Numerical modelling of grain refinement around highly reactive interfaces in processing of nanocrystallised multilayered metallic materials by duplex technique

Microstructure evolution around highly reactive interfaces in processing of nanocrystallised multilayered metallic materials have been investigated and discussed in the present work. Conditions leading to grain refinement during co-rolling stage of the duplex processing technique are analysed using the multi-level finite element based numerical model combined with three-dimensional frontal cellular automata. The model was capable to simulate development of grain boundaries and changes of the boundary disorientation angle within the metal structure taking into account crystal plasticity formulation. Appearance of a large number of structural elements, identified as dislocation cells, sub-grains and new grains, has been identified within the metal structure as a result of metal flow disturbance and consequently inhomogeneous deformation around oxide islets at the interfaces during the co-rolling stage. These areas corresponded to the locations of shear bands observed experimentally using SEM-EBSD analysis. The obtained results illustrate a significant potential of the proposed modelling approach for quantitative analysis and optimisation of the highly refined non-homogeneous microstructures formed around the oxidised interfaces during processing of such laminated materials

Wspomagana symulacja komputerowa analiza temperatury przejścia w stan kruchy w odkuwkach ze stali mikrostopowej

The ability to design metal forming processes requires knowledge of continuum mechanics and materials engineering. The papers presents the results of research on the complete analysis of the forging process of microalloyed steel. The forging process assessment was performed based on thermomechanical calculations and using microstructural modeling. Hardness tests were employed for the verification of computed results. A method of predicting the relation between quality of final product and history of metal forming as well as microstructural development using an FEM simulation is also presented here. The results of the FEM-simulation for the forging process and material are compared with experimental data to show the feasibility of the proposed method. Finally, it is stated that by using properly built software it is possible to eliminate brittle cracking in the forged products, especially at low temperatures.Właściwa analiza procesów przeróbki plastycznej metali wymaga zarówno wiedzy z zakresu mechaniki ośrodków ciągłych, jak i inżynierii materiałowej. Przedstawione wyniki badań stanowią przykład kompleksowego podejścia do oceny zjawisk mikrostrukturalnych towarzyszących procesowi kucia matrycowego stali z mikrododatkami stopowymi. W oparciu o wyniki obliczeń w części termomechanicznej przeprowadzonej analizy oraz wykorzystując podstawowe modele opisujące zmiany zachodzące w mikrostrukturze odkształcanego materiału przeprowadzono ocenę poprawności przeprowadzonej symulacji komputerowej procesu wytwarzania odkuwki o złożonym kształcie. Weryfikacja uzyskanych obliczeń została wykonana za pomocą pomiarów twardości. W efekcie sformułowane zostały wnioski wskazujące na ścisły związek pomiędzy jakością wyrobu gotowego a całą historią procesu przeróbki plastycznej i związanym z tym rozwojem mikrostruktury. Stwierdzono, że wykorzystując poprawnie zbudowany program symulacji procesu kucia możliwe jest zlokalizowanie obszarów najbardziej narażonych na kruche pęknięcia w czasie eksploatacji w niskich temperaturach

Modeling of Final Structure Obtained Under High Strain-Rate Deformation

This paper discusses results of experimental research and a model implementation of the hot deformation process in the two-phase region under high strain rate. Hot compression tests were employed to determine the behavior of deformed microalloyed steel over a range of strain rates (1 x 10{sup -3} s{sup -1} - 2.5 x 10{sup 3} s{sup -1}) and temperatures (650 C - 850 C). The thermomechanical history of the material is consequently integrated in the simulation and compared with the experimental results

