JP7343788B2 - Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program - Google Patents

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

Info

Publication number
JP7343788B2
JP7343788B2 JP2020055924A JP2020055924A JP7343788B2 JP 7343788 B2 JP7343788 B2 JP 7343788B2 JP 2020055924 A JP2020055924 A JP 2020055924A JP 2020055924 A JP2020055924 A JP 2020055924A JP 7343788 B2 JP7343788 B2 JP 7343788B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
strain
transformation
heat treatment
elements
anisotropy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020055924A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021156686A (en
Inventor
雄介 河原木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP2020055924A priority Critical patent/JP7343788B2/en
Publication of JP2021156686A publication Critical patent/JP2021156686A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7343788B2 publication Critical patent/JP7343788B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

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 using a computer to simulate heat treatment involving phase transformation of a member.

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 machinery that are repeatedly exposed to high stress are subjected to quenching treatment to improve their wear resistance and fatigue strength. However, when a member is hardened, thermal stress due to a temperature difference between the surface and inside of the member and transformation stress due to volume change accompanying phase transformation occur. As a result, distortion occurs in the member. In recent years, computer simulations have been used to predict the 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, JP2017-53807A (Patent Document 1) discloses a steel heat treatment simulation method. In this method, the temporal change in temperature at each node of the finite element model is calculated using the finite element method. Furthermore, 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. Thereby, it is possible to accurately estimate the strain and stress when a large steel forged product is heat treated.

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。 JP 2017-193777 A (Patent Document 2) describes in advance the heat treatment conditions of heating rate, heating temperature, and cooling rate, and the amount of dimensional change in the plate thickness direction, plate width direction, and plate length direction due to heat treatment. It is disclosed that the correlations between the two are determined by measurement, and the steel plate is heat-treated using these correlations. It is said that this correlation may be determined by numerical simulation.

特開2017-53807号公報JP2017-53807A 特開2017-193777号公報Japanese Patent Application Publication No. 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 general heat treatment simulations, components are treated as a continuous body of homogeneous material. However, actual materials have microscopic structures such as crystal grains. For example, the imbalance of chemical components in steel materials that occurs during casting results in micro-segregation. The presence of microsegregation in steel members increases the amount of deformation during quenching. With conventional heat treatment simulations, it is difficult to analyze macroscopic deformation and residual stress that take microscopic segregation into account. As a result, it has not been possible to analyze the effects of microsegregation on deformation and residual stress caused by heat treatment of components.

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 discovered that microsegregation in a member has a relatively large effect on the strain generated due to phase transformation of the member during heat treatment. We then investigated a method for analyzing strain caused by phase transformation, taking into account microsegregation.

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 that can accurately analyze behavior involving phase transformation due to heat treatment of a member in which microsegregation exists.

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。 A heat treatment simulation method according to an embodiment of the present invention is a method of using a computer to perform a simulation of heat treatment accompanied by phase transformation of a member. The heat treatment simulation method described above involves the process of reading model data representing the member to be analyzed using multiple elements, and using the strain caused by phase transformation as a parameter used to calculate the strain at the integration point of each of the multiple elements. a step of setting an anisotropy parameter indicating anisotropy, a step of calculating the temperature at the node of each of the plurality of elements, and a step of calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements based on the temperature and time change. The method includes a step of calculating using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of the two, 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 micro-segregation exists, which is accompanied by 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 a heat treatment simulation apparatus in this 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 example of the operation 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 illustrating an example of processing by the anisotropic parameter generation unit illustrated 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 representative volume elements for reproducing micro-segregation in an example 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 example. 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 micro-segregation applied to representative volume elements 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 chemical components of micro-segregation in 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 the transformation 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 results 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 strains in the x-, y-, and z-directions when no stress is applied to an isotropic macro model and a representative volume element that reproduces micro-segregation. 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 analytical model of the member of the example. 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 example. 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 example.

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 focused on the fact that microsegregation in a member affects the strain that occurs due to phase transformation of the member during heat treatment, and developed heat treatment accompanied by phase transformation of a member in which microsegregation exists. We considered simulation. In such a heat treatment simulation, in addition to normal thermo-elasto-plastic analysis that analyzes temperature and displacement, changes in tissue fraction due to phase transformation and strain caused by 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。 Strains caused by phase transformation include transformation strain and transformation plastic strain. Transformation strain is strain that occurs due to volume change due to phase transformation. Transformation plastic strain is inelastic strain that occurs in proportion to stress (eg, deviatoric stress) when stress is applied during phase transformation. Transformation plastic strain occurs even below the yield stress. The transformation plastic strain can be calculated using the following equation (1), for example.

Figure 0007343788000001
Figure 0007343788000001

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 alloy components is distributed due to segregation in the steel material, the timing of phase transformation changes depending on the region, and internal stress is generated due to the volume difference between the segregated part and the non-segregated part. When microsegregation is unevenly distributed in a specific direction, the stress distribution changes depending on the direction, resulting in anisotropic deformation. The inventors have discovered that anisotropic deformation caused by segregation can be calculated by considering anisotropy in strain caused by transformation. It was found that this allows calculation of the amount of deformation during quenching of a member with micro-segregation.

