解析によって得られた中空丸棒の曲がり変形量を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the amount of bending deformation of the hollow round bar obtained by the quenching analysis of the examples.

発明者らは、部材中のミクロ偏析が、熱処理時の部材の相変態に起因して発生する歪に対して影響を与える点に着目して、ミクロ偏析が存在する部材の相変態を伴う熱処理シミュレーションについて検討した。このような熱処理シミュレーションでは、温度及び変位を解析する通常の熱弾塑性解析に加えて、相変態による組織分率の変化及び相変態に起因する歪を計算する。 The inventors have focused on the fact that the microsegregation in the member affects the strain generated due to the phase transformation of the member during the heat treatment, and the heat treatment accompanied by the phase transformation of the member in which the microsegregation is present. We examined the simulation. In such a heat treatment simulation, in addition to the usual thermal elasto-plastic analysis for analyzing the temperature and displacement, the change in the microstructure fraction due to the phase transformation and the strain due to the phase transformation are calculated.

相変態に起因する歪として、変態歪と変態塑性歪がある。変態歪は、相変態による体積変化によって発生する歪である。変態塑性歪は、相変態時に応力が負荷された際に応力(例えば、偏差応力)に比例して発生する非弾性の歪である。変態塑性歪は、降伏応力以下でも発生する。変態塑性歪は、例えば下記の式(1)で計算することができる。 Distortions caused by phase transformation include transformation strain and transformation plastic strain. The transformation strain is a strain generated by a volume change due to a phase transformation. The transformation plastic strain is an inelastic strain generated in proportion to the stress (for example, deviation stress) when a stress is applied during the phase transformation. Metamorphic plastic strain also occurs below the yield stress. The transformational plastic strain can be calculated by, for example, the following equation (1).

Figure 2021156686
Figure 2021156686

鋼材中の偏析によって合金成分の濃度に分布が発生すると、部位によって相変態の発生タイミングが変化し、偏析部と非偏析部との体積差によって内部応力が発生する。ミクロ偏析が特定の方向に偏在することで、応力の分布が方向によって変化し、異方的な変形が起こる。発明者らは、偏析によって発生する異方的な変形を、変態に起因する歪に異方性を考慮することで計算できることを見出した。これにより、ミクロ偏析を有する部材の焼入れ時の変形量を計算できることがわかった。 When the concentration of the alloy component is distributed due to segregation in the steel material, the timing of phase transformation changes depending on the site, and internal stress is generated due to the volume difference between the segregated portion and the non-segregated portion. When the microsegregation is unevenly distributed in a specific direction, the stress distribution changes depending on the direction, and anisotropic deformation occurs. The inventors have found that the anisotropy generated by segregation can be calculated by considering the anisotropy of the strain caused by the transformation. From this, it was found that the amount of deformation of a member having microsegregation during quenching can be calculated.

従来、ミクロ偏析のように部材中に局所的な化学成分の分布がある場合は、降伏挙動へほとんど影響を与えないと考えられるため、塑性歪の計算に異方性が考慮されることはあまりなかった。同様に、相変態を考慮した熱処理シミュレーションにおいても変態塑性歪は異方性が考慮されず等方的な構成式が用いられていた。すなわち、一般的な有限要素法においては部材を均質な材料の連続体として取り扱っているため、結晶粒やミクロ偏析といった部材中の微視的構造は考慮できていない。従来の解析では、複数の組織が存在する場合、複数の組織を、各組織の材料特性の線形混合則等によって平均化した材料特性を持つ均一な組織として扱っていた。 Conventionally, when there is a local distribution of chemical components in a member such as microsegregation, it is considered that it has almost no effect on the yield behavior, so anisotropy is rarely considered in the calculation of plastic strain. There wasn't. Similarly, in the heat treatment simulation considering the phase transformation, anisotropy was not considered for the transformation plastic strain, and an isotropic constitutive equation was used. That is, in the general finite element method, since the member is treated as a continuum of homogeneous materials, the microscopic structure in the member such as crystal grains and microsegregation cannot be considered. In the conventional analysis, when a plurality of structures exist, the plurality of structures are treated as a uniform structure having material properties averaged by a linear mixing law of the material properties of each structure.

ミクロ偏析の影響を考慮するため、微視的構造を再現した微小なモデルを作成し相変態時にどのような挙動を示すかを解析することが考えられる。このように、微視的な構造を複数の要素で再現する場合、例えば、数十μmオーダーの領域を十分な要素数で分割する必要が生じる。そのため、微視的構造を微小な複数の要素で再現したモデルを用いて、実部材スケールの熱処理をシミュレーションして、曲りなどの変形を評価する場合、要素数が膨大になり、実用的な解析は難しい。 In order to consider the effect of microsegregation, it is conceivable to create a minute model that reproduces the microscopic structure and analyze how it behaves during phase transformation. In this way, when reproducing the microscopic structure with a plurality of elements, for example, it becomes necessary to divide a region on the order of several tens of μm with a sufficient number of elements. Therefore, when simulating heat treatment on a real member scale and evaluating deformation such as bending using a model that reproduces the microscopic structure with a plurality of minute elements, the number of elements becomes enormous and practical analysis is performed. Is difficult.

そこで、発明者らは、要素を細分化せずに、ミクロ偏析の微視的構造の影響を考慮した熱処理解析を行う方法を検討した。検討の結果、各要素の積分点に、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定し、温度変化又は時間変化に伴う組織分率の変化と、この異方性パラメータを用いて各要素の積分点の歪を計算することで、要素を細分化して微視的構造を再現したモデルで計算した場合と同様に、マクロな変形を計算できることを見出した。この知見に基づき、発明者らは、以下の実施形態に想到した。 Therefore, the inventors examined a method of performing heat treatment analysis in consideration of the influence of the microscopic structure of microsegregation without subdividing the elements. As a result of the examination, an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation was set at the integration point of each element, and the change in the structure fraction due to the temperature change or the time change and this anisotropy parameter were set. It was found that by calculating the distortion of the integration point of each element using the above, it is possible to calculate the macroscopic deformation in the same way as when calculating with a model that reproduces the microscopic structure by subdividing the elements. Based on this finding, the inventors came up with the following embodiments.

本発明の一実施形態における熱処理シミュレーション方法は、コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する方法である。上記熱処理シミュレーション方法は、解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む工程と、前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する工程と、前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する工程と、前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する工程と、計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する工程とを有する。 The heat treatment simulation method according to the embodiment of the present invention is a method of executing a heat treatment simulation accompanied by a phase transformation of a member by using a computer. In the heat treatment simulation method, the strain caused by the phase transformation is used as a parameter used in the step of reading the model data in which the member to be analyzed is represented by a plurality of elements and the strain of the integration point of each of the plurality of elements. The step of setting the anisotropic parameter indicating the anisotropy, the step of calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and the strain of the integration point of each of the plurality of elements are subjected to the temperature and time change. It includes a step of calculating using the microstructure fraction determined according to at least one of them and the anisotropic parameter, and a step of outputting an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements.

上記方法によれば、各要素の積分点に、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定し、計算される温度及び時間変化の少なくとも一方に応じた組織分率と、この異方性パラメータを用いて各要素の積分点の歪を計算する。ここで、要素内のミクロ偏析による微視的構造による歪への影響は、異方性パラメータに反映することができることが発明者により見出されている。そのため、ミクロ偏析を考慮した相変態に起因する歪が計算される。その結果、ミクロ偏析が存在する部材の熱処理による相変態を伴う挙動を精度よく解析できる。 According to the above method, an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation is set at the integration point of each element, and the structure fraction is set according to at least one of the calculated temperature and time changes. , The distortion of the integration point of each element is calculated using this anisotropy parameter. Here, the inventor has found that the influence of the microscopic structure on the strain due to the microsegregation in the element can be reflected in the anisotropy parameter. Therefore, the strain caused by the phase transformation in consideration of microsegregation is calculated. As a result, it is possible to accurately analyze the behavior of a member in which microsegregation exists, which is accompanied by a phase transformation due to heat treatment.

本実施形態は、コンピュータによる部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションに関する。シミュレーションにおいて、部材のミクロ偏析を考慮した相変態に起因する歪を計算するために、例えば、ミクロ偏析の微視的な構造を表現するため細かく分割した要素を用いることが考えられる。この場合、要素数が増え、コンピュータの計算量も増える。発明者らは、上記方法のように相変態に起因する歪の計算に異方性パラメータを導入することで、ミクロ偏析を表す細かい要素を用いなくても、ミクロ偏析の影響を考慮した解析が可能になることを見出した。上記方法によれば、要素数の増大による計算量の増加を避けながらも、ミクロ偏析が存在する部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションが可能になる。すなわち、相変態を伴う熱処理のシミュレーションにおいて、解析精度に対するコンピュータの処理効率を向上させることができる。 The present embodiment relates to a computer simulation of a heat treatment involving a phase transformation of a member. In the simulation, in order to calculate the strain caused by the phase transformation in consideration of the microsegregation of the member, for example, it is conceivable to use finely divided elements to express the microscopic structure of the microsegregation. In this case, the number of elements increases and the amount of computer calculation also increases. By introducing anisotropy parameters into the calculation of strain caused by phase transformation as in the above method, the inventors can perform analysis considering the effects of microsegregation without using fine elements representing microsegregation. I found it possible. According to the above method, it is possible to simulate a heat treatment accompanied by a phase transformation of a member in which microsegregation exists, while avoiding an increase in the amount of calculation due to an increase in the number of elements. That is, in the simulation of the heat treatment accompanied by the phase transformation, the processing efficiency of the computer with respect to the analysis accuracy can be improved.

