Disertační práce
Kap. 16: Diskuse výsledků

  
Jako důležité se v inženýrském výzkumu materiálů ukázalo studium struktury a z toho odvození mechanických vlastností - například Lundback [48] a jeho tým. Podobné vztahy bychom našli i u jiných autorů [například 49, 50], kteří se zabývali problematikou určování výsledných mechanických a strukturních vlastností na základě chemického složení nebo rychlosti průchodu ultrazvukových vln. Jak je však vidět z přehledu korelačních vztahů (kap. 5), je i přes rozsáhlé výzkumy v této oblasti stále nutno uvažovat s materiálovými konstantami vzešlými z experimentu a představujícím popis určitého "nejasna" v těchto rovnicích. S tím je zároveň spojena vždy jistá míra rizika nepřesnosti. To se přenáší i do simulačních programů. 
Zde, po zadání vstupních termofyzikálních, materiálových a strukturních údajů o materiálech v řešené soustavě (forma - odlitek - okolí), počítáme výsledné teplotní pole, mechanické vlastnosti či strukturu. Přitom jen sofistikovaněji aplikujeme korelační vztahy vzešlé z předchozí experimentální činnosti. V těchto výpočtech při zachování stejné geometrie odlitku a vstupních dat pokaždé získáme stejný výsledek.

Na rozdíl od experimentálních měření. Zde výsledný soubor, který pochází z měření stejných odlitků litých stejnou technologií a ze stejné slitiny, obsahuje různé hodnoty. To je způsobeno vlivem dalších nepodchycených faktorů.
Tuto skutečnost prokázal i provedený experiment v rámci této práce založený na měření vlastností matrice odlitků z litiny s kuličkovým grafitem o stejném předepsaném chemickém složení, které se liší jen svým tvarem, a tudíž rychlostí odvodu tepla. Výsledkem je, že nelze nalézt spolehlivou regresní funkci popisující rychlost průchodu ultrazvukových vln vůči strukturním, resp. mechanickým vlastnostem pro různé typy odlitků ze stejné slitiny, nebo pro různé části jednoho odlitku. Tento závěr je možné přenést i na měření jiných vlastností odlitků.

Jak správně již pan Skrbek ve svém článku [153] zdůrazňuje, rozhodujícím kritériem funkčnosti nedestruktivních kontrol ve výrobě je dosažení koeficientu korelace k. Sám autor požaduje jeho hodnotu větší jak 0,9. Pro dosažení tak vysoké hodnoty navrhuje kombinaci akustické a magnetické diagnostiky, popřípadě kombinace ultrazvukového měření s měřením tvrdostí HB. Takové opatření dovoluje zaměřit místa v odlitku nejcitlivější na změny v metalurgii. Závěrem mimo jiné vyzývá k publikaci výsledků popisující funkčnost vztahu fyzikálních veličin k parametrům struktury nebo k mechanickým vlastnostem na příkladech z praxe. 
U ultrazvukových metod (včetně zahrnutí dalších nedestruktivních, či i destruktivních měření) je však výsledek velmi citlivý na změny materiálu. 

Funkčnost takto získaných vztahů je zvlášť u litin s kuličkovým grafitem silně omezena na stejný typ odlitku (podmínky chladnutí) a stejnou slitinu. Avšak i při splnění těchto podmínek nemusí být soubory dat normálního rozdělení a koeficienty korelace jsou slabé, jak bylo v této disertační práci dokázáno a to i při měření v laboratorních podmínkách. 
Navíc se získané soubory dat a korelační funkce liší místo od místa i na jednom odlitku. Přejímat za takových podmínek funkční vztahy je velmi problematické a je nutné postupovat vždy s velkou péčí při jejich aplikování na novém typu odlitku. K takovému závěru je nutné přihlédnout i při počítačových simulacích a to u libovolné vlastnosti odlitku.

Avšak při splnění v této práci navrženého postupu - viz. závěry z kapitoly 11 - je takové třídění odlitků podle jejich struktury použitelné, jak dokazuje již i dřívější literatura. Například [154], kdy pomocí měření rychlosti průchodu ultrazvukových vln stěnou třídili odlitky na ty s (ne)vyhovující strukturou grafitu při komerční výrobě vozů Tatra. Na základě zjištěných výsledků potvrzených metalografickým rozborem byl vybrán rozhodný poměr rychlosti šíření ultrazvukových vln pro dobré litinové odlitky. 