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 micro-segregation, it is thought that it has little effect on yield behavior, so anisotropy is rarely taken into account when calculating plastic strain. There wasn't. Similarly, in heat treatment simulations that take phase transformation into consideration, an isotropic constitutive equation is used for transformation plastic strain without taking into account anisotropy. That is, in the general finite element method, a member is treated as a continuum of homogeneous materials, and therefore microscopic structures within the member, such as crystal grains and microsegregation, cannot be taken into account. In conventional analysis, when multiple structures exist, they are treated as a uniform structure with 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 take into account the effects of microsegregation, it is possible to create a small model that reproduces the microscopic structure and analyze how it behaves during phase transformation. In this way, when reproducing a microscopic structure using a plurality of elements, it becomes necessary to divide a region on the order of several tens of micrometers into a sufficient number of elements, for example. Therefore, when evaluating deformation such as bending by simulating heat treatment on the scale of a real part using a model that reproduces the microscopic structure with multiple tiny elements, the number of elements becomes enormous, making practical analysis difficult. 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 investigated a method of performing heat treatment analysis that takes into account the influence of the microscopic structure of microsegregation without subdividing the elements. As a result of the study, an anisotropy parameter indicating the anisotropy of strain due to phase transformation was set at the integration point of each element, and the change in the tissue fraction due to temperature change or time change and this anisotropy parameter were set. We found that by calculating the distortion at the integration point of each element using Based on this knowledge, the inventors came up with the following embodiment.

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。 A heat treatment simulation method according to an embodiment of the present invention is a method of using a computer to perform a simulation of heat treatment accompanied by phase transformation of a member. The heat treatment simulation method described above involves the process of reading model data representing the member to be analyzed using multiple elements, and using the strain caused by phase transformation as a parameter used to calculate the strain at the integration point of each of the multiple elements. a step of setting an anisotropy parameter indicating anisotropy, a step of calculating the temperature at the node of each of the plurality of elements, and a step of calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements based on the temperature and time change. The method includes a step of calculating using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of the two, 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 strain due to phase transformation is set at the integration point of each element, and the texture fraction is determined according to at least one of the calculated temperature and time changes. , the distortion at the integration point of each element is calculated using this anisotropy parameter. Here, the inventor has discovered that the influence on strain due to the microscopic structure due to microsegregation within the element can be reflected in the anisotropy parameter. Therefore, strain due to phase transformation is calculated taking into account microsegregation. As a result, it is possible to accurately analyze the behavior associated with phase transformation due to heat treatment of a member in which microsegregation exists.

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。 This embodiment relates to a simulation of heat treatment involving phase transformation of a member using a computer. In a simulation, in order to calculate the strain caused by phase transformation taking into account the micro-segregation of a member, it is conceivable to use finely divided elements to express the microscopic structure of the micro-segregation, for example. In this case, the number of elements increases and the amount of computer calculation also increases. The inventors believe that by introducing an anisotropic parameter into the calculation of strain caused by phase transformation as in the above method, it is possible to conduct an analysis that takes into account the effects of microsegregation without using detailed elements that represent microsegregation. I found out that it is possible. According to the above method, it is possible to simulate heat treatment accompanied by 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 heat treatment accompanied by phase transformation, it is possible to improve the processing efficiency of a computer with respect to analysis accuracy.

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 indicating characteristics of phase transformation of the member. The transformation characteristics are expressed by changes in structure due to temperature and time, such as a Time-Temperature-Transformation (TTT) curve or a Continuous-Cooling-Transformation (CCT) curve. The transformation characteristic data representing the phase transformation characteristics of the member may be, for example, data representing the relationship between at least one of temperature and time changes and changes in structure. The transformation property data can be used to determine a tissue fraction in response to a calculated temperature and/or time change.

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 described above, information regarding the behavior of the member accompanied by phase transformation during heat treatment is output as an analysis result. 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 anisotropy of transformation plastic strain that occurs in proportion to stress when stress is applied during phase transformation of the member. The heat treatment simulation method may further include the step of calculating stress at an integration point of each of the plurality of elements. The step of calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements calculates the transformation plastic strain at the integration point of each of the plurality of elements with the tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change. , the method may include the step of calculating using the stress at the integration point and the transformation plastic strain anisotropy parameter.

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 transformation plastic strain accounts for a large proportion of the strain caused by phase transformation and is susceptible to the influence of micro-segregation. As mentioned above, the transformation plastic strain anisotropy parameter is set at the integration point of each element, and the structure fraction according 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 transformation plastic strain at the integration point of each element using the anisotropy parameter, it is possible to more accurately analyze the behavior of a member in which microsegregation exists due to heat treatment.

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 a strain corresponding to the input tissue fraction and stress. The function may include a transformation 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 change. The stress input to the function is the stress at each of the calculated integration points. Thereby, the transformation plastic strain at each integration point can be calculated with high accuracy while taking into account the influence of micro-segregation.