前記モデルデータは、前記部材の相変態の特性を示す材料データを含んでもよい。変態特性は、例えば、Time-Temperature-Transformation(TTT)曲線、又はContinuous-Cooling-Trancformation(CCT)曲線のように温度と時間による組織の変化で表される。部材の相変態の特性を示す変態特性データは、例えば、温度及び時間変化の少なくとも一方と、組織を変化との関係を表すデータであってもよい。変態特性データを用いて、計算された温度及び時間変化の少なくとも一方に応じた組織分率を決定することができる。 The model data may include material data showing the characteristics of the phase transformation of the member. Transformation characteristics are represented by changes in tissue with temperature and time, such as the Time-Temperature-Transformation (TTT) curve or the Continuous-Cooling-Trancformation (CCT) curve. The transformation characteristic data showing the characteristics of the phase transformation of the member may be, for example, data showing the relationship between at least one of the temperature and time changes and the change in the structure. The transformation characteristic data can be used to determine the tissue fraction according to at least one of the calculated temperature and temporal changes.

上記熱処理シミュレーションでは、解析結果として、前記部材の熱処理における相変態を伴う挙動に関する情報が出力される。例えば、熱処理による部材の変位、応力、歪、及び温度の少なくとも1つの分布を示す情報が、解析結果として出力されてもよい。 In the heat treatment simulation, as an analysis result, information on the behavior accompanied by the phase transformation in the heat treatment of the member is output. For example, information indicating at least one distribution of displacement, stress, strain, and temperature of a member due to heat treatment may be output as an analysis result.

前記異方性パラメータは、前記部材の相変態時に応力が負荷された際に応力に比例して発生する変態塑性歪の異方性を示す変態塑性歪異方性パラメータを含んでもよい。前記熱処理シミュレーション方法は、前記複数の要素の各々の積分点の応力を計算する工程をさらに含んでもよい。前記複数の要素の各々の積分点の歪を計算する工程は、前記複数の要素の各々の積分点の変態塑性歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と、前記積分点の応力と、前記変態塑性歪異方性パラメータとを用いて計算する工程を含んでもよい。 The anisotropy parameter may include a transformation plastic strain anisotropy parameter indicating the anisotropy of the transformation plastic strain generated in proportion to the stress when a stress is applied during the phase transformation of the member. The heat treatment simulation method may further include a step of calculating the stress at the integration point of each of the plurality of elements. In the step of calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements, the transformational plastic strain of the integration point of each of the plurality of elements is determined as a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time changes. , The step of calculating using the stress of the integration point and the transformation plastic strain anisotropy parameter may be included.

発明者らは、相変態に起因する歪のうち、変態塑性歪が大きな割合と占め、且つ、ミクロ偏析の影響を受けやすいことを見出した。上記のように、変態塑性歪異方性パラメータ各要素の積分点に設定し、各要素の温度及び時間変化の少なくとも一方に応じた組織分率と、各積分点の応力と、この変態塑性歪異方性パラメータとを用いて各要素の積分点の変態塑性歪を計算することで、ミクロ偏析が存在する部材の熱処理による挙動をより精度よく解析できる。 The inventors have found that the transformation plastic strain accounts for a large proportion of the strain caused by the phase transformation and is susceptible to microsegregation. As described above, the transformation plastic strain anisotropic parameter is set at the integration point of each element, and the microstructural fraction corresponding to at least one of the temperature and time changes of each element, the stress at each integration point, and this transformation plastic strain. By calculating the transformational plastic strain of the integration point of each element using the anisotropy parameter, the behavior of the member in which microsegregation exists due to heat treatment can be analyzed more accurately.

前記各積分点における前記変態塑性歪は、前記組織分率及び前記応力を入力し、入力された前記組織分率及び前記応力に対する歪を出力する関数を用いて計算されてもよい。前記関数は、変態塑性歪異方性パラメータを係数として含んでもよい。この場合、前記関数に入力される組織分率は、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率である。前記関数に入力される応力は、前記計算された各積分点の応力である。これにより、各積分点における変態塑性歪を、ミクロ偏析による影響を考慮して精度よく計算することができる。 The transformation plastic strain at each integration point may be calculated using a function that inputs the tissue fraction and the stress and outputs the strain with respect to the input tissue fraction and the stress. The function may include a transformational plastic strain anisotropy parameter as a coefficient. In this case, the tissue fraction input to the function is a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time changes. The stress input to the function is the stress at each of the calculated integration points. As a result, the transformational plastic strain at each integration point can be calculated accurately in consideration of the influence of microsegregation.

前記関数は、前記変態塑性歪異方性パラメータによって、引張応力に対する歪と、前記引張応力と同じ大きさ圧縮応力に対する歪とが異なるよう設定可能な関数であってもよい。これにより、引張応力と圧縮応力に対する歪の非対称性を関数で表現することができる。発明者らは、変態塑性歪において、引張応力に対する歪と、圧縮応力に対する歪の非対称性を観察している。引張圧縮の非対称性を再現可能な関数を用いることで、より精度よく熱処理による相変態を伴う部材の挙動を解析できる。 The function may be a function that can be set so that the strain with respect to the tensile stress and the strain with respect to the compressive stress having the same magnitude as the tensile stress are different depending on the transformation plastic strain anisotropy parameter. This makes it possible to express the asymmetry of strain with respect to tensile stress and compressive stress as a function. The inventors have observed the asymmetry of strain with respect to tensile stress and strain with respect to compressive stress in metamorphic plastic strain. By using a function that can reproduce the asymmetry of tensile compression, it is possible to analyze the behavior of a member with phase transformation due to heat treatment more accurately.

一例として、前記変態塑性歪は、以下の式を用いて計算してもよい。 As an example, the transformation plastic strain may be calculated using the following equation.

Figure 2021156686
Figure 2021156686

前記異方性パラメータは、前記部材の相変態による体積変化によって発生する変態歪の異方性を示す変態歪異方性パラメータを含んでもよい。前記複数の要素の各々の積分点の歪を計算する工程は、前記複数の要素の各々の積分点の変態歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と、前記変態歪異方性パラメータとを用いて計算する工程を含んでもよい。これにより、部材の相変態による体積変化によって発生する変態歪を、ミクロ偏析による影響を考慮して計算することができる。その結果、ミクロ偏析が存在する部材の熱処理による挙動をより精度よく解析できる。 The anisotropy parameter may include a transformation strain anisotropy parameter indicating the anisotropy of the transformation strain generated by the volume change due to the phase transformation of the member. The step of calculating the strain of each integration point of the plurality of elements is to determine the transformation strain of each integration point of the plurality of elements with a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time changes. A step of calculating using the transformation strain anisotropy parameter may be included. Thereby, the transformation strain generated by the volume change due to the phase transformation of the member can be calculated in consideration of the influence of the microsegregation. As a result, the behavior of the member having microsegregation due to heat treatment can be analyzed more accurately.

一例として、前記変態歪は、以下の式を用いて計算してもよい。 As an example, the transformation strain may be calculated using the following equation.

Figure 2021156686
Figure 2021156686

前記熱処理シミュレーション方法は、単位体積におけるミクロ偏析の状態を複数の要素によって表したミクロ偏析モデルデータを用いて計算された相変態に起因する歪の異方性を示すデータに基づいて、前記異方性パラメータを生成する工程をさらに有してもよい。これにより、モデルデータの要素内のミクロ偏析による相変態に起因する歪への影響を反映した異方性パラメータが得られる。 The heat treatment simulation method is based on the anisotropy of strain caused by phase transformation calculated using microsegregation model data representing the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. It may further have a step of generating sex parameters. As a result, anisotropy parameters that reflect the effect on strain caused by phase transformation due to microsegregation in the elements of the model data can be obtained.

前記熱処理シミュレーション方法において、前記複数の要素において、互いに異なる異方性パラメータが設定されてもよい。これにより、例えば、解析対象の部材の部分ごとミクロ偏析の状態が異なる場合に、これらのミクロ偏析による影響を異方性パラメータに反映させることができる。その結果、より解析精度を高めることができる。 In the heat treatment simulation method, different anisotropic parameters may be set in the plurality of elements. Thereby, for example, when the state of microsegregation is different for each part of the member to be analyzed, the influence of these microsegregations can be reflected in the anisotropy parameter. As a result, the analysis accuracy can be further improved.

コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する熱処理シミュレーション装置も本発明の実施形態に含まれる。前記熱処理シミュレーション装置は、解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む入力部と、前記複数の要素の各々の積分点の歪を計算の用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定するパラメータ設定部と、前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する温度計算部と、前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する歪計算部と、計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する出力部とを備える。歪計算部は、複数の要素の各々における節点の変位、並びに、積分点の歪を計算するよう構成されてもよい。 An embodiment of the present invention also includes a heat treatment simulation apparatus that uses a computer to simulate a heat treatment involving a phase transformation of a member. The heat treatment simulation device uses an input unit for reading model data representing a member to be analyzed by a plurality of elements and a strain at the integration point of each of the plurality of elements as parameters used for calculation, and is caused by a phase transformation. The parameter setting unit for setting the anisotropic parameter indicating the anisotropy of the plurality of elements, the temperature calculation unit for calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and the distortion of the integration point of each of the plurality of elements are described. A strain calculation unit that calculates using the tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time changes and the anisotropy parameter, and an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements are output. It is provided with an output unit. The strain calculation unit may be configured to calculate the displacement of the node at each of the plurality of elements and the strain of the integration point.

コンピュータに、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行させるプログラムも本発明の実施形態に含まれる。前記プログラムは、解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む処理と、前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する処理と、前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する処理と、前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する処理と、計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する処理と、をコンピュータに実行させる。 An embodiment of the present invention also includes a program for causing a computer to perform a simulation of a heat treatment involving a phase transformation of a member. In the program, the distortion caused by the phase transformation is different as a parameter used for the process of reading the model data in which the member to be analyzed is represented by a plurality of elements and the calculation of the strain at the integration point of each of the plurality of elements. The process of setting the anisotropic parameter indicating the property, the process of calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and the strain of the integration point of each of the plurality of elements are set to at least one of the temperature and the time change. A computer is made to execute a process of calculating using the tissue fraction determined according to the above and the anisotropic parameter and a process of outputting an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements. ..

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. The dimensional ratio between the constituent members shown in each figure does not necessarily indicate the actual dimensional ratio.

[熱処理シミュレーション装置]
図1は、本実施形態における熱処理シミュレーション装置の構成例を示す機能ブロック図である。図1に示す熱処理シミュレーション装置1は、コンピュータを用いて、相変態を伴う部材の熱処理のシミュレーションを実行する装置である。熱処理シミュレーション装置1は、入力部11、パラメータ設定部12、温度計算部13、歪計算部14、及び、出力部15を備える。
[Heat treatment simulation device]
FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration example of the heat treatment simulation apparatus according to the present embodiment. The heat treatment simulation device 1 shown in FIG. 1 is a device that executes a simulation of heat treatment of a member accompanied by a phase transformation by using a computer. The heat treatment simulation device 1 includes an input unit 11, a parameter setting unit 12, a temperature calculation unit 13, a strain calculation unit 14, and an output unit 15.

熱処理シミュレーション装置1は、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータにより構成できる。プロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することにより、入力部11、パラメータ設定部12、温度計算部13、歪計算部14、出力部15、及び異方性パラメータ生成部16の機能を実現できる。このようなプログラム及びプログラムを記録した非一時的(non-transitory)な記録媒体も、本発明の実施形態に含まれる。なお、熱処理シミュレーション装置1の各部は、複数のプロセッサにより実現されてもよい。 The heat treatment simulation device 1 can be configured by a computer having a processor and a memory. By executing the program stored in the memory by the processor, the functions of the input unit 11, the parameter setting unit 12, the temperature calculation unit 13, the strain calculation unit 14, the output unit 15, and the anisotropic parameter generation unit 16 can be realized. .. Non-transitory recording media on which such programs and programs are recorded are also included in the embodiments of the present invention. Each part of the heat treatment simulation apparatus 1 may be realized by a plurality of processors.

入力部11は、解析対象の部材を複数の要素で表したモデルデータを読み込む。入力部11は、モデルデータをメモリに展開することにより、熱処理シミュレーション装置1のプロセッサが、モデルデータにアクセス可能な状態とする。入力部11は、モデルデータの入力をユーザから受け付けてもよいし、他の記憶媒体からモデルデータを読み込んでもよい。モデルデータの要素は、例えば、有限要素法で用いられるメッシュデータの要素である。各要素は節点によって表される。要素には、少なくとも1つの積分点が設けられる。有限要素法を用いたシミュレーションでは、例えば、節点における変位及び温度、並びに、積分点における応力及び歪が計算される。 The input unit 11 reads model data in which the member to be analyzed is represented by a plurality of elements. The input unit 11 expands the model data in the memory so that the processor of the heat treatment simulation apparatus 1 can access the model data. The input unit 11 may accept the input of the model data from the user, or may read the model data from another storage medium. The elements of the model data are, for example, the elements of the mesh data used in the finite element method. Each element is represented by a node. The element is provided with at least one integration point. In the simulation using the finite element method, for example, the displacement and temperature at the node and the stress and strain at the integration point are calculated.

このように、モデルデータには、解析対象の部材の形状を示す複数の要素のデータ、すなわち、節点及び積分点の位置を示すデータが含まれる。また、モデルデータには、部材の材料特性を示すデータが含まれてもよい。モデルデータは、例えば、解析対象の部材の設計データを基に生成することができる。 As described above, the model data includes data of a plurality of elements indicating the shape of the member to be analyzed, that is, data indicating the positions of the nodes and integration points. In addition, the model data may include data indicating the material properties of the member. The model data can be generated, for example, based on the design data of the member to be analyzed.

パラメータ設定部12は、モデルデータの複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する。パラメータ設定部12は、ユーザからの入力又は予め記録されたデータを基に、異方性パラメータを設定する。或いは、入力部11が、各積分点に異方性パラメータが設定されたモデルデータを読み込んでもよい。この場合、パラメータ設定部12は、入力部11の一部となる。異方性パラメータは、例えば、各積分点の相変態に起因する歪を計算する関数の係数とすることができる。具体例として、各積分点の相変態に起因する歪を計算する関数に含まれるテンソルの要素に含まれる係数として、異方性パラメータを設定することができる。 The parameter setting unit 12 sets an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation as a parameter used for calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements of the model data. The parameter setting unit 12 sets the anisotropic parameter based on the input from the user or the data recorded in advance. Alternatively, the input unit 11 may read the model data in which the anisotropic parameter is set at each integration point. In this case, the parameter setting unit 12 becomes a part of the input unit 11. The anisotropy parameter can be, for example, a coefficient of a function that calculates the strain caused by the phase transformation of each integration point. As a specific example, an anisotropy parameter can be set as a coefficient included in the tensor element included in the function for calculating the strain caused by the phase transformation of each integration point.

温度計算部13は、複数の要素の各々の節点の温度を計算する。例えば、温度計算部13は、部材の材料特性を示す値を用いて、各節点における温度を計算する。計算された温度に応じて、部材の各相(各組織)の組織分率が決定される。これにより、相変態が計算される。なお、相変態は、温度変化がなく時間が変化した場合にも起こり得る。そのため、組織分率は、温度ではなく時間変化に応じて決定される場合もあり得る。ここで、時間変化はシミュレーションにおける時間の変化である。温度計算部13は、例えば、時系列における各時刻の温度を計算することができる。各時刻の温度に応じて組織分率が決定されてもよい。或いは、組織分率は、時間の経過に伴って温度が変化しない場合でも、時間の経過に応じて変化するよう決定されてもよい。また、温度及び時間変化の両方に基づいて、組織分率が決定されてもよい。 The temperature calculation unit 13 calculates the temperature of each node of the plurality of elements. For example, the temperature calculation unit 13 calculates the temperature at each node using a value indicating the material property of the member. The tissue fraction of each phase (each structure) of the member is determined according to the calculated temperature. As a result, the phase transformation is calculated. The phase transformation can also occur when there is no temperature change and the time changes. Therefore, the tissue fraction may be determined according to changes over time rather than temperature. Here, the time change is the time change in the simulation. The temperature calculation unit 13 can calculate, for example, the temperature at each time in the time series. The tissue fraction may be determined according to the temperature at each time. Alternatively, the tissue fraction may be determined to change over time, even if the temperature does not change over time. Also, the tissue fraction may be determined based on both temperature and time variation.

歪計算部14は、複数の要素の各々の節点における変位と、積分点における応力及び歪を計算する。歪計算部14は、複数の要素の各々の積分点の歪を、温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と異方性パラメータとを用いて計算する。歪計算部14は、各積分点において、変態塑性及び変態歪の少なくとも1つを計算することができる。変態塑性歪は、応力に応じて変化する。そのため、変態塑性歪は、各積分点において計算された応力を用いて計算することができる。変態歪は、相変態による体積変化によって発生する歪であるため、例えば、各要素の相変態による体積変化を示す値、例えば、密度の変化を示す値を用いて計算することができる。 The strain calculation unit 14 calculates the displacement at each node of the plurality of elements and the stress and strain at the integration point. The strain calculation unit 14 calculates the strain at the integration point of each of the plurality of elements using the tissue fraction and the anisotropy parameter determined according to at least one of the temperature and time changes. The strain calculation unit 14 can calculate at least one of transformation plasticity and transformation strain at each integration point. The metamorphic plastic strain changes according to the stress. Therefore, the transformation plastic strain can be calculated using the stress calculated at each integration point. Since the transformation strain is a strain generated by a volume change due to a phase transformation, it can be calculated using, for example, a value indicating a volume change due to a phase transformation of each element, for example, a value indicating a change in density.

