Numerical simulation of the heat treatment of motorcycle brake disc

This thesis work aims to simulate the heat treatment of motorcycle brake disc made of AISI410s. The BU Moto of Brembo noticed that discs have a high residual stress which deforms it and can dangerously affect braking performances and safety. Through a survey, it has been associated to the thermal history of the component, in particular at phase transformation. The thesis work provides the theoretical background about the kinetics of phase transformation, then illustrates how modelled it, successively converts the mean field models in results by relying on experimental dilatometric tests. The calibrated model is then used to numerical simulate the hardening process with FEA method by extrapolating the hardness distribution For austenitization, the ferrite tetrakaiekaedra Caballero's model, JMAK and isoconversional method are applied but just the former gives the desired results. The coarsening phase is describes by Arrhenius type formula. The starting point of martensitic transformation is determined with thermodynamic approach which consider its dependence on austenite grain size. The Fisher's model is considered too but does not provide desired results. A lot of algorithm is taken into account for the shape description of martensite evolution but the best is modified Koestinen-Marburguer approach. The hardness of martensite lath is described with hierarchical substructure proposed by Galindo-Nava. CALPHAD has been fundamental through out the dissertation because it provides a method to evaluate the energy barrier between two phases The used software are MATLAB, Thermocalc, MatCalc and Marc.

Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di simulare il trattamento termico eseguito su un disco freno per uso motociclistico composto da AISI410s. La BU moto di Brembo notò che il prodotto finale aveva alti stress residui, i quali lo deformavano e potevano modificare pericolosamente le performance e la sicurezza. Investigando, gli stress sono stati associati alla storia termica del componente, in particolare alle trasformazioni di fasi. La discussione fornisce un background teorico sulle trasformazioni di fase, successivamente illustra come modellarle, poi converte gli approcci mean field in risultati basandosi su un ampio piano sperimentale di test dilatometrico. I modelli calibrati sono poi usati per simulare il processo di indurimento tramite FEA estrapolando la distribuzione della durezza. Per l’austenitizzazione, sono utilizzati il modello di Caballero con la ferrite tetracaiecaedrica, JMAK e il metodo isoconversionale ma solo il primo fornisce i risultati desiderati. La fase di ingrossamento è descritta dalla formulazione di Arrhenius. Il punto di inizio della creazione di martensite è determinata tramite approccio termodinamico che considera la dipendenza con la dimensione del grano. E’ stato trattato anche il modello di Fisher ma non fornisce i risultati sperati. Per quanto riguarda la descrizione della forma, sono stati utilizzati molti modelli ma il migliore è l’approccio modificato di oistinen-Marburguer. A durezza della martensite lath è descritta dalla sottostruttura gerarchica proposta da Galindo-Nava. CALPHAD è stato fondamentale per tutta la stesura della tesi in quanto permette di valutare l’energia di barriera che intercorre tra due fasi. I software utilizzati sono MATLAB, Thermocalc, MatCalc e Marc.