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 a strain for a tensile stress is different from a strain for a compressive stress having the same magnitude as the tensile stress, depending on the transformation plastic strain anisotropy parameter. Thereby, the asymmetry of strain with respect to tensile stress and compressive stress can be expressed as a function. The inventors have observed an asymmetry in transformation plastic strain with respect to tensile stress and strain with respect to compressive stress. By using a function that can reproduce the asymmetry of tension and compression, it is possible to more accurately analyze the behavior of members that undergo phase transformation due to heat treatment.

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 formula.

Figure 0007343788000002
Figure 0007343788000002

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 anisotropy of transformation strain caused by volume change due to phase transformation of the member. The step of calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements includes: calculating the transformation strain at the integration point of each of the plurality of elements with a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change; The method may also include a step of calculating using the transformation strain anisotropy parameter. Thereby, the transformation strain caused by the volume change due to the phase transformation of the member can be calculated taking into account the influence of micro-segregation. As a result, the behavior of a member in which micro-segregation exists due to heat treatment can be analyzed with higher accuracy.

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 formula.

Figure 0007343788000003
Figure 0007343788000003

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 calculates the anisotropy based on data indicating the anisotropy of strain caused by phase transformation, which is calculated using microsegregation model data that represents the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. The method may further include the step of generating a gender parameter. This provides an anisotropy parameter that reflects the influence on strain caused by phase transformation due to microsegregation within the elements of the model data.

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 anisotropy parameters may be set for the plurality of elements. Thereby, for example, when the state of micro-segregation differs depending on the part of the member to be analyzed, the influence of these micro-segregations can be reflected in the anisotropy parameter. As a result, 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。 Embodiments of the present invention also include a heat treatment simulation apparatus that uses a computer to simulate heat treatment involving phase transformation of a member. The heat treatment simulation device includes an input unit that reads model data representing a member to be analyzed using a plurality of elements, and a strain caused by phase transformation using strain at an integration point of each of the plurality of elements as a parameter for calculation. a parameter setting unit that sets an anisotropy parameter indicating the anisotropy of the plurality of elements; a temperature calculation unit that calculates the temperature of the node of each of the plurality of elements; and a temperature calculation unit that calculates the temperature of the node of each of the plurality of elements; a strain calculation unit that calculates using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of temperature and time change; and outputs an analysis result based on the calculated temperature and strain of the plurality of elements. and an output section. The strain calculation unit may be configured to calculate displacements of nodes in each of the plurality of elements and distortions of integration points.

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。 Embodiments of the present invention also include programs that cause a computer to execute a simulation of heat treatment involving phase transformation of a member. The program includes the process of reading model data representing the member to be analyzed using multiple elements, and the anisotropy of strain caused by phase transformation as a parameter used to calculate the strain at the integration point of each of the multiple elements. a process of setting an anisotropy parameter indicating the temperature, a process of calculating a temperature at a node of each of the plurality of elements, and a process of calculating a strain at an integration point of each of the plurality of elements, at least one of the temperature and time change. causing a computer to perform a process of calculating using the tissue fraction determined according to the anisotropy 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. Identical or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and their description will not be repeated. The dimensional ratios between the constituent members shown in each figure do not necessarily represent the actual dimensional ratios.

[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 a heat treatment simulation apparatus in this embodiment. A heat treatment simulation apparatus 1 shown in FIG. 1 is an apparatus that uses a computer to perform a simulation of heat treatment of a member that involves phase transformation. The heat treatment simulation apparatus 1 includes an input section 11 , a parameter setting section 12 , a temperature calculation section 13 , a strain calculation section 14 , and an output section 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 apparatus 1 can be configured by a computer having a processor and a memory. The functions of the input section 11, parameter setting section 12, temperature calculation section 13, strain calculation section 14, output section 15, and anisotropy parameter generation section 16 can be realized by the processor executing the program stored in the memory. . Such programs and non-transitory recording media on which the programs are recorded are also included in the embodiments of the present invention. Note that 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 representing a member to be analyzed using a plurality of elements. The input unit 11 renders the model data accessible to the processor of the heat treatment simulation apparatus 1 by expanding the model data into the memory. The input unit 11 may accept input of model data from a user, or may read model data from another storage medium. The model data elements are, for example, mesh data elements used in the finite element method. Each element is represented by a node. The element is provided with at least one integration point. In a simulation using the finite element method, for example, displacement and temperature at a node, and stress and strain at an 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。 In this way, the model data includes data on a plurality of elements indicating the shape of the member to be analyzed, that is, data indicating the positions of nodes and integration points. Further, the model data may include data indicating 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 anisotropy of strain due to phase transformation as a parameter used to calculate strain at an integration point of each of a plurality of elements of model data. The parameter setting unit 12 sets anisotropy parameters based on user input or prerecorded data. Alternatively, the input unit 11 may read model data in which anisotropy parameters are set at each integration point. In this case, the parameter setting section 12 becomes a part of the input section 11. The anisotropy parameter can be, for example, a coefficient of a function that calculates strain due to phase transformation at each integration point. As a specific example, an anisotropy parameter can be set as a coefficient included in a tensor element included in a function that calculates strain due to phase transformation at 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 values indicating material properties of the member. The tissue fraction of each phase (each structure) of the member is determined according to the calculated temperature. This calculates the phase transformation. Note that phase transformation can also occur when time changes without temperature change. Therefore, the tissue fraction may be determined in response to changes in time rather than temperature. Here, the time change is a change in time in the simulation. The temperature calculation unit 13 can calculate the temperature at each time in the time series, for example. 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. Additionally, tissue fraction may be determined based on both temperature and time changes.