なお、歪計算部14は、相変態に起因しない歪を計算してもよい。相変態に起因しない歪の例としては、弾性歪、塑性歪及び熱歪が挙げられる。例えば、歪計算部14は、弾性歪、塑性歪、及び熱歪に加えて、相変態に伴う歪である変態歪と変態塑性歪を計算する構成であってもよい。弾性歪、塑性歪及び熱歪の計算は、公知の熱弾塑性解析の計算手法を用いることができる。 The strain calculation unit 14 may calculate the strain that is not caused by the phase transformation. Examples of strains not caused by phase transformation include elastic strains, plastic strains and thermal strains. For example, the strain calculation unit 14 may be configured to calculate the transformation strain and the transformation plastic strain, which are the strains associated with the phase transformation, in addition to the elastic strain, the plastic strain, and the thermal strain. For the calculation of elastic strain, plastic strain and thermal strain, a known calculation method of thermal elasto-plastic analysis can be used.

歪計算部14は、異方性パラメータを用いることで、各積分点における相変態に起因する歪を、複数の方向について異なる値として計算することができる。すなわち、各積分点において、異方性を有する歪を計算できる。異方性パラメータは、方向によって異なる歪の挙動を示すパラメータである。例えば、各積分点において、複数の方向について異なる歪の値が計算される場合がある。また、歪計算部14は、各積分点において、圧縮応力に対する変態塑性歪と、引張応力に対する変態塑性歪をそれぞれについて、異なる異方性パラメータを用いて計算するができる。これにより、積分点において、同じ方向であっても、圧縮応力に対する歪と、同じ大きさの引張応力に対する歪が異なる値で計算される場合がある。このように、歪計算部14は、ミクロ偏析による異方性を反映した相変態に起因する歪を計算することができる。 By using the anisotropy parameter, the strain calculation unit 14 can calculate the strain caused by the phase transformation at each integration point as different values in a plurality of directions. That is, the strain having anisotropy can be calculated at each integration point. The anisotropy parameter is a parameter that exhibits different strain behavior depending on the direction. For example, at each integration point, different strain values may be calculated in multiple directions. Further, the strain calculation unit 14 can calculate the transformation plastic strain for compressive stress and the transformation plastic strain for tensile stress at each integration point by using different anisotropic parameters. As a result, at the integration point, the strain for compressive stress and the strain for tensile stress of the same magnitude may be calculated with different values even in the same direction. In this way, the strain calculation unit 14 can calculate the strain caused by the phase transformation reflecting the anisotropy due to microsegregation.

歪計算部14は、1つの積分点において、変態塑性歪と変態歪の両方を計算した場合、例えば、これらの値の和を積分点の相変態に起因する歪として計算してもよい。この場合、1つの積分点において、複数の方向について相変態に起因する歪を計算することができる。すなわち、1つの積分点において異方性を有する歪が計算できる。 When both the transformation plastic strain and the transformation strain are calculated at one integration point, the strain calculation unit 14 may calculate, for example, the sum of these values as the strain caused by the phase transformation of the integration point. In this case, the strain due to the phase transformation can be calculated in a plurality of directions at one integration point. That is, the strain having anisotropy at one integration point can be calculated.

上記例のように、温度計算部13による各節点の温度計算、及び歪計算部14による各積分点の相変態に起因する歪の計算を組み合わせて、さらに、各節点の変位及び各積分点の応力を計算することができる。これにより、温度変化に対する変位を計算する熱弾塑性解析に加えて、相変態による組織分率の変化及び相変態に起因する歪及び応力の解析を実行することができる。 As in the above example, the temperature calculation of each node by the temperature calculation unit 13 and the strain calculation due to the phase transformation of each integration point by the strain calculation unit 14 are combined, and further, the displacement of each node and the displacement of each integration point are combined. The stress can be calculated. Thereby, in addition to the thermal elasto-plastic analysis for calculating the displacement with respect to the temperature change, the change in the microstructure fraction due to the phase transformation and the strain and stress due to the phase transformation can be analyzed.

出力部15は、計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する。解析結果は、複数の要素の温度及び歪に基づくものであれば特に限定されない。解析結果の例として、部材における温度及び歪の少なくとも一方の分布、又は分布の時間変化が挙げられる。温度及び歪の他、例えば、部材の変形、応力、組織分布、又は、組織分率が解析結果として出力されてもよい。出力の形態は、特に限定されない。出力の形態としては、例えば、解析結果をディスプレイに表示、解析結果を、ネットワークを介して指定された場所へ送信する、又は指定された場所に解析結果を保存する、等が挙げられる。 The output unit 15 outputs an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements. The analysis result is not particularly limited as long as it is based on the temperature and strain of a plurality of elements. An example of the analysis result is the distribution of at least one of the temperature and strain in the member, or the time variation of the distribution. In addition to temperature and strain, for example, member deformation, stress, structure distribution, or structure fraction may be output as an analysis result. The form of output is not particularly limited. Examples of the output form include displaying the analysis result on a display, transmitting the analysis result to a designated place via a network, or saving the analysis result in a designated place.

図1に示す例では、熱処理シミュレーション装置1は、異方性パラメータ生成部16を備える。異方性パラメータ生成部16は、パラメータ設定部12によって設定される異方性パラメータを生成する。異方性パラメータ生成部16は、ミクロ偏析モデルデータを用いて計算された相変態に起因する歪の異方性を示すデータに基づいて、異方性パラメータを生成することができる。ミクロ偏析モデルデータは、単位体積におけるミクロ偏析の状態を、複数の要素によって表したデータである。なお、異方性パラメータ生成部16は、熱処理シミュレーション装置1の外部のコンピュータに設けられてもよい。異方性パラメータの具体例については後述する。 In the example shown in FIG. 1, the heat treatment simulation device 1 includes an anisotropic parameter generation unit 16. The anisotropic parameter generation unit 16 generates the anisotropic parameter set by the parameter setting unit 12. The anisotropy parameter generation unit 16 can generate anisotropy parameters based on the data showing the anisotropy of the strain caused by the phase transformation calculated using the microsegregation model data. The microsegregation model data is data representing the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. The anisotropic parameter generation unit 16 may be provided in a computer outside the heat treatment simulation apparatus 1. Specific examples of the anisotropy parameter will be described later.

[変態塑性歪の計算例]
歪計算部14による変態塑性歪の計算では、変態塑性歪異方性パラメータが用いられる。変態塑性歪異方性パラメータは、部材の相変態時に応力が負荷された際に応力に比例して発生する変態塑性歪の異方性を示すパラメータである。変態塑性歪異方性パラメータは、パラメータ設定部12により各積分点に設定される。歪計算部14は、各積分点の変態塑性歪を、温度計算部13が計算した温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と、積分点の応力と、変態塑性歪異方性パラメータとを用いて計算する。各積分点における変態塑性歪は、関数を用いて計算できる。関数は、例えば、組織分率及び応力を入力し、変態塑性歪を出力とする関数であってもよい。ここで、組織分率は、温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される。関数は、変態塑性歪異方性パラメータを係数として含んでもよい。変態塑性歪異方性パラメータは、例えば、関数に含まれるテンソルの要素に含まれる係数であってもよい。
[Calculation example of transformation plastic strain]
In the calculation of the transformation plastic strain by the strain calculation unit 14, the transformation plastic strain anisotropy parameter is used. The transformation plastic strain anisotropy parameter is a parameter indicating the anisotropy of the transformation plastic strain generated in proportion to the stress when a stress is applied during the phase transformation of the member. The metamorphic plastic strain anisotropy parameter is set at each integration point by the parameter setting unit 12. The strain calculation unit 14 determines the transformation plastic strain at each integration point according to at least one of the temperature and time changes calculated by the temperature calculation unit 13, the stress at the integration point, and the transformation plastic strain. Calculated using directional parameters. The transformation plastic strain at each integration point can be calculated using a function. The function may be, for example, a function in which the structure fraction and stress are input and the transformation plastic strain is output. Here, the tissue fraction is determined according to at least one of temperature and time change. The function may include the transformational plastic strain anisotropy parameter as a coefficient. The metamorphic plastic strain anisotropy parameter may be, for example, a coefficient included in the element of the tensor included in the function.

次に、各積分点における変態塑性歪異方性パラメータを用いた変態塑性歪の計算の具体例を説明する。 Next, a specific example of calculation of the transformation plastic strain using the transformation plastic strain anisotropy parameter at each integration point will be described.

