Application of the diffusion equation to modeling phase transformation during cooling of pearlitic steel

Exploitation properties of rails are formed by controlled heat treatment of the head of the rail carried out after rolling. Complex cooling schedules have to be applied to obtain required microstructure and properties of rail steels. Design of these cooling schedules should be supported by numerical simulation. This, however, requires advanced phase transformation models which are able to predict not only average parameters of the microstructure but also morphology of the pearlite and carbon distribution in this structural component. Therefore, numerical model of pearlitic transformation is proposed in this work. The model was based on the solution of the carbon diffusion equation. The boundary conditions were determined assuming local thermodynamic equilibrium. Location of the interface in each time step was predicted from the condition of mass conservation. The created model allowed determining of the interlamellar spacing and carbon distribution in austenite for different cooling cycles. The results of analysis can be used to predict the strength and hardness of the steel.

---

Własności wytrzymałościowe szyn kształtowane są na drodze kontrolowanego procesu obróbki cieplnej główki szyny prowadzonej po procesie walcowania. Aby uzyskać wymaganą mikrostrukturę i własności stali należy zastosować złożone cykle cieplne. Zaprojektowanie tych cykli powinno być wspierane numerycznym modelowaniem, co wymaga zastosowania zaawansowanych modeli przemian fazowych. Modele takie powinny przewidywać nie tylko średnie parametry mikrostruktury, ale także morfologię perlitu i rozkład stężenia węgla. W pracy przedstawiono model przemiany perlitycznej zachodzącej podczas kontrolowanego chłodzenia. Model ten oparto na rozwiązaniu równania dyfuzji z ruchomą granicą międzyfazową. Warunki brzegowe modelu wyznaczono na podstawie lokalnej równowagi termodynamicznej. Model pozwolił na określenie wielkości płytek cementytu i ferrytu, oraz rozkładu stężenia węgla w austenicie dla różnych cykli chłodzenia. Otrzymane wyniki mogą posłużyć do określenia twardości i wytrzymałości stali.