Desarrollo de herramientas computacionales para el control de procesos en la obtención de hierro dúctil austemperado

Abstract

El austemperado es un tratamiento térmico que produce una mejora sustancial de las propiedades mecánicas de una pieza de hierro dúctil. La microestructura final obtenida en el seno de la pieza luego del proceso de austemperado es responsable de tal mejora. En consecuencia, el material resultante es conocido como hierro dúctil austemperado (ADI, por sus siglas en inglés). En esta Tesis se presenta una estrategia que permite la caracterización, monitoreo y control de parte del proceso industrial de obtención de ADI, basada en el empleo de métodos inversos discretos. Estos posibilitan el estudio de los fenómenos de transferencia de calor superficial que ocurren en la frontera exterior de una pieza. Los métodos inversos considerados consisten en resolver un problema inverso de conducción de calor (IHCP, por sus siglas en inglés), partiendo de temperaturas conocidas (medidas o simuladas) en el interior de cuerpo. Debido a la mala colocación característica de esta clase de problemas, resulta imprescindible el uso de estrategias de regularización apropiadas. En este sentido, las principales contribuciones de esta Tesis se enfocan en el desarrollo de herramientas computacionales para determinar las condiciones de borde transientes imperantes durante alguna etapa del tratamiento térmico. La conclusión más relevante de esta Tesis, derivada de la aplicación de los métodos propuestos en el estudio de los fenómenos térmicos superficiales que ocurren en una pieza durante la etapa de enfriamiento del tratamiento térmico de austemperado, es que los métodos inversos térmicos resultan adecuados para lograr el objetivo propuesto en geometrías simples como probetas cilíndricas.

Austempering is a heat treatment procedure that yields a substantial improvement of the mechanical properties of a ductile iron part. The final microstructure obtained within the part after the austempering process is responsible for such an improvement. Henceforth, the resulting material is known as austempered ductile iron (ADI). In this Thesis, a new strategy is presented which allows the characterization, monitoring and controlling part of the austempering industrial process. Such a strategy, based in the use of discrete inverse methods, makes possible the study of the surface heat transfer phenomena that occurs at the boundary of a part. The inverse methods considered here consist in solving an inverse heat conduction problem (IHCP) to obtain the boundary conditions, starting from temperature measurements (measured or simulated) at a prescribed location within the body. Since these kinds of problems are mathematically characterized by its ill-posedness, it is essential using appropriate regularization strategies for stabilizing the obtained solution. In this sense, the main contributions of this work are focused on the development of computational tools for determining the transient boundary conditions that takes place during some stage of the thermal treatment procedure. The most relevant conclusion of this Thesis, resulting from the application of the proposed inverse methods for the study of surface thermal phenomena that takes place in a part during the cooling stage of the austempering heat treatment, is that inverse methods are adequate to fulfill the proposed objective in simple geometries such as cylindrical probes.