Indukowana odkształceniem struktura austenityczna w stalach mikrostopowych

Austenite morphology is one of the main factors determining austenite-ferrite transformation kinetic and effectively affects the final microstructure and properties. The basic criteria for proper assessment of the austenite transformation products, theirs refinement, is the relation between the nucleation to growth rates. The main factor accelerating both, the nucleation rate of austenite during heating, and ferrite during cooling is the presence of accumulated deformation energy. The primary aim of this work is to increase our knowledge of the effects of deformation - its accumulated energy on the austenite structure and properties. Two specific steel grades were selected for the present investigation, i.e. microalloyed and IF steel, essentially different in equilibrium transformation temperatures. Obtained austenitic microstructures were analyzed, first of all as a start point for the austenite-to-ferrite transformation. Specific case of this transformation was considered i.e. Strain Induced Dynamic Transformation SIDT. The characteristic feature of the SIDT is the strong dependence of theirs kinetic on the austenite morphology, especially grain size. Thermomechanical processing, that utilize the SIDT, is one of the most effective ways to produce ultrafine-grained steel. One of the main benefits of the austenite refinement, just before the γ→α transformation, is its significant effect on the microstructure evolution during subsequent thermomechanical processing. Experimental results clearly show how direct and positive influence the austenite grain refinement has on the composition and refinement of transformation products. Presented study was focused on Strain Induced Dynamic Reverse Transformation. It is proved that this kind of transformation is very efficient way to intensify thermomechanical processing of microalloyed steels. Dynamic transformation kinetics were analyzed based upon flow curves recorded during the SIDT process. The main effect of presented research is analyze of influence of prior microstructure on dynamically formed austenite morphology.Morfologia struktury austenitycznej jest jednym z podstawowych czynników rzutujących na przebieg przemiany austenit-ferryt, a co za tym idzie na własności końcowe struktury ferrytycznej. Podstawowym kryterium oceny przemiany austenitu pod kątem stopnia rozdrobnienia powstających produktów jego przemiany jest stosunek prędkości zarodkowania nowej fazy do prędkości jej wzrostu. Kluczowym czynnikiem przyspieszającym zarodkowanie zarówno fazy austenitycznej przy nagrzewaniu oraz ferrytu przy chłodzeniu jest obecność zakumulowanej energii odkształcenia. Podstawowym celem prezentowanych badań była ocena wpływu odkształcenia oraz wynikającej z niego energii zmagazynowanej na właściwości struktury austenitycznej. Badania wykonano z wykorzystaniem dwóch charakterystycznych gatunków stali - mikrostopowej i typu IF, istotnie różniących się równowagowymi temperaturami przemian. Otrzymana struktura austenityczna była badana przede wszystkim pod kątem wpływu jej morfologii na kinetykę i produkty przemiany austenit-ferryt. Rozważany był szczególny przypadek tej przemiany - Indukowana Odkształceniem Przemiana Dynamiczna (ang. Strain Induced Dynamic Transformation SIDT). Cecha charakterystyczna SIDT jest silna zależność jej kinetyki od morfologii austenitu. Zastosowanie przeróbki termomechanicznej z wykorzystaniem SIDT jest bardzo efektywnym sposobem wytwarzania stali ultra drobnoziarnistych. Podstawowym kryterium oceny jakościowej struktury austenitycznej jest jej stan przed przemianą, co bezpośrednio kształtuje skład mikrostruktury w wyrobie gotowym oraz stopień jej rozdrobnienia. W prezentowanej pracy skupiono się na indukowanej odkształceniem przemianie odwrotnej. Stwierdzono, że ta droga mozna zintensyfikowac procesy mikrostrukturalne wykorzystywane w przeróbce termomechanicznej stali mikrostopowych. Kinetykę przemian dynamicznych oceniano na podstawie analiz krzywych płynięcia zarejestrowanych podczas odkształcania w warunkach sprzyjających intensyfikacji przemian fazowych. Efektem głównym wykonanych badań jest analiza wpływu mikrostruktury wyjściowej na morfologię austenitu powstałego w wyniku przemiany dynamicznej