Figure 2021156686
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上記式(A1)に示す等方的なMisesの降伏関数に代わり、異方性を考慮できる関数を用いることで、異方性を考慮した変態塑性歪を計算できる。異方性を考慮した関数として、例えば、Hillの異方性関数その他の式が挙げられる。材料の微視的構造に合わせた関数を、上記の異方性を考慮できる関数として用いることができる。変態塑性歪には、引張圧縮の非対称性が実験的に観察されている。そのため、引張と圧縮の非対称性も同時に再現可能な関数を、異方性を考慮できる関数として用いることが好ましい。例えば、引張と圧縮の非対称性を再現可能な関数として、線形変換された応力の第一、第二、第三不変量からなる以下の式を用いることができる。なお、以下の式について、次の文献の記載を参照により取り入れる。
J. W. Yoon, Y. Lou, J. Yoon, M. V. Glazoff, Int. J. Plasticity, 56 (2014) 184-202.
By using a function that can consider anisotropy instead of the yield function of isotropic Mises shown in the above equation (A1), the transformation plastic strain that considers anisotropy can be calculated. Examples of the function considering anisotropy include Hill's anisotropy function and other equations. A function that matches the microscopic structure of the material can be used as a function that can take into account the above anisotropy. Tension-compression asymmetry has been experimentally observed in metamorphic plastic strain. Therefore, it is preferable to use a function that can simultaneously reproduce the asymmetry of tension and compression as a function that can consider anisotropy. For example, as a function that can reproduce the asymmetry of tension and compression, the following equation consisting of the first, second, and third invariants of linearly transformed stress can be used. Regarding the following formula, the description in the following documents is incorporated by reference.
JW Yoon, Y. Lou, J. Yoon, MV Glazoff, Int. J. Plasticity, 56 (2014) 184-202.

Figure 2021156686
Figure 2021156686

他の引張圧縮の非対称性を表現できる異方性を考慮した関数として、以下の式を用いてもよい。以下の式について、次の文献の記載を参照により取り入れる。
O. Cazacu, B. Plunkett, F. Barlat, Int. J. Plasticity, 22 (2006) 1171-1194.
The following equation may be used as a function considering the anisotropy that can express the asymmetry of other tensile compression. For the following equations, the description in the following literature is incorporated by reference.
O. Cazacu, B. Plunkett, F. Barlat, Int. J. Plasticity, 22 (2006) 1171-1194.

Figure 2021156686
Figure 2021156686

[変態歪の計算例]
歪計算部14による変態歪の計算では、変態歪異方性パラメータが用いられる。変態歪異方性パラメータは、部材の相変態による体積変化によって発生する変態歪の異方性を示すパラメータである。変態歪異方性パラメータは、パラメータ設定部12により各積分点に設定される。歪計算部14は、各積分点の変態歪を、温度計算部13が計算した温度に応じて決定される組織分率と、変態歪異方性パラメータとを用いて計算する。各積分点における変態歪は、関数を用いて計算できる。関数は、例えば、相変態による密度変化を示す値を入力し、変態歪を出力とする関数であってもよい。ここで、相変態による密度変化を示す値は、組織分率に基づいて決定される。関数は、変態歪異方性パラメータを係数として含んでもよい。変態歪異方性パラメータは、関数に含まれるテンソルの要素に含まれる係数であってもよい。
[Calculation example of transformation strain]
In the calculation of the transformation strain by the strain calculation unit 14, the transformation strain anisotropy parameter is used. The transformation strain anisotropy parameter is a parameter indicating the anisotropy of the transformation strain generated by the volume change due to the phase transformation of the member. The transformation strain anisotropy parameter is set at each integration point by the parameter setting unit 12. The strain calculation unit 14 calculates the transformation strain at each integration point using the tissue fraction determined according to the temperature calculated by the temperature calculation unit 13 and the transformation strain anisotropy parameter. The transformation strain at each integration point can be calculated using a function. The function may be, for example, a function that inputs a value indicating a density change due to phase transformation and outputs transformation strain. Here, the value indicating the density change due to the phase transformation is determined based on the tissue fraction. The function may include the transformation strain anisotropy parameter as a coefficient. The transformation strain anisotropy parameter may be a coefficient included in the element of the tensor included in the function.

一例として、各積分点における変態歪を計算する関数として、下記式(13)を用いることができる。下記式(13)は、相変態前後の体積変化から変態歪を計算できるという知見に基づいている。 As an example, the following equation (13) can be used as a function for calculating the transformation strain at each integration point. The following equation (13) is based on the finding that the transformation strain can be calculated from the volume change before and after the phase transformation.

Figure 2021156686
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なお、変態塑性歪を計算する関数及び、変態歪を計算する関数に用いる式は、上記例に限られない。 The formulas used for the function for calculating the transformation plastic strain and the function for calculating the transformation strain are not limited to the above examples.

[動作例]
図2は、図1に示す熱処理シミュレーション装置の動作例を示すフローチャートである。図2に示す例では、まず、入力部11が、モデルデータを読み込む(S1)。モデルデータは、解析対象の部材を複数の要素で表したデータである。パラメータ設定部12は、複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、異方性パラメータを設定する(S2)。
[Operation example]
FIG. 2 is a flowchart showing an operation example of the heat treatment simulation apparatus shown in FIG. In the example shown in FIG. 2, first, the input unit 11 reads the model data (S1). The model data is data in which the member to be analyzed is represented by a plurality of elements. The parameter setting unit 12 sets an anisotropic parameter as a parameter used for calculating the distortion of the integration point of each of the plurality of elements (S2).

温度計算部13は、複数の要素の各々の節点の温度を計算する(S3)。また、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じた組織分率を示す値が計算されてもよい。温度、及び組織分率の計算は、モデルデータに含まれる部材の材料特性を用いることができる。S3の計算は、有限要素法を用いた温度の変化を計算する伝熱解析とすることができる。 The temperature calculation unit 13 calculates the temperature of each node of the plurality of elements (S3). In addition, a value indicating a tissue fraction corresponding to at least one of the temperature and time changes may be calculated. The material properties of the members included in the model data can be used for the calculation of temperature and structure fraction. The calculation of S3 can be a heat transfer analysis that calculates the change in temperature using the finite element method.

歪計算部14は、複数の要素の各々の節点における変位、並びに、複数の要素の各々の積分点の歪及び応力を計算する(S4)。積分点の歪は、温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と異方性パラメータとを用いて計算する。S4では、一例として、各積分点の変態塑性歪及び変態歪が計算される。変態塑性歪は、組織分率、積分点の応力、及び変態塑性歪異方性パラメータを用いて、計算される。変態歪は、組織分率、及び変態歪異方性パラメータを用いて計算される。各積分点において、変態塑性歪と変態歪の和が、各積分点の相変態に起因する歪として、計算される。 The strain calculation unit 14 calculates the displacement at each node of the plurality of elements and the strain and stress at the integration point of each of the plurality of elements (S4). The strain at the integration point is calculated using a tissue fraction and anisotropy parameters that are determined in response to at least one of temperature and temporal changes. In S4, as an example, the transformation plastic strain and the transformation strain at each integration point are calculated. The transformation plastic strain is calculated using the microstructural fraction, the stress at the integration point, and the transformation plastic strain anisotropy parameters. The transformation strain is calculated using the tissue fraction and the transformation strain anisotropy parameters. At each integration point, the sum of the transformation plastic strain and the transformation strain is calculated as the strain due to the phase transformation at each integration point.

出力部15は、S3及びS4で計算された温度及び歪に基づく解析結果を出力する(S5)。例えば、出力部15は、部材の温度分布、応力分布、変位分布、及び歪分布の少なくとも1つを視認可能な画像を生成して出力することができる。 The output unit 15 outputs the analysis result based on the temperature and strain calculated in S3 and S4 (S5). For example, the output unit 15 can generate and output a visible image of at least one of the temperature distribution, stress distribution, displacement distribution, and strain distribution of the member.

[異方性パラメータ生成の処理例]
図3は、図1に示す異方性パラメータ生成部16による異方性パラメータ生成処理の例を示すフローチャートである。図3に示す例では、まず、ミクロ偏析モデルが取得される(S11)。ミクロ偏析モデルは、単位体積におけるミクロ偏析の状態を複数の要素によって表したデータである。ミクロ偏析モデルの単位体積は、ミクロ偏析の周期的な構造を表現できるサイズであればよい。
[Processing example of anisotropic parameter generation]
FIG. 3 is a flowchart showing an example of anisotropic parameter generation processing by the anisotropic parameter generation unit 16 shown in FIG. In the example shown in FIG. 3, first, a microsegregation model is acquired (S11). The microsegregation model is data representing the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. The unit volume of the microsegregation model may be a size that can express the periodic structure of microsegregation.

例えば、ミクロ偏析モデルとして、ミクロ偏析の形状を模擬した化学成分の分布を与えた微小な六面体の要素が複数集まって単位体積の代表体積要素を構成するモデルが作成される。代表体積要素における微小要素で表される化学成分の分布は、例えば、実部材のミクロ偏析を観察し、偏析の平均的な形状を求めることで決定することができる。 For example, as a microsegregation model, a model is created in which a plurality of minute hexahedral elements given a distribution of chemical components simulating the shape of microsegregation are gathered to form a representative volume element of a unit volume. The distribution of the chemical components represented by the minute elements in the representative volume element can be determined, for example, by observing the microsegregation of the actual member and obtaining the average shape of the segregation.