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 anisotropy parameter determined according to at least one of temperature and time change. The strain calculation unit 14 can calculate at least one of transformation plasticity and transformation strain at each integration point. Transformation plastic strain changes depending on stress. Therefore, the transformation plastic strain can be calculated using the stress calculated at each integration point. Since the transformation strain is a strain that occurs due to a volume change due to phase transformation, it can be calculated using, for example, a value indicating a volume change due to 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。 Note that the strain calculation unit 14 may calculate strain that is not caused by phase transformation. Examples of strains not caused by phase transformation include elastic strain, plastic strain, and thermal strain. For example, the strain calculation unit 14 may be configured to calculate transformation strain and transformation plastic strain, which are strains associated with phase transformation, in addition to elastic strain, plastic strain, and thermal strain. For calculation of elastic strain, plastic strain, and thermal strain, a known calculation method of thermoelastic-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 phase transformation at each integration point as different values in a plurality of directions. That is, it is possible to calculate anisotropic strain at each integration point. The anisotropy parameter is a parameter that indicates strain behavior that differs depending on the direction. For example, different distortion values may be calculated for multiple directions at each integration point. Furthermore, at each integration point, the strain calculation unit 14 can calculate the transformation plastic strain with respect to compressive stress and the transformation plastic strain with respect to tensile stress, respectively, using different anisotropy parameters. As a result, at the integration point, even in the same direction, the strain for compressive stress and the strain for tensile stress of the same magnitude may be calculated as different values. In this way, the strain calculation unit 14 can calculate strain caused by phase transformation that reflects 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 the strain calculation unit 14 calculates both the transformation plastic strain and the transformation strain at one integration point, for example, the strain calculation unit 14 may calculate the sum of these values as the strain resulting from the phase transformation at the integration point. In this case, strain due to phase transformation can be calculated in multiple directions at one integration point. That is, strain having anisotropy can be calculated at one integration point.

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, by combining the temperature calculation of each node by the temperature calculation unit 13 and the calculation of strain due to phase transformation of each integration point by the strain calculation unit 14, Stress can be calculated. Thereby, in addition to thermo-elastic-plastic analysis that calculates displacement with respect to temperature changes, it is possible to perform analysis of changes in tissue fraction due to phase transformation and strain and stress caused by phase transformation.

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 analysis results based on the calculated temperatures and strains of the plurality of elements. The analysis results are not particularly limited as long as they are based on the temperatures and strains of multiple elements. Examples of analysis results include the distribution of at least one of temperature and strain in the member, or changes in the distribution over time. In addition to temperature and strain, for example, deformation of the member, stress, tissue distribution, or tissue fraction may be output as the analysis result. The form of output is not particularly limited. Examples of output formats include displaying the analysis results on a display, transmitting the analysis results to a designated location via a network, or saving the analysis results at a designated location.

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 apparatus 1 includes an anisotropic parameter generation section 16. The anisotropic parameter generating section 16 generates the anisotropic parameter set by the parameter setting section 12. The anisotropy parameter generation unit 16 can generate an anisotropy parameter based on data indicating anisotropy of strain caused by phase transformation, which is calculated using microsegregation model data. Micro-segregation model data is data that expresses the state of micro-segregation in a unit volume using a plurality of elements. Note that the anisotropic parameter generation unit 16 may be provided in a computer outside the heat treatment simulation apparatus 1. A specific example 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。
[Example of calculation of transformation plastic strain]
In 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 transformation plastic strain that occurs in proportion to stress when stress is applied during phase transformation of a member. The transformation plastic strain anisotropy parameter is set at each integration point by the parameter setting unit 12. The strain calculation unit 14 calculates the transformation plastic strain at each integration point by calculating the structure fraction determined 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 difference. Calculate using the orientation parameter. The transformation plastic strain at each integration point can be calculated using a function. The function may be, for example, a function that inputs tissue fraction and stress and outputs transformation plastic strain. Here, the tissue fraction is determined according to at least one of temperature and time change. The function may include the transformation plastic strain anisotropy parameter as a coefficient. The transformation plastic strain anisotropy parameter may be, for example, a coefficient included in an element of a 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 transformation plastic strain using the transformation plastic strain anisotropy parameter at each integration point will be explained.