Wpływ rozdrobnienia struktury na własności mechaniczne stali mikrostopowych

The goal of the present work was to study the effect of grain size and strain rate on the mechanical properties of microalloyed steels. The range of the microstructures was developed and their mechanical properties were measured under quasi-static conditions. The influence of different thermomechanical parameters on grain refinement, and thus, on final mechanical behavior of these steels seems to be very important issue, because of their application as the materials with both high strength and ductility. There is a clear lack of understanding of the role of intermediate ultrafine microstructures on the mechanical response of structural steels, which is important as this is the refinement level most likely to be achieved under industrial processes. The main scope of this research includes the development of thermomechanical treatments to produce ultra fine-grained steels with enhanced properties. These materials will be developed for the application in many industries (e.g. automotive industry, shipbuilding), and in any commercial applications where very good properties and good-quality construction materials are of paramount importance. The results of this work will allow to systematically correlate the evolution of deformation microstructure and the deformation mechanisms operating in fine-grained materials during processing. This work will also be directed towards understanding the specific strengthening mechanisms by which the plastic deformation leads to a refined grain size.Celem przeprowadzonych badań jest ocena wpływu stopnia rozdrobnienia struktury na własności mechaniczne stali mikrostopowych. Uzyskano struktury o różnym stopniu rozdrobnienia, a następnie badano ich własności mechaniczne w warunkach quasi-statycznego obciążenia. Wpływ historii przeróbki termomechanicznej na rozdrobnienie mikrostruktury, a tym samym na końcowe własności mechaniczne, jest bardzo ważnym zagadnieniem ze względu na szeroki obszar zastosowań otrzymywanych tą drogą materiałów konstrukcyjnych. Jedną z cech charakterystycznych stali mikrostopowych jest korzystna kombinacja dobrych własności wytrzymałościowych i plastycznych. Zauważyć można brak badań w zakresie zrozumienia roli stopnia rozdrobnienia mikrostruktury w mechanice plastycznego płynięcia stali mikrostopowych. Istotny jest fakt, że dyskutowane w niniejszej pracy poziomy rozdrobnienia struktury ferrytycznej są już uzyskiwane w obecnie stosowanych procesach przemysłowych. Zakres przedstawionych badań obejmuje analizę procesów przeróbki termomechanicznej (kontrolowanego walcowania) pod kątem możliwości uzyskania struktur silnie rozdrobnionych. Konsekwencją silnego rozdrobnienia ferrytu jest możliwość istotnej poprawy własności mechanicznych. Badane w pracy, drobnoziarniste stale mikrostopowe znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu (np. przemysł motoryzacyjny, stoczniowy), wszędzie tam gdzie istotne jest zastosowanie materiałów konstrukcyjnych o bardzo dobrej jakości i własnościach. Wyniki niniejszych badań pozwolą na usystematyzowanie powiązań pomiędzy rozwojem mikrostruktury a mechanizmami odkształcenia występującymi w materiałach drobnoziarnistych podczas procesu wytwarzania. Opracowane wnioski pozwalają na lepsze zrozumienie związków pomiędzy historią odkształcania a rozwojem mikrostruktury w stalach mikrostopowych

Multiscale analysis of the effect of grain size on the dynamic behavior of microalloyed steels

This study presents some aspects of multiscale analysis and modeling of variously structured materials' behavior in quasi-static and dynamic loading conditions. The investigation was performed for two different materials of common application: high strength microalloyed steel (HSLA, X65), and as a reference more ductile material, Ti-IF steel. The MaxStrain technique and one pass hot rolling processes were used to produce ultrafine-grained and coarse-grained materials. The efficiency and inhomogeneity of microstructure refinement were examined because of their important role in work hardening and the initiation and growth of fracture under tensile stresses. It is shown that the combination of microstructures characterized by their different features contributes to the dynamic behavior and final properties of the product. In particular, the role of solute segregation at grain boundaries as well as precipitation of carbonitrides in coarse and ultrafine-grained structures is assessed. The predicted mechanical response of ultrafine-grained structures, using modified KHL model is in reasonable agreement with the experiments. This is a result of proper representation of the role of dislocation structure and the grain boundary and their multiscale effects included in this model

The Effect of Deformation in the Two-Phase Region of C-Mn and Microalloyed Steels on the Mechanical Behaviour of the Resulting Structure

The paper presents results of experimental research and a model implementation of hot deformation process in the two-phase region for microalloyed and plain carbon steels. Hot compression tests were employed to determin the behavior of deformed steel over a range of strain rates (1x10-3 - 2,5x103 s-1) and temperatures (650 - 1050 °C). The hot deformation conditions during the test were simulated using Finite Element Method. The thermomechanical history of the material is consequently integrated in the simulation. The investigation was focused on the case when the last deformation takes place in the two phase or ferrite region. Such deformed material was investigated to obtain the microstnicture development and its influence for mechanical properties in final product.Nous présentons des résultats expérimentaux et ceux d'une modélisation d'un procédé de déformation à chaud pour des aciers au carbone ou microalliés, dans le domaine biphasé. Nous déterminons le comportement en compression à chaud (1x10-3 + 2,5x103 s-1, 650<T<1050°C) de l'acier pré-déformé. Les conditions de déformation à chaud ont également été simulées par une méthode a éléments finis afin d'intégrer l'histoire thermomécanique. Nous examinons particulièrement, ici, le cas où la dernière déformation se produit dans une région biphasée ou ferritique. Nous étudions un matériau ainsi déformé pour déterminer l'évolution de la microstructure et son influence sur les propriétés mécaniques du produit final