代表体積要素の寸法は、ミクロ偏析の周期対称性を再現可能な寸法とする。代表体積要素は、偏析の化学成分分布を十分に再現できる程度の要素数で分割する。代表体積要素の体積、すなわち、単位体積は、モデルデータの要素の体積と一致しなくてもよい。 The dimensions of the representative volume element shall be such that the periodic symmetry of microsegregation can be reproduced. The representative volume element is divided by the number of elements that can sufficiently reproduce the chemical composition distribution of segregation. The volume of the representative volume element, that is, the unit volume, does not have to match the volume of the element of the model data.

S12において、代表体積要素と同じ寸法の均一な化学成分の均一モデルが取得される。均一モデルは、1つの要素で構成された等方モデルとすることができる。 In S12, a uniform model of a uniform chemical composition having the same dimensions as the representative volume element is obtained. The uniform model can be an isotropic model composed of one element.

S13では、S11で生成されたミクロ偏析モデルと、S12で生成された均一モデルに対して、応力を負荷しない条件で、熱処理解析(熱処理シミュレーション)を実行し、変態歪を算出する。S13の熱処理解析は、等方的な変態塑性歪を用いて代表的な熱処理条件で実行される。変態歪は、変態開始時と変態完了時との変形量の差から計算することができる。ミクロ偏析モデルにおける変態歪と、均一モデルにおける変態歪が、それぞれ計算される。 In S13, the microsegregation model generated in S11 and the uniform model generated in S12 are subjected to heat treatment analysis (heat treatment simulation) under the condition that no stress is applied, and the transformation strain is calculated. The heat treatment analysis of S13 is performed under typical heat treatment conditions using isotropic transformational plastic strain. The transformation strain can be calculated from the difference in the amount of deformation between the start of transformation and the completion of transformation. The transformation strain in the microsegregation model and the transformation strain in the uniform model are calculated respectively.

S14では、ミクロ偏析モデルの変態歪に対する均一モデルの変態歪の相対値に基づいて、変態歪異方性パラメータが生成される。ミクロ偏析モデルの代表体積要素を用いた解析では、偏析形状によって変態歪に異方性が現れる。すなわち、ミクロ偏析モデルでは、複数の方向において異なる変態歪が計算される。これに対して、均一モデルは、複数の方向において同じ変態歪が計算される。例えば、均一モデルの各方向における変態歪に対する代表体積要素における対応する方向の変態歪の比が、変態歪パラメータとして求められる。 In S14, the transformation strain anisotropy parameter is generated based on the relative value of the transformation strain of the uniform model to the transformation strain of the microsegregation model. In the analysis using the representative volume element of the microsegregation model, anisotropy appears in the transformation strain depending on the segregation shape. That is, in the microsegregation model, different transformation strains are calculated in a plurality of directions. On the other hand, in the uniform model, the same transformation strain is calculated in a plurality of directions. For example, the ratio of the transformation strain in the corresponding direction in the representative volume element to the transformation strain in each direction of the uniform model is obtained as the transformation strain parameter.

S15では、ミクロ偏析モデルに対して、複数の方向に応力負荷する条件で熱処理解析を実行し、変態塑性歪を計算する。例えば、ミクロ偏析モデルの代表体積要素に対し、特定の方向に一定の応力(例えばx方向に10MPa)を負荷して熱処理解析を実施する。変態完了時の変形量を求め、その変形量とS14で実施した応力無負荷時の代表体積要素の変形量との差から変態塑性歪を算出することができる。これを、せん断方向を含めた複数の方向で実施することで、各方向の変態塑性歪を算出することができる。また、引張圧縮の非対称性も考慮する場合は、引張に加えて圧縮の応力負荷の場合についても計算する。さらに、単軸、純せん断の応力だけではなく、多軸の応力を負荷した解析を実施してもよい。 In S15, the heat treatment analysis is executed on the microsegregation model under the condition that stress is applied in a plurality of directions, and the transformation plastic strain is calculated. For example, a heat treatment analysis is performed by applying a constant stress (for example, 10 MPa in the x direction) to a representative volume element of the microsegregation model in a specific direction. The amount of deformation at the completion of transformation can be obtained, and the transformation plastic strain can be calculated from the difference between the amount of deformation and the amount of deformation of the representative volume element when no stress is applied in S14. By carrying out this in a plurality of directions including the shearing direction, the transformation plastic strain in each direction can be calculated. In addition, when considering the asymmetry of tensile compression, the case of stress load of compression in addition to tension is also calculated. Further, not only uniaxial and pure shear stresses but also multiaxial stresses may be applied to the analysis.

S16では、変態塑性歪異方性パラメータを用いた異方性モデルが生成される。異方性モデルは、均一モデルに対して、変態塑性歪異方性パラメータを用いて、複数の方向の応力に対する異方性を有する変態塑性歪を定義したモデルである。この異方性モデルは、均一モデルに対して異方性を考慮した変態塑性歪の特性を定義したモデルである。 In S16, an anisotropy model using the transformation plastic strain anisotropy parameter is generated. The anisotropy model is a model in which a transformation plastic strain having anisotropy for stress in a plurality of directions is defined by using a transformation plastic strain anisotropy parameter with respect to a uniform model. This anisotropy model is a model that defines the characteristics of the transformation plastic strain in consideration of anisotropy with respect to the uniform model.

S17において、異方性モデルに対して、上記の複数の方向に応力負荷した場合の変態塑性歪を計算する。S17では、S15と同条件の応力負荷で熱処理解析を行い、変態塑性歪を計算する。均一な単純形状モデルに一定応力負荷の場合は有限要素解析を行わずに理論計算により変態完了時の変態塑性歪を求めることが可能である。この場合は、有限要素法を用いて解析をせずに、理論計算で変態塑性歪を求めてもよい。 In S17, the transformation plastic strain when stress is applied in the above-mentioned plurality of directions to the anisotropic model is calculated. In S17, the heat treatment analysis is performed under the same stress load as in S15, and the transformation plastic strain is calculated. In the case of a uniform simple shape model with a constant stress load, it is possible to obtain the transformation plastic strain at the completion of transformation by theoretical calculation without performing finite element analysis. In this case, the transformation plastic strain may be obtained by theoretical calculation without analysis using the finite element method.

S18では、S17で計算した異方性モデルによる変態塑性歪を、S15で計算したミクロ偏析モデルによる変態塑性歪と比較して、評価する。評価結果が、所定の条件を満たす場合(S19でYES)は、異方性モデルに設定された変態塑性歪異方性パラメータを、最適値として決定する。評価結果が所定の条件を満たさない場合は、異方性モデルの変態塑性歪パラメータを更新し(S20)、S16〜S18の処理を繰り返す。S16〜S20の処理は、変態塑性歪異方性パラメータの最適値が得られるまで、繰り返される。 In S18, the transformational plastic strain calculated by the anisotropic model in S17 is compared with the transformational plastic strain calculated by the microsegregation model in S15 and evaluated. When the evaluation result satisfies a predetermined condition (YES in S19), the transformation plastic strain anisotropy parameter set in the anisotropy model is determined as an optimum value. If the evaluation result does not satisfy the predetermined conditions, the transformation plastic strain parameter of the anisotropic model is updated (S20), and the processes of S16 to S18 are repeated. The processing of S16 to S20 is repeated until the optimum value of the transformation plastic strain anisotropy parameter is obtained.

S18、S19、S20の例として、S17で計算された異方性モデルの各方向の応力負荷時の変態塑性歪に対し、S15で計算したミクロ偏析モデルの対応する方向の応力負荷時における変態塑性歪との誤差の二乗和を算出し、その誤差の二乗和が最小になるように、変態塑性異方性パラメータを決定する処理を実行することができる。 As an example of S18, S19, and S20, the transformation plastic strain of the anisotropic model calculated in S17 under stress load in each direction is compared with the transformation plasticity of the microsegregation model calculated in S15 under stress load in the corresponding direction. It is possible to calculate the sum of squares of the error with the strain and execute the process of determining the transformation-plastic anisotropy parameter so that the sum of squares of the error is minimized.

部材の部位ごとに偏析状態が異なる場合は、部材の各部位において、S11〜S20の処理を実施することができる。これにより、各部位において、それぞれの偏析状態を反映した変態塑性歪異方性パラメータを生成することができる。これにより、変形状態が互いに異なる部位の要素に、互いに異なる異方性パラメータを設定することができる。このように、解析対象のモデルデータの複数の要素において、異方性パラメータに分布を持たせることで、より高精度な熱処理解析が可能となる。 When the segregation state is different for each part of the member, the treatments S11 to S20 can be carried out at each part of the member. As a result, it is possible to generate a transformational plastic strain anisotropy parameter that reflects each segregation state at each site. As a result, different anisotropic parameters can be set for the elements of the parts whose deformation states are different from each other. In this way, by giving the anisotropy parameters a distribution in the plurality of elements of the model data to be analyzed, more accurate heat treatment analysis becomes possible.