Figure 0007343788000004
Figure 0007343788000004

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 take anisotropy into account instead of the isotropic Mises yield function shown in the above formula (A1), the transformation plastic strain can be calculated taking anisotropy into consideration. Examples of functions that take anisotropy into consideration include Hill's anisotropy function and other equations. A function adapted to the microscopic structure of the material can be used as a function that can take into account the above-mentioned anisotropy. An asymmetry in tension and compression has been experimentally observed in transformation plastic strain. Therefore, it is preferable to use a function that can simultaneously reproduce tension and compression asymmetries as a function that can take anisotropy into consideration. For example, the following equation consisting of the first, second, and third invariants of the linearly transformed stress can be used as a reproducible function of the tension and compression asymmetry. Regarding the following formulas, the descriptions of the following documents are incorporated by reference.
JW Yoon, Y. Lou, J. Yoon, MV Glazoff, Int. J. Plasticity, 56 (2014) 184-202.

Figure 0007343788000005
Figure 0007343788000005

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 that takes into account anisotropy that can represent other tension-compression asymmetries. Regarding the following formulas, the descriptions of the following documents are incorporated by reference.
O. Cazacu, B. Plunkett, F. Barlat, Int. J. Plasticity, 22 (2006) 1171-1194.

Figure 0007343788000006
Figure 0007343788000006

[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。
[Example of calculation of transformation strain]
The transformation strain anisotropy parameter is used in the calculation of the transformation strain by the strain calculation unit 14. The transformation strain anisotropy parameter is a parameter indicating the anisotropy of transformation strain caused by volume change due to phase transformation of a member. The transformation strain anisotropy parameter is set at each integration point by the parameter setting section 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 a transformation strain. Here, the value indicating the density change due to 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 an element of a 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 to calculate the transformation strain at each integration point. Equation (13) below is based on the knowledge that transformation strain can be calculated from volume changes before and after phase transformation.

Figure 0007343788000007
Figure 0007343788000007

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。 Note that the function for calculating the transformation plastic strain and the expression used for the function for calculating the transformation strain are not limited to the above example.

[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 example of the operation of the heat treatment simulation apparatus shown in FIG. In the example shown in FIG. 2, first, the input unit 11 reads model data (S1). Model data is data that represents a member to be analyzed using a plurality of elements. The parameter setting unit 12 sets an anisotropy parameter as a parameter used to calculate the distortion of each integration point of a 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). Further, a value indicating a tissue fraction may be calculated according to at least one of the temperature and time change. The temperature and tissue fraction can be calculated using the material properties of the member included in the model data. The calculation in S3 can be a heat transfer analysis that calculates a 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 the node of each 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 the tissue fraction and anisotropy parameter determined according to at least one of temperature and time change. In S4, as an example, the transformation plastic strain and transformation strain at each integration point are calculated. The transformation plastic strain is calculated using the texture fraction, the stress at the integration point, and the transformation plastic strain anisotropy parameter. The transformation strain is calculated using the tissue fraction and the transformation strain anisotropy parameter. At each integration point, the sum of the transformation plastic strain and the transformation strain is calculated as the strain resulting from 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 analysis results based on the temperature and strain calculated in S3 and S4 (S5). For example, the output unit 15 can generate and output an image in which at least one of the temperature distribution, stress distribution, displacement distribution, and strain distribution of the member can be visually recognized.

[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 illustrating 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 micro-segregation model is acquired (S11). The micro-segregation model is data representing the state of micro-segregation in a unit volume using a plurality of elements. The unit volume of the micro-segregation model may be any size that can express the periodic structure of micro-segregation.

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 micro-segregation model, a model is created in which a plurality of minute hexahedral elements each having a distribution of chemical components simulating the shape of micro-segregation are assembled to constitute a representative volume element of a unit volume. The distribution of chemical components represented by minute elements in a representative volume element can be determined, for example, by observing micro-segregation of an actual member and finding 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 are such that the periodic symmetry of microsegregation can be reproduced. The representative volume elements are divided into a number of elements that can sufficiently reproduce the chemical component 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 uniform chemical components having the same dimensions as the representative volume element is obtained. The homogeneous model can be an isotropic model made up 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, a heat treatment analysis (heat treatment simulation) is performed on the micro-segregation model generated in S11 and the uniform model generated in S12 under the condition that no stress is applied, and transformation strain is calculated. The heat treatment analysis in S13 is performed under typical heat treatment conditions using isotropic transformation plastic strain. The transformation strain can be calculated from the difference in the amount of deformation between the start of transformation and the end of transformation. The transformation strain in the micro-segregation model and the transformation strain in the homogeneous 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, a transformation strain anisotropy parameter is generated based on the relative value of the transformation strain of the homogeneous model with respect to the transformation strain of the micro-segregation model. In the analysis using representative volume elements of the micro-segregation model, anisotropy appears in the transformation strain depending on the segregation shape. That is, in the micro-segregation model, different transformation strains are calculated in multiple directions. In contrast, in the uniform model, the same transformation strain is calculated in multiple directions. For example, the ratio of the transformation strain in each direction of the uniform model to the transformation strain in the corresponding direction in the representative volume element is determined 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, a heat treatment analysis is performed on the micro-segregation model under the condition that stress is applied in a plurality of directions, and 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) in a specific direction to a representative volume element of a micro-segregation model. The amount of deformation upon completion of the transformation is determined, 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, which was performed in S14. By performing this in multiple directions including the shear direction, the transformation plastic strain in each direction can be calculated. In addition, if the asymmetry of tension and compression is also considered, calculations are made for the case of compressive stress loading in addition to tension. Furthermore, an analysis may be performed in which multiaxial stress is applied in addition to uniaxial or pure shear stress.