Pro potřeby technické praxe se berou termofyzikální hodnoty popisující vlastnosti na makro úrovni. Z toho vyplývá, že to, co nazýváme termofyzikálnimi vlastnostmi, je určitá komplexní charakteristika zahrnující v sobě všechny výše uvedené případy, a podává nám obraz o průměrném vlivu všech těchto parametrů na součást. Při laboratorních měření (viz. kap. 9) se vychází ze vzorků, které jsou buď separovány z většího celku, nebo jsou odlity za laboratorních podmínek, které se však liší od provozní praxe [82]. Situace se dále komplikuje u přísadových prvků, které se projevují různě podle typu slitiny. Jestliže například vyneseme tepelnou vodivost takové slitiny v závislosti na objemovém procentu, nemůžeme očekávat lineární průběh - tento fakt potvrzují měření, například [86].
Snaha určit korelační vztahy mezi chemickým složením a termofyzikálními vlastnostmi nevede rovněž k uspokojivým výsledkům. Například výzkum pro slitiny železa vedl k tomu, že na základě měření byly hledány empirické vztahy pro vliv složení na tepelnou resp. elektrickou vodivost [například 86]. Tyto vztahy však platí jen pro jednu oblast materiálu a to ještě přibližně. I další autoři hledali vztahy, které by na základě chemického složení popisovali tepelnou vodivost materiálu. Vždy však byl jejich popis omezen jen na určitou třídu materiálu a nepřihlížel např. k tepelnému zpracování [například 87 nebo 88]. 
V praxi jsme však téměř vždy s chemickým složením námi modelovaného odlitku mimo tabelovaná data součásti, pro která byla určena příslušná termofyzikální data vstupující do simulačního výpočtu. Proto je třeba hodnotit, jak velké chyby se můžeme dopustit, když použijeme tato data pocházející ze slitin o blízkém chemickém složení. Hodnocení a vzájemné porovnávání termofyzikálních parametrů je nutné vždy s ohledem na řešený problém, neboť porovnání rozdílu v samotných číslech nám neposkytuje zcela jasnou představu o tom, co tyto rozdíly znamenají při použití ve výpočet v simulačních programech. 

Tato oblast výzkumu je natolik rozsáhlá, že jsou pořádané konference, například fóra ECTP. Z přehledu příspěvků [155] však vyplývá, že hlavní úlohou je teoretické bádání, případně měření termofyzikálních vlastností pro určité, ve slévárenské praxi velmi okrajově zastoupené, slitiny. 
Jednou z pomůcek nám sice mohou být programy, které začaly být vyvíjené již před lety a dnes nám slouží především jako základní nástroj při optimalizaci návrhu nových slitin, méně nám však poskytují údaje o termofyzikálních vlastnostech konkrétní slitiny [156].

Jak bylo v této disertační práci prokázáno, jediným efektivním způsobem, jak zvýšit přesnost při simulacích lití a chladnutí odlitků, je použití přesnějších termofyzikálních dat popisujících jednotlivé materiály v řešené sestavě. Navržený experiment sloužící k zpřesnění termofyzikálních údajů pro potřeby simulace je tak jednou z možných cest, jak zvýšit přesnost výpočtů, s ohledem na obtíže spojené se získáváním potřebných termofyzikálních parametrů. Tento popsaný postup byl experimentálně potvrzen jako použitelný v praxi - viz. kap. 12.

Snaha o určování výsledných parametrů grafitu vedla k vývoji rozličných metod [159], které se snaží popsat tvorbu grafitu a jeho výsledné parametry a přikládají tu větší tu menší váhu jednotlivým podmínkám účastnícím se v procesu nukleace a dalšího růstu grafitu. Tyto postupy jsou však doposud jen omezeně aplikovatelné v každodenní technické praxi. 
Počítačová predikce mikrostruktury litin zahrnující i parametry grafitu byla již pochopitelně mnohými autory provedena. Například [161] představují solidifikační model pro litiny s lupínkovým grafitem zahrnující výpočet podílu primárního austenitu, morfologii lamelárního grafitu a to při uvažování pohybu chemického složení. Výsledky autora se shodují s experimentem. Avšak autoři ve svých výpočet používají materiálové konstanty získané na základě pozorování vzorků a sloužící pro tendenční úpravy vztahů. Takový postup je pak aplikovatelný jen na ten stejný a nebo velmi blízký případ. Tohoto postupu však nelze užít v praxi, kde je častá změna slitiny a důraz je kladen na rychlost analýzy. 