なお、異方性パラメータ生成の処理は、図3に示す例に限られない。例えば、図3において、S15〜S20の変態塑性歪異方性パラメータの生成処理を、S13〜S14の変態歪異方性パラメータの生成処理より前に実行してもよい。また、図3に示す例では、代表体積要素を用いたシミュレーションにより、ミクロ偏析における歪の異方性を計算しているが、シミュレーションの代わりに、実験により、ミクロ偏析における歪の異方性を測定してもよい。この場合、測定で得られた歪の異方性と、異方性マクロモデルで計算される歪の異方性とを比較することで、異方性パラメータを決定することができる。 The process of generating anisotropic parameters is not limited to the example shown in FIG. For example, in FIG. 3, the transformation plastic strain anisotropy parameter generation processing of S15 to S20 may be executed before the transformation strain anisotropy parameter generation processing of S13 to S14. Further, in the example shown in FIG. 3, the anisotropy of strain in microsegregation is calculated by a simulation using a representative volume element, but instead of the simulation, the anisotropy of strain in microsegregation is calculated by an experiment. You may measure. In this case, the anisotropy parameter can be determined by comparing the anisotropy of the strain obtained by the measurement with the anisotropy of the strain calculated by the anisotropy macro model.

[実施例]
(1.異方性パラメータの算出)
本実施例では、ミクロ偏析をマクロな材料特性で表現するため、代表体積要素による均質化手法を用いた。代表体積要素は、周期的なミクロ構造を持つ材料における、繰り返しの最小単位である。周期的に繰り返されるミクロ構造をモデル化したものが代表体積要素である。この代表体積要素に対して数値材料試験を実施し、得られた材料特性をマクロな材料応答とすることで、ミクロな繰り返し構造を持つ材料をマクロな均質材料で置き換えることができることがわかった。
[Example]
(1. Calculation of anisotropic parameters)
In this example, in order to express microsegregation by macro material properties, a homogenization method using representative volume elements was used. A representative volume element is the smallest unit of repetition in a material with a periodic microstructure. A representative volume element is a model of a microstructure that repeats periodically. Numerical material tests were carried out on this representative volume element, and it was found that the material having a micro-repetitive structure can be replaced with a macro-homogeneous material by using the obtained material property as a macro-material response.

図4は、本実施例におけるミクロ偏析を再現する代表体積要素を示す図である。図5は、本実施例における均質なマクロモデルを示す図である。代表体積要素では、ミクロ偏析を模擬して化学成分を局所的に変化させることでミクロな構造を再現した。マクロモデルでは、モデル全体は均一な化学成分である。マクロモデルに対して、変態塑性に異方性を考慮した構成則を用いることで、代表体積要素による解析と同等の結果を出力できるようにした。代表体積要素は、六面体の各辺を均等に分割し、複数の要素を含むよう構成した。マクロモデルは、六面体の1つの要素で構成した。要素には六面体一次要素を使用した。周期対称となる対称面上の節点において、基準となる節点からの変位が同等となる境界条件を与えた。本実施例で用いた代表体積要素及びマクロモデルの化学成分は、クロムモリブデン鋼の化学成分とした。ヤング率や応力−歪線図といった機械的特性は実測データを使用し、熱的特性や変態特性は化学成分に基づいた予測式を用いて算出した。熱処理条件は、すべてオーステナイトで500℃の一定温度で1000 s保持した。これらのモデルの相変態中に特定の方向に一定応力を負荷し,解析完了時の各方向の歪を求めることで変態塑性歪を求めた。 FIG. 4 is a diagram showing a representative volume element that reproduces the microsegregation in this embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a homogeneous macro model in this embodiment. In the representative volume element, the microstructure was reproduced by simulating microsegregation and locally changing the chemical composition. In the macro model, the entire model has a uniform chemical composition. By using a constitutive law that considers anisotropy in the transformation plasticity for the macro model, it is possible to output the same result as the analysis using the representative volume element. The representative volume element is configured to include a plurality of elements by evenly dividing each side of the hexahedron. The macro model consisted of one element of the hexahedron. Hexahedron primary elements were used as the elements. At the nodes on the plane of symmetry that are periodic symmetry, the boundary conditions are given so that the displacements from the reference nodes are the same. The representative volume element and the chemical composition of the macro model used in this example were the chemical composition of chromium molybdenum steel. Mechanical properties such as Young's modulus and stress-strain curve were calculated using actual measurement data, and thermal properties and transformation properties were calculated using prediction formulas based on chemical composition. All heat treatment conditions were maintained at a constant temperature of 500 ° C for 1000 s with austenite. During the phase transformation of these models, a constant stress was applied in a specific direction, and the strain in each direction at the completion of the analysis was calculated to obtain the transformation plastic strain.

図6は、本実施例における代表体積要素に適用したミクロ偏析の形状を示す図である。偏析部分はz方向を軸方向とする円柱形状とした。過去に得られた組織観察結果によりミクロ偏析を直接的に再現した。図7は、本実施例におけるミクロ偏析の化学成分の分布を示す。偏析の濃度分布は中心部が最も高くなるように二次関数で近似した。代表体積要素においては、部位によって化学成分が異なるために相変態ならびに相変態に起因する膨張のタイミングが異なる。これにより、内部応力や歪が発生し、偏析の形状や方向に応じた異方的な歪が発生する。 FIG. 6 is a diagram showing the shape of microsegregation applied to the representative volume element in this embodiment. The segregated portion has a cylindrical shape with the z direction as the axial direction. The microsegregation was directly reproduced from the histological observation results obtained in the past. FIG. 7 shows the distribution of the chemical components of microsegregation in this example. The concentration distribution of segregation was approximated by a quadratic function so that the central part was the highest. In the representative volume element, since the chemical composition differs depending on the site, the phase transformation and the timing of expansion due to the phase transformation differ. As a result, internal stress and strain are generated, and anisotropic strain is generated according to the shape and direction of segregation.

図8は、代表体積要素及びマクロモデル(均一モデル)のそれぞれに対し、等温保持中にx方向又はz方向に応力を10MPa負荷した際の各方向の変態塑性歪を示す。用いた変態塑性歪構成式ならびにモデルに負荷された平均的な偏差応力は同等であるが、モデル内部にミクロ偏析を模擬した化学成分の分布を再現することで変態塑性歪は方向によって大きく変化し、引張と圧縮でも非対称性が現れることを確認できた。このミクロ偏析による応力負荷時の変形挙動をマクロ的な構成則のみで表現するためには、Misesの相当応力では不可能であり、異方性を考慮した式を用いる必要があると考えられる。 FIG. 8 shows the transformation plastic strain in each direction when a stress of 10 MPa is applied in the x-direction or the z-direction while maintaining the isothermal temperature for each of the representative volume element and the macro model (uniform model). The transformation plastic strain constitutive equation used and the average deviation stress applied to the model are the same, but the transformation plastic strain changes greatly depending on the direction by reproducing the distribution of chemical components that simulate microsegregation inside the model. It was confirmed that asymmetry appears even in tension and compression. In order to express the deformation behavior under stress load due to microsegregation only by the macroscopic constitutive law, it is impossible with the equivalent stress of Mises, and it is considered necessary to use an equation considering anisotropy.

図9は、本実施例のマクロモデルに異方性パラメータを用いた変態塑性歪の構成則を適用した異方性マクロモデルに対し、等温保持中にx方向またはz方向に応力を10MPaまたは−10MPa負荷した場合における各方向の変態塑性歪と、代表体積要素の結果との比較を示す。化学成分に分布を持たせることで再現したミクロ偏析による異方的な変態塑性挙動を、異方性を考慮した変態塑性を適用した異方性マクロモデルで再現できることを確認できた。 FIG. 9 shows that the stress in the x-direction or the z-direction is 10 MPa or − A comparison between the transformation plastic strain in each direction when a load of 10 MPa is applied and the result of the representative volume element is shown. It was confirmed that the anisotropy-plastic behavior due to microsegregation reproduced by giving a distribution to the chemical components can be reproduced by an anisotropy macro model to which anisotropy is applied in consideration of anisotropy.

本実施例では、変態塑性歪の他に、変態歪についても異方性を付与した。図10は、等方的なマクロモデル、及び、ミクロ偏析を再現した代表体積要素の応力無負荷時のx、y、z方向の歪を示す。マクロモデルでは等方的な変態歪が得られた。代表体積要素ではミクロ偏析によって変態歪に異方性があることが確認できた。x、y、zのそれぞれの方向における等方的なマクロモデルの歪に対する代表体積要素の歪の比を、変態歪異方性パラメータとすることができる。変態歪の計算では、x、y、zのそれぞれ方向における膨張量に対して、x、y、z方向それぞれの変態歪異方性パラメータに基づく係数を掛けることで、変態歪の異方性を表現することができる。 In this example, anisotropy was imparted not only to the transformation plastic strain but also to the transformation strain. FIG. 10 shows an isotropic macro model and strains in the x, y, and z directions of a representative volume element that reproduces microsegregation under no stress. An isotropic transformation distortion was obtained in the macro model. It was confirmed that the transformation strain has anisotropy due to microsegregation in the representative volume element. The ratio of the strain of the representative volume element to the strain of the isotropic macro model in each of the x, y, and z directions can be used as the transformation strain anisotropy parameter. In the calculation of transformation strain, the anisotropy of transformation strain is calculated by multiplying the expansion amount in each of the x, y, and z directions by a coefficient based on the transformation strain anisotropy parameters in each of the x, y, and z directions. Can be expressed.