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 anisotropic model using the transformation plastic strain anisotropy parameter is generated. The anisotropic model is a model in which transformation plastic strain having anisotropy with respect to stress in a plurality of directions is defined using a transformation plastic strain anisotropy parameter with respect to a homogeneous model. This anisotropic model is a model that defines the characteristics of transformation plastic strain in consideration of anisotropy compared to the homogeneous 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 to the anisotropic model in the plurality of directions described above is calculated. In S17, heat treatment analysis is performed under the same stress load conditions as in S15, and transformation plastic strain is calculated. In the case of a constant stress load on a uniform simple shape model, it is possible to determine 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 determined by theoretical calculation without performing 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 transformation plastic strain based on the anisotropic model calculated in S17 is compared with the transformation plastic strain based on the micro-segregation model calculated in S15, and evaluated. If the evaluation result satisfies the predetermined condition (YES in S19), the transformation plastic strain anisotropy parameter set in the anisotropic model is determined as the optimum value. If the evaluation result does not satisfy the predetermined condition, the transformation plastic strain parameter of the anisotropic model is updated (S20), and the processes of S16 to S18 are repeated. The processes of S16 to S20 are 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, for the transformation plastic strain during stress loading in each direction of the anisotropic model calculated in S17, the transformation plastic strain during stress loading in the corresponding direction of the micro-segregation model calculated in S15. It is possible to perform a process of calculating the sum of squares of errors with respect to strain and determining the transformation plastic anisotropy parameter so that the sum of squares of the errors 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。 If the segregation state is different for each part of the member, the processes of S11 to S20 can be performed for each part of the member. This makes it possible to generate transformation plastic strain anisotropy parameters that reflect the respective segregation states at each site. As a result, different anisotropy parameters can be set for elements in portions whose deformation states are different from each other. In this way, by providing a distribution to the anisotropy parameters in multiple 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。 Note that the anisotropic parameter generation process is not limited to the example shown in FIG. 3. For example, in FIG. 3, the transformation plastic strain anisotropy parameter generation process in S15 to S20 may be performed before the transformation strain anisotropy parameter generation process in S13 to S14. In addition, in the example shown in Figure 3, the anisotropy of strain in micro-segregation is calculated by simulation using representative volume elements, but instead of simulation, the anisotropy of strain in micro-segregation is calculated by experiment. May be measured. In this case, the anisotropy parameter can be determined by comparing the strain anisotropy obtained through measurement and the strain anisotropy calculated using the anisotropic 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 anisotropy parameter)
In this example, a homogenization method using representative volume elements was used to express micro segregation with macro material properties. A representative volume element is the smallest repeating unit in a material with a periodic microstructure. A representative volume element is a model of a periodically repeated microstructure. By conducting numerical material tests on this representative volume element and using the obtained material properties as macroscopic material responses, we found that it is possible to replace materials with microscopic repeating structures with macroscopic homogeneous materials.

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 representative volume elements that reproduce micro-segregation in this example. 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 components. In a macro model, the entire model is of uniform chemical composition. By using a constitutive law that takes into account anisotropy in transformation plasticity for the macro model, we were able to output results equivalent to analyzes using representative volume elements. Each side of the hexahedron was equally divided into representative volume elements, and each element was configured to include a plurality of elements. The macro model was composed of one hexahedral element. Hexahedral linear elements were used for the elements. A boundary condition was given in which the displacements from the reference node are the same at the nodes on the plane of periodic symmetry. The chemical composition of the representative volume element and macro model used in this example was the chemical composition of chrome-molybdenum steel. Mechanical properties such as Young's modulus and stress-strain diagram were calculated using actually measured data, while thermal properties and transformation properties were calculated using prediction formulas based on chemical components. The heat treatment conditions were all austenite and held at a constant temperature of 500°C for 1000 s. Transformation plastic strain was determined by applying a constant stress in a specific direction during the phase transformation of these models and determining the strain in each direction upon completion of the analysis.

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 micro-segregation applied to the representative volume element in this example. The segregated portion had a cylindrical shape with the axial direction in the z direction. Microsegregation was directly reproduced using the microstructural observation results obtained in the past. FIG. 7 shows the distribution of chemical components of micro-segregation in this example. The concentration distribution of segregation was approximated by a quadratic function so that the concentration was highest in the center. In the representative volume element, the timing of phase transformation and expansion caused by phase transformation differs because the chemical components differ depending on the region. This generates internal stress and strain, and anisotropic strain depending on 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 to the representative volume element and the macro model (uniform model) in the x direction or the z direction during isothermal maintenance. The transformation plastic strain constitutive equation used and the average deviatoric stress loaded on the model are the same, but by reproducing the distribution of chemical components that simulates micro-segregation inside the model, the transformation plastic strain changes greatly depending on the direction. It was confirmed that asymmetry also appeared in tension and compression. In order to express the deformation behavior during stress loading due to micro-segregation using only macroscopic constitutive laws, it is impossible to use Mises' equivalent stress, and it is considered necessary to use a formula that takes anisotropy into consideration.

