22MnB5 çelik sacların sıcak şekillendirilmesinin sonlu elemanlar analizi
Finite element analysis of hot stamping 22MnB5 steel sheets
Yazar: EMRE KURUMAHMUT
Danışman: DOÇ. DR. HAYDAR LİVATYALI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Isıl işlem = Heat treatment ; Modelleme = Modelling ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Otomotiv endüstrisinde araç ağırlığını düşürme ve çarpma-kaza emniyetini iyileştirme üzerine yapılan yoğun çalışmalar ultra yüksek dayanımlı çelik parçalara olan talebi şiddetle yükseltmektedir. Sıcak sac şekillendirme, karmaşık geometrili ve ultra yüksek dayanım gerektiren otomobil parçalarının üretilebildiği en başarılı imalat teknolojilerinden birisidir. Bu işlem, çelik saclar için ısıl işlem ve şekillendirmenin birleştirildiği bir sertleştirme işlemidir. Sıcak çelik sacın yüksek şekillenme kabiliyetinden yararlanılarak, karmaşık geometrili parçaların imalatı mümkün hale gelebilmektedir. Sıcak şekillendirme işleminde en yaygın kullanıma sahip sertleştirilebilen sac malzeme 22MnB5'tir.Malzemeler, sıcak şekillendirme sırasında değişik ölçeklerde meydana gelen eşzamanlı içyapısal değişimler ve mekanik etkileşimlere neden olan ısınma ve soğuma süreçlerine maruz kalırlar. Bu işlemlerin modellenmesi, malzeme özelliklerindeki sert değişimler, faz dönüşümleri, karmaşık bağdaştırmalar (ısıl, mekanik ve metalurjik alanların birbirleri ile olan etkileşimi) ve sınır koşulları gibi güçlükleri ele almayı gerektirir. Bu yüksek lisans tezinde 22MnB5 çeliğinin ısıl işlemler sırasında maruz kaldığı sıcaklık geçmişi ve buna bağlı olarak içyapı oluşumu ve gelişimini (östenitin ferrit, perlit, beynit ve martensite dönüşümü) CCT (Sürekli Soğuma Dönüşüm) diyagramının geriye dönük olarak kullanılmasıyla öngörebilen, sonlu elemanlar yöntemi esaslı bir matematiksel model geliştirilmiştir. ?Gridleme Modeli? isimli bu yenilikçi model ticari bir sonlu elemanlar yazılımı MSC.Marc®'a kullanıcı altrutini PlotV vasıtası ile entegre edilmiştir. Modelin doğruluğu literatürde sunulan modellerin yeniden benzetimi ve 105M178 numaralı TUBİTAK projesi kapsamında yapılan preste sertleştirme (sıcak sac çeliklerinin kalıp teması ile soğutulması) ve termo-mekanik şekillendirme (sıcak şekillendirme) deneylerinin benzetimi ile sınanmıştır. Benzetim sonuçları, gerekli termo-mekanik-metalürjik bağdaştırmaların etkin bir şekilde yapılabildiği takdirde geliştirilen yenilikçi modelin sıcaklık geçmişi ve içyapı gelişimini kabul edilebilir ölçekte öngörebileceğini göstermektedir.

Abstract:
The growing effort to reduce vehicle weight and improve crash safety in the automotive industry has drastically increased the demand for ultra high strength steel components. The hot stamping (with press hardening) is one of the most promising manufacturing technologies for complex high strength automotive sheet steel components. This process combines the shaping and heat treatment of a pre-heated sheet metal with the objective of hardening. The most commonly used steel for press hardening is the heat treatable Manganese-Boron steel 22MnB5.In the course of hot stamping, materials are usually subjected to continuous heating and cooling cycles during which microstructural evolution and mechanical interactions occur simultaneously at different length and time scales. Modeling of these processes necessitates dealing with inherent complexities such as large material property variations, phase transformations, complex couplings and boundary conditions. In this master?s thesis, a mathematical framework based on finite element method and capable of predicting temperature history and evolution of phases (austenite decomposition into ferrite, pearlite, bainite and martensite) during heat treatment of 22MnB5 steel through inverse use of the CCT diagram was developed. A novel approach named the ?Gridding Model? was integrated into the commercial FEA software MSC.Marc® by the user subroutine PlotV. The accuracy of the model was verified by re-simulating some experiments and models found in the literature and simulating press hardening and thermo-mechanical forming experiments conducted within TUBİTAK Project numbered 105M178. Simulation results show that if thermo-mechanical-metallurgical couplings are modeled correctly, the novel model can predict the temperature history and evolution of phases with an acceptable accuracy.