(2.焼入れ解析)
上記の異方性パラメータを用いて焼入れ解析(熱処理シミュレーション)を実施した。対象とした部材は、中空丸棒とした.図11は、本実施例の部材の3次元解析モデルを示す。部材の対称性により1/4の形状とした。図12は、本実施例で用いた焼入れ油(ホット油)の熱伝達係数を示す。油面に対し部材のモデル中心軸が水平になるように油へ投入した。部位による冷却速度の違いを再現するため、モデル表面を、モデル中心より上側と下側の領域に分割し、下側の熱伝達係数を0.7倍した。
(2. Quenching analysis)
Quenching analysis (heat treatment simulation) was performed using the above anisotropy parameters. The target member was a hollow round bar. FIG. 11 shows a three-dimensional analysis model of the members of this embodiment. Due to the symmetry of the members, the shape was made 1/4. FIG. 12 shows the heat transfer coefficient of the quenching oil (hot oil) used in this example. The oil was charged so that the model central axis of the member was horizontal to the oil level. In order to reproduce the difference in cooling rate depending on the part, the model surface was divided into regions above and below the center of the model, and the heat transfer coefficient on the lower side was multiplied by 0.7.

図13は、焼入れ解析によって得られた中空丸棒の曲がり変形量を示す。変形量はモデル端部における軸に垂直方向の変位で定義した。変態塑性歪に異方性を付与しミクロ偏析を考慮した解析によって得られた変形量は、通常の焼入れ解析によって得られた変形量よりも約30%大きくなった。ミクロ偏析により焼入れ変形が増加する実際の現象をシミュレーションにより再現できた。 FIG. 13 shows the amount of bending deformation of the hollow round bar obtained by quenching analysis. The amount of deformation was defined as the displacement in the direction perpendicular to the axis at the end of the model. The amount of deformation obtained by an analysis in which anisotropy was imparted to the metamorphic plastic strain and microsegregation was taken into consideration was about 30% larger than the amount of deformation obtained by ordinary quenching analysis. The actual phenomenon that quenching deformation increases due to microsegregation could be reproduced by simulation.

1 熱処理シミュレーション装置
11 入力部
12 パラメータ設定部
13 温度計算部
14 歪計算部
15 出力部
16 異方性パラメータ生成部
1 Heat treatment simulation device 11 Input unit 12 Parameter setting unit 13 Temperature calculation unit 14 Strain calculation unit 15 Output unit 16 Anisotropy parameter generation unit

Claims (11)

コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する熱処理シミュレーション方法であって、
解析対象の部材を複数の要素で表したモデルデータを読み込む工程と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する工程と、
前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する工程と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する工程と、
計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する工程とを有する、熱処理シミュレーション方法。
A heat treatment simulation method that uses a computer to simulate a heat treatment that involves phase transformation of a member.
The process of reading model data that represents the member to be analyzed with multiple elements, and
As a parameter used for calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements, a step of setting an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation, and a step of setting the anisotropy.
The step of calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and
A step of calculating the strain of the integration point of each of the plurality of elements using the tissue fraction determined according to at least one of the temperature and the time change and the anisotropy parameter.
A heat treatment simulation method including a step of outputting an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements.
請求項1に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
前記異方性パラメータは、前記部材の相変態時に応力が負荷された際に応力に比例して発生する変態塑性歪の異方性を示す変態塑性歪異方性パラメータを含み、
前記熱処理シミュレーション方法は、前記複数の要素の各々の積分点の応力を計算する工程をさらに含み、
前記複数の要素の各々の積分点の歪を計算する工程は、
前記複数の要素の各々の積分点の変態塑性歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と、前記積分点の応力と、前記変態塑性歪異方性パラメータとを用いて計算する工程を含む、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to claim 1.
The anisotropy parameter includes a transformation plastic strain anisotropy parameter indicating the anisotropy of the transformation plastic strain generated in proportion to the stress when a stress is applied during the phase transformation of the member.
The heat treatment simulation method further includes a step of calculating the stress at the integration point of each of the plurality of elements.
The step of calculating the distortion of the integration point of each of the plurality of elements is
The transformational plastic strain at the integration point of each of the plurality of elements is determined by the microstructure fraction determined according to at least one of the temperature and time changes, the stress at the integration point, and the transformation plastic strain anisotropic parameter. A heat treatment simulation method that includes a step of calculating using.
請求項2に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
前記各積分点における前記変態塑性歪は、前記組織分率及び前記応力を入力し、入力された前記組織分率及び前記応力に対する歪を出力する関数を用いて計算され、
前記関数は、変態塑性歪異方性パラメータを係数として含む、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to claim 2.
The transformation plastic strain at each integration point is calculated using a function that inputs the tissue fraction and the stress and outputs the input strain with respect to the tissue fraction and the stress.
The function is a heat treatment simulation method including a transformation plastic strain anisotropy parameter as a coefficient.
請求項3に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
前記関数は、前記変態塑性歪異方性パラメータによって、引張応力に対する歪と、前記引張応力と同じ大きさ圧縮応力に対する歪とが異なるよう設定可能な関数である、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to claim 3.
The heat treatment simulation method, wherein the function is a function that can be set so that the strain with respect to the tensile stress and the strain with respect to the compressive stress having the same magnitude as the tensile stress are different depending on the transformation plastic strain anisotropy parameter.
請求項4に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
以下の式を用いて前記変態塑性歪を求める。
Figure 2021156686
The heat treatment simulation method according to claim 4.
The transformation plastic strain is obtained using the following equation.
Figure 2021156686
請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
前記異方性パラメータは、前記部材の相変態による体積変化によって発生する変態歪の異方性を示す変態歪異方性パラメータを含み、
前記複数の要素の各々の積分点の歪を計算する工程は、
前記複数の要素の各々の積分点の変態歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と、前記変態歪異方性パラメータとを用いて計算する工程を含む、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to any one of claims 1 to 5.
The anisotropy parameter includes a transformation strain anisotropy parameter indicating the anisotropy of the transformation strain generated by the volume change due to the phase transformation of the member.
The step of calculating the distortion of the integration point of each of the plurality of elements is
The step of calculating the transformation strain at the integration point of each of the plurality of elements is calculated using the microstructure fraction determined according to at least one of the temperature and time changes and the transformation strain anisotropic parameter. Heat treatment simulation method.
請求項6に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
以下の式を用いて変態歪を求める。
Figure 2021156686
The heat treatment simulation method according to claim 6.
The transformation strain is calculated using the following equation.
Figure 2021156686
請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
単位体積におけるミクロ偏析の状態を複数の要素によって表したミクロ偏析モデルデータを用いて計算された相変態に起因する歪の異方性を示すデータに基づいて、前記異方性パラメータを生成する工程をさらに有する、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to any one of claims 1 to 7.
A step of generating the anisotropy parameter based on data showing the anisotropy of strain due to phase transformation calculated using microsegregation model data representing the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. Further, a heat treatment simulation method.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱処理シミュレーション方法であって、
前記複数の要素において、互いに異なる異方性パラメータが設定される、熱処理シミュレーション方法。
The heat treatment simulation method according to any one of claims 1 to 8.
A heat treatment simulation method in which different anisotropic parameters are set in the plurality of elements.
コンピュータを用いて、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行する熱処理シミュレーション装置であって、
解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む入力部と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定するパラメータ設定部と、
前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する温度計算部と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する歪計算部と、
計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する出力部とを備える、熱処理シミュレーション装置。
A heat treatment simulation device that uses a computer to simulate heat treatment involving phase transformation of members.
An input unit that reads model data that represents the member to be analyzed with multiple elements,
As a parameter used for calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements, a parameter setting unit for setting anisotropy parameters indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation, and a parameter setting unit.
A temperature calculation unit that calculates the temperature of each node of the plurality of elements,
A strain calculation unit that calculates the strain at the integration point of each of the plurality of elements using the tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time changes and the anisotropy parameter.
A heat treatment simulation apparatus including an output unit that outputs an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements.
コンピュータに、部材の相変態を伴う熱処理のシミュレーションを実行させるプログラムであって、
解析対象の部材を、複数の要素で表したモデルデータを読み込む処理と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪の計算に用いるパラメータとして、相変態に起因する歪の異方性を示す異方性パラメータを設定する処理と、
前記複数の要素の各々の節点の温度を計算する処理と、
前記複数の要素の各々の積分点の歪を、前記温度及び時間変化の少なくとも一方に応じて決定される組織分率と前記異方性パラメータとを用いて計算する処理と、
計算された前記複数の要素の温度及び歪に基づく解析結果を出力する処理と、をコンピュータに実行させる、プログラム。
A program that causes a computer to simulate a heat treatment involving phase transformation of a member.
Processing to read model data representing the member to be analyzed with multiple elements,
As a parameter used for calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements, a process of setting an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the strain caused by the phase transformation and
The process of calculating the temperature of each node of the plurality of elements, and
A process of calculating the strain of the integration point of each of the plurality of elements using the tissue fraction determined according to at least one of the temperature and the time change and the anisotropy parameter.
A program that causes a computer to execute a process of outputting an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements.
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