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 a graph in which stress is applied to the A comparison between the transformation plastic strain in each direction when a load of 10 MPa is applied and the results of a representative volume element is shown. We were able to confirm that the anisotropic transformation plastic behavior due to micro-segregation, which was reproduced by giving a distribution to the chemical components, can be reproduced using an anisotropic macro model that applies transformation plasticity that takes anisotropy into consideration.

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 to the transformation strain in addition to the transformation plastic strain. FIG. 10 shows the strains in the x, y, and z directions when no stress is applied to an isotropic macro model and a representative volume element that reproduces microsegregation. In the macro model, an isotropic transformation strain was obtained. It was confirmed that there is anisotropy in transformation strain due to micro-segregation 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 calculating the transformation strain, the anisotropy of the 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 parameter 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)
A quenching analysis (heat treatment simulation) was performed using the above anisotropic parameters. The target member was a hollow round bar. FIG. 11 shows a three-dimensional analytical model of the member of this example. Due to the symmetry of the members, the shape was set to 1/4. FIG. 12 shows the heat transfer coefficient of the quenching oil (hot oil) used in this example. The parts were placed in the oil so that the center axis of the model was parallel to the oil level. In order to reproduce the difference in cooling rate depending on the region, the model surface was divided into regions above and below the center of the model, and the heat transfer coefficient of the lower region 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 that gave anisotropy to the transformation plastic strain and took microsegregation into consideration was approximately 30% larger than the amount of deformation obtained by normal quenching analysis. We were able to reproduce the actual phenomenon in which quenching deformation increases due to microsegregation through 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 section 12 Parameter setting section 13 Temperature calculation section 14 Strain calculation section 15 Output section 16 Anisotropy parameter generation section

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 for performing a heat treatment simulation involving phase transformation of a member using a computer, the method comprising:
A process of loading model data that represents the member to be analyzed using multiple elements,
setting an anisotropy parameter indicating anisotropy of strain due to phase transformation as a parameter used to calculate strain at an integration point of each of the plurality of elements;
calculating a temperature at a node of each of the plurality of elements;
calculating the strain at the integration point of each of the plurality of elements using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change;
A heat treatment simulation method comprising: outputting an analysis result based on the calculated temperatures and strains 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 anisotropy of transformation plastic strain that occurs in proportion to stress when stress is applied during phase transformation of the member,
The heat treatment simulation method further includes the step of calculating stress at an integration point of each of the plurality of elements,
The step of calculating the distortion at the integration point of each of the plurality of elements includes:
The transformation plastic strain at the integration point of each of the plurality of elements is determined by the texture fraction determined according to at least one of the temperature and time change, the stress at the integration point, and the transformation plastic strain anisotropy parameter. A heat treatment simulation method that includes a process 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 strain for the input tissue fraction and the stress,
The heat treatment simulation method, wherein the function includes 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 a strain for a tensile stress is different from a strain for a compressive stress having the same magnitude as the tensile stress, 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 0007343788000008
The heat treatment simulation method according to claim 4,
The transformation plastic strain is determined using the following formula.
Figure 0007343788000008
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 anisotropy of transformation strain caused by a volume change due to phase transformation of the member,
The step of calculating the distortion at the integration point of each of the plurality of elements includes:
a step of calculating a transformation strain at an integration point of each of the plurality of elements using a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change and the transformation strain anisotropy 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 0007343788000009
The heat treatment simulation method according to claim 6,
Determine the transformation strain using the following formula.
Figure 0007343788000009
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 indicating anisotropy of strain caused by phase transformation calculated using microsegregation model data that represents the state of microsegregation in a unit volume by a plurality of elements. A heat treatment simulation method further comprising:
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, wherein different anisotropy parameters are set for 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 a member,
an input section that reads model data representing the member to be analyzed using multiple elements;
a parameter setting unit that sets an anisotropy parameter indicating anisotropy of strain due to phase transformation as a parameter used to calculate strain at an integration point of each of the plurality of elements;
a temperature calculation unit that calculates the temperature of each node of the plurality of elements;
a strain calculation unit that calculates strain at an integration point of each of the plurality of elements using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change;
A heat treatment simulation apparatus, comprising: an output section that outputs an analysis result based on the calculated temperatures and strains 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 execute a simulation of heat treatment involving phase transformation of a member,
The process of loading model data that represents the member to be analyzed using multiple elements,
a process of setting an anisotropy parameter indicating anisotropy of strain caused by phase transformation as a parameter used to calculate strain at an integration point of each of the plurality of elements;
a process of calculating the temperature of each node of the plurality of elements;
a process of calculating a strain at an integration point of each of the plurality of elements using the anisotropy parameter and a tissue fraction determined according to at least one of the temperature and time change;
A program that causes a computer to execute a process of outputting an analysis result based on the calculated temperatures and strains of the plurality of elements.
JP2020055924A 2020-03-26 2020-03-26 Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program Active JP7343788B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020055924A JP7343788B2 (en) 2020-03-26 2020-03-26 Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020055924A JP7343788B2 (en) 2020-03-26 2020-03-26 Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021156686A JP2021156686A (en) 2021-10-07
JP7343788B2 true JP7343788B2 (en) 2023-09-13

