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Determination of optimal forging conditions for void elimination in large steel ingots

Harris, Nathan (2016). Determination of optimal forging conditions for void elimination in large steel ingots. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The presence of internal voids is commonly observed throughout the casting and solidification of large size ingots. Their mechanical closure is generally achieved during the initial deformation of a hot forming process. The present work focuses on the determination of optimal forging conditions for void elimination in large steel ingots with respect to the involved materials and industrial processes. A state of the art is compiled as initial research in order to develop a solid background in void elimination theory. An extensive review of void closure models is presented and characterisation techniques are discussed. It is shown that current void closure models lack application to industrial scale forgings. An analysis of the industrial partner’s open die forging procedure ensues and characteristic forging sequences are introduced. Feasibility for further forging analysis using experimental data is evaluated and successfully proposed. A novel method for fast calculating void closure models is developed. Rational polynomial functions are established for the calculation of material dependant constants. 3D mapping is used to evaluate the influence of the triaxiality state and material parameters. The void closure model is validated for use on high strength steels from the industrial partner. Void closure is modeled and simulated during an open die forging sequence. The effect of in-billet void positioning is studied and the forging sequence effectiveness for void closure is validated and characterized for different zones. An original combination of data from relative void closure and volumetric strain rate provides a way for forging optimisation. Novel software for successful open die slab forging, Forge Calculus, is developed based on large amounts of experimental data. The in-house code provides fundamental information for setting forging standards. Future development concerning real time prediction of forging quality is discussed.

Titre traduit

Détermination des conditions optimales pour l'élimination des porosités lors de la mise en forme des lingots d'acier de grande taille

Résumé traduit

La présence de porosités et de cavités internes est habituellement observée lors de la coulée et de la solidification des lingots de grande taille. Leur élimination et fermeture mécanique est réalisée pendant les premières déformations du procédé de transformation à chaud. Ce travail vise à déterminer les conditions optimales pour l’élimination des porosités dans des lingots de grande taille avec une attention spéciale portée au matériau et au procédé industriel utilisé. Un état de l’art présente les modèles de fermeture de porosités et les techniques de caractérisation existantes. Actuellement, il est montré que cette théorie est très peu appliquée aux lingots utilisés en industrie. Une analyse du procédé de forgeage du partenaire industriel est effectuée et différentes séquences de forgeage sont identifiées. Ensuite, une étude plus poussée utilisant des données expérimentales est proposée. Une nouvelle méthode pour le développement de modèles de fermeture de porosité est énoncée. Sur la base de cette méthode, un quotient de fonctions polynomiales est établi pour le calcul des constants matériaux. L’influence de la triaxialité et des paramètres du matériau est évaluée grâce à une cartographie 3D. Le modèle de fermeture des porosités est validé pour les aciers à hautes performances mécaniques du partenaire industriel. La fermeture des porosités est évaluée pour une séquence du forgeage libre. L’effet du positionnement des porosités est étudié. L’efficacité de la séquence de forgeage pour la fermeture des porosités est caractérisée par zone. Une combinaison originale de la fermeture relative et la vitesse de déformation volumétrique permet l’optimisation du procédé de forgeage. Un nouveau logiciel pour le forgeage libre de « slab », Forge Calculus, est développé et testé avec beaucoup de données expérimentales. Le développement à venir et notamment une prédiction de la qualité de la pièce en temps réel pendant le forgeage est discutée.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of mechanical engineering". Bibliographie : pages 137-141.
Mots-clés libres: Lingots d'acier. Forgeage. Acier Travail à chaud. Porosité. Optimisation mathématique. Forgeage Logiciels. forgeage libre, simulation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Jahazi, Mohammad
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 16 déc. 2016 19:36
Dernière modification: 16 déc. 2016 19:36
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1771

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