Hodnocení výsledných parametrů grafitu pomocí histogramu není věcí ničím novou. Vzpomeňme jen na práci [157], kde ji bylo užito na rozdělní četnosti částic grafitu v jednotlivých velikostních třídách. Rovněž určování struktury materiálu, včetně parametrů grafitu, pomocí obrazové analýzy je známá a používaná metoda [například 158]. Doposud však nebylo přistoupeno ke spojení takto získaných výsledků s teplotním polem určeným ze simulace, pro určování charakteristik materiálu i v dalších částech odlitku. 
Tohoto postupu bylo v této disertační práci použito pro predikci grafitu, která byla v praxi ověřena. Tím bylo prokázáno, že při splnění určitých kritérií (viz. kap. 15) může takové spojení přinést mnohem komplexnější pohled na odlitek. 

Dalším krokem v uplatňování simulace je výpočet tvorby struktury a mechanických vlastností. V této oblasti pokročil výzkum natolik, že se používá prvních modelů pro výpočet konstrukčních dílů i ve formě komerčních programů. Například práce Nastaca a Stefanescua [160] představují model růstu pro metastabilní a stabilní tuhnutí, do kterého je začleněn model mikroodmíšení. Lze konstatovat, že se obecně jedná o začlenění zpřesňujících modulů do simulačních programů. Přesnost takových výpočtů je opět silně závislá na vstupních termofyzikálních datech. 
Jak bylo v kap. 3 zmíněno, první přístup k řešení predikce mikrostruktury je postaven na postupu, kdy software řeší pro každý element sítě modelovaného odlitku průsečík mezi vypočtenou ochlazovací křivkou a vloženými daty z příslušného diagramu. Výhodou je jednoduchost a rychlost výpočtu [146]. Nevýhodou je, že ochlazovací diagram je vyhotoven jen pro jedno chemické složení slitiny. Je samozřejmé, že experimentálně zjištěná data jsou přesnější, neboť při výpočtech je bráno do úvahy vždy omezené množství vstupních hodnot a používají se zjednodušující předpoklady [148 či 149]. Řešením uvedených nepřesností je přímý výpočet struktury, což je zatím záležitost specializovaných pracovišť.
Kvalitní kvantifikace podílů vyloučených fází v kovových slitinách v závislosti na výchozím stavu materiálu a na průběhu technologického zpracování je možné dosáhnout dvěma cestami - matematickým modelováním a analýzou dilatometrických měření. Autoři [74] použili kvaziizotermický model. Výsledkem pokusných výpočtů byly podíly strukturních složek po ochlazení podle režimů znázorněných v diagramu ARA. Jak však sami autoři konstatují, uspokojivých výsledků bylo dosaženo až po tendenční úpravě vstupních parametrů. 
Závěrem [74] konstatují, že informace odečtené z publikovaných diagramů IRA a ARA nelze použít pro přesné modelování fázových přeměn. Diagramy mají pouze orientační charakter a nejsou dostatečně obecným popisem přeměn fází. Podstatný vliv na kinetiku fázových přeměn mají také další parametry výchozího strukturního stavu a podmínek experimentu. Autoři se domnívají, že pro popis fázových přeměn je třeba volit univerzálnější přístup, který by využíval aktuální možnosti měřené a numerických výpočtů. 
Autoři [75] ve své práci zdůrazňují, že z numerického hlediska není konstrukce matematického modelu a vytvoření adekvátního programu simulujícího v odlitku tepelné pochody složitou věcí. Za účelem propojení průběhu křivek chladnutí ve vybraných bodech odlitku s TTT diagramem však musí být do programu vloženo rozmezí mikrostrukturních změn uvažovaného materiálu. Omezením jsou tak jednoznačně vstupní termofyzikální data, nikoliv matematický aparát - viz. kap. 6. 
Proto je v této práci zahrnuta databáze vstupních transformačních diagramů pro litiny s kuličkovým grafitem a jim příslušejících hodnot určených pro použití v simulačních programech, které jsou prakticky ihned použitelné.

Všechny výše popsané metody nezahrnují pravděpodobnostní stránku řešeného problému. Domnívám se, že další vývoj popisů procesu nukleace, celkové kinetiky tuhnutí, rozdělení chemického složení, mikrostruktury a dalších jevů bude popisováno s využitím pravděpodobnostních vtahů - metodou Monte Carlo (první práce například [162]) a pomocí metody tzv. buněčných automatů (Cellular automata).

                                                                             Stáhnout PDF soubor s kap 16 - 21 (1,3 MB)

Předcházející kapitola: Kap. 15: Predikce parametrů grafitu

Následující kapitola: Kap 17: Závěry
      

Upozornění: Pokud použijete část z moji disertační práce, dodržujte Autorský zákon a dbejte na správnost citací