Family

ID=77917982

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020055924A Active JP7343788B2 (en) 2020-03-26 2020-03-26 Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7343788B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7472867B2 (en) 2021-07-08 2024-04-23 Jfeスチール株式会社 Method for determining heat treatment conditions for steel, method for manufacturing steel, information processing device, and program for determining heat treatment conditions for steel

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070289679A1 (en) 2004-09-30 2007-12-20 Posco High Strength Cold Rolled Steel Sheet Having Excellent Shape Freezability, and Method for Manufacturing the Same
JP2015172229A (en) 2014-03-12 2015-10-01 新日鐵住金株式会社 Method of producing stepped annular member
JP2016183361A (en) 2015-03-25 2016-10-20 新日鐵住金株式会社 Carburization hardening control device and carburization hardening method
JP2017053807A (en) 2015-09-11 2017-03-16 株式会社日本製鋼所 Heat treatment simulation method of steel and heat treatment simulation program of steel
JP2017193777A (en) 2016-04-15 2017-10-26 新日鐵住金株式会社 Method for producing steel sheet and heat treatment equipment

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070289679A1 (en) 2004-09-30 2007-12-20 Posco High Strength Cold Rolled Steel Sheet Having Excellent Shape Freezability, and Method for Manufacturing the Same
JP2015172229A (en) 2014-03-12 2015-10-01 新日鐵住金株式会社 Method of producing stepped annular member
JP2016183361A (en) 2015-03-25 2016-10-20 新日鐵住金株式会社 Carburization hardening control device and carburization hardening method
JP2017053807A (en) 2015-09-11 2017-03-16 株式会社日本製鋼所 Heat treatment simulation method of steel and heat treatment simulation program of steel
JP2017193777A (en) 2016-04-15 2017-10-26 新日鐵住金株式会社 Method for producing steel sheet and heat treatment equipment

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021156686A (en) 2021-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lou et al. Strength modeling of sheet metals from shear to plane strain tension
Brünig et al. Micro-mechanical studies on the effect of the stress triaxiality and the Lode parameter on ductile damage
Lee et al. Analysis of uniaxial ratcheting behavior and cyclic mean stress relaxation of a duplex stainless steel
Chen et al. On the Ohno–Wang kinematic hardening rules for multiaxial ratcheting modeling of medium carbon steel
Xing et al. Cyclic deformation of 316L stainless steel and constitutive modeling under non-proportional variable loading path
Zang et al. A model of one-surface cyclic plasticity and its application to springback prediction
Szmytka et al. New flow rules in elasto-viscoplastic constitutive models for spheroidal graphite cast-iron
Gillner et al. Numerically predicted high cycle fatigue properties through representative volume elements of the microstructure
Feng et al. A comparative study between elasto-plastic self-consistent crystal plasticity and anisotropic yield function with distortional hardening formulations for sheet metal forming
Fleury et al. The effect of surface damage and residual stresses on the fatigue life of nickel superalloys at high temperature
Fu et al. A method for the simultaneous identification of anisotropic yield and hardening constitutive parameters for sheet metal forming
Dou et al. A generalized plasticity model incorporating stress state, strain rate and temperature effects
Lucarini et al. An upscaling approach for micromechanics based fatigue: from RVEs to specimens and component life prediction
Yang et al. Flow behavior and processing maps of a low-carbon steel during hot deformation
Ohno et al. Thermo-mechanical cyclic hardening behavior of 304 stainless steel at large temperature ranges: Experiments and simulations
Zhu et al. A nonlocal triaxiality and shear dependent continuum damage model for finite strain elastoplasticity
Voyiadjis et al. Effects of stress invariants and reverse loading on ductile fracture initiation
JP7343788B2 (en) Heat treatment simulation method, heat treatment simulation device, and program
Eghtesad et al. Modeling cyclic plasticity of additively manufactured alloy Mar-M-509 using a high-performance spectral-based micromechanical model
Baktheer et al. Phase field cohesive zone modeling for fatigue crack propagation in quasi-brittle materials
Fincato et al. An overstress elasto-viscoplasticity model for high/low cyclic strain rates loading conditions: Part II–Numerical analyses
Diot et al. Two-step procedure for identification of metal behavior from dynamic compression tests
US8190402B2 (en) Method of modeling flexural characteristics of a bar subjected to local heating
Brommesson et al. Correlation between crack length and load drop for low-cycle fatigue crack growth in Ti-6242
Groen et al. Product shape change by internal stresses

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221104

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230728

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230801

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230814

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7343788

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151