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Microstructure evolution of medium carbon low alloy steel during ingot breakdown process

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Chadha, Kanwal (2018). Microstructure evolution of medium carbon low alloy steel during ingot breakdown process. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High-strength steels used for the manufacturing of large size components such as turbine shafts are produced by ingot casting, followed by forging, quenching, and tempering operations to breakdown the as cast structure and to optimize the properties. The first step of the deformation process, called ingot breakdown, is carried out well above the paraequilibrium Ae3 temperature (temperature at which ferrite to austenite transformation accompanied by interstitial diffusion reaches equilibrium, and therefore produces major microstructural changes. Moreover, the microstructure developed during the ingot break down process has a determining influence in the design of the subsequent thermomechanical treatments to achieve the desired properties in the wrought product. The main aim of this thesis is to investigate and understand the mechanisms involved in the evolution of microstructure during break down of as-cast structure of a medium carbon low alloy steel used as a die material in the transport industry. In addition, constitutive behavior of the as-cast structure was modelled and the material model best describing the behavior of the investigated steel during the ingot breakdown process of very large ingots was determined for the first time. The developed material model was implemented in a finite element (FEM) code.

The first part of this study provides the details of the development of a precise model in order to predict the flow behavior of the material under different deformation conditions. The microstructure evolution from as-cast to wrought condition needs to be accurately quantified and the optimum material model and constants need to be identified. The model which can better anticipate the flow curves during the deformation of an as-cast structure is determined. Specifically, Hansel-Spittel and Arrhenius constitutive models were developed using hot compression tests and then incorporated in the FEM code Forge NxT 1.0®. The simulation results thus generated were further utilized to analyze the adiabatic heating and force vs. time analysis. To determine and quantify the accuracy of the developed models, a comparison of the Arrhenius and Hansel-Spittel model is done. The accuracy and the reliability of both models were compared in terms of correlation coefficient (R) and the average absolute relative error (ARRE). The values of R and ARRE for Arrhenius model are 0.978 and 1.76%, whereas, for the Hansel Spittel model these values are 0.972 and 3.17 % respectively. Stress-strain predictions by both equations reveal that Hansel-Spittel model is unable to predict the dynamic softening of the material and also proved insignificant in predicting the curves of other range of deformation parameters. Finite Element Modeling (FEM) was used by integrating the two models in Forge NxT 1.0® software for the design and optimization of the ingot breakdown processes. The simulation results showed good agreement with the theoretical and simulated values of adiabatic heating using both models, whereas only Arrhenius model was able to accurately predict the force vs. time values. The overall results indicate that the Arrhenius model is more accurate and efficient in predicting the deformation behavior of the cast structure than the Hansel-Spittel model.

The second part of this study analyzes the occurrence of dynamic transformation during ingot break down process. This investigation focuses on fundamental mechanisms responsible for the evolution of the cast microstructure towards a wrought one. As-cast homogenized medium carbon steel with a grain size of ~ 200 μm was used for the investigation. Hot deformation was carried out using Gleeble 3800 thermomechanical simulator at a temperature 1150 °C and 1200 °C under strain rates of 0.25, 1 and 2 s-1. The selected hot deformation temperatures were 450-500 °C above Ae3. The double differentiation technique was employed to analyze stress-strain curves and a combination of optical, SEM, and Electron Back Scattered Diffraction (EBSD) technique were used for microstructure characterization. Kernel average misorientation (KAM) was used to measure internal misorientation to separate out the fraction of dynamically transformed (DT) ferrite grains. Results indicated that with the increase in the deformation temperature, ferrite fraction increased, whereas it decreased with increase in strain rate. The investigation on the effect of strain rate on the occurrence of DT ferrite and its growth was determined using pipe diffusion coefficient. It was found that the strain rate has significant role in the microstructure evolution in DT. At higher strain rate, Widmanstätten ferrite plates were observed and at lower strain rates, quasi polygonal ferrite was observed. The change in morphology was related to variation of carbon diffusivity and diffusion distance w.r.t strain rate. A mechanism for this transformation is proposed and shown schematically.

The third part of this study focusses on the effect of the addition of Chromium (Cr) on the dynamic transformation (DT) of austenite to ferrite at temperature above Ae3 up to 430 °C in as-cast medium carbon low alloy steel. Calculating the driving force and the barrier energy to the transformation, the results pointed to a fact that although Cr increases the driving force of the transformation, the barrier energy is also increased with its addition. To further understand the fundamental behind this at the atomistic level, diffusion analysis was performed by considering stress due to deformation. It was found that, with the increase in stress, the diffusivity of Cr, increased. Upon comparing the diffusion results with other alloys like carbon and silicon, it was found that the diffusivity and the diffusion distance of Cr was significantly lower than that of carbon and silicon. This finding gave an insight that with the addition of elements like Cr, the austenite matrix becomes stronger in terms of work done in shear and dilatation energy which is related to the sluggish diffusion of Cr and thereby, results as a barrier to the transformation.

The forth part of this study presents the results of the investigation on the effect of double hit deformation on Metadynamic Recrystallization (MDRX) kinetics. Ingot breakdown process often consists of several successive deformation steps with high interpass times, during which MDRX occurs. Two-stage isothermal compression tests were carried out at 1150 °C and 1200 °C with strain rates of 0.25-2 s-1 and interpass times of 5-25 s. Based on the experimental results, a material model for MDRX is proposed. The constitutive model was implemented in Forge NxT 1.1® software to simulate the multistage compression. The predicted results from the material model were found to be consistent with the numerical analysis and experimental results, which indicated that the proposed kinetic equations can give precise softening behavior for hot deformed as-cast medium carbon low alloy steel.

Titre traduit

Évolution de la microstructure d'un acier faiblement allié durant le processus de forgeage

Résumé traduit

Les aciers à haute résistance mécanique utilisés pour la fabrication de composants de grandes dimensions tels que les arbres de turbine sont produits par coulée en lingots, suivie d'opérations de forgeage, de trempe et de revenu afin de décomposer la structure coulée et d'optimiser les propriétés. La première étape du processus de déformation, appellee décomposition des lingots, est réalisée bien au-dessus de la température para-équilibre Ae3 (température à laquelle la transformation de la ferrite en austénite accompagnée d'une diffusion interstitielle atteint l'équilibre, et produit donc des changements microstructuraux majeurs. De plus, la microstructure développée au cours du processus de décomposition des lingots a une influence déterminante dans la conception des traitements thermomécaniques ultérieurs pour obtenir les propriétés souhaitées dans le produit forgé. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et de comprendre les mécanismes impliqués dans l'évolution de la microstructure lors du forgeage de la structure coulée d'un acier moyennement allié à faible teneur en carbone utilisé comme matériau de matrice dans l'industrie du transport. En outre, le comportement constitutif de la structure telle que coulée a été modélisé et le modèle de matériau décrivant le mieux le comportement de l'acier étudié pendant le processus de décomposition des lingots de très gros lingots a été déterminé pour la première fois. Le modèle matériel développé a été implémenté dans un code d'éléments finis (FEM).

La première partie de cette étude fournit des détails sur le développement d'un modèle précis afin de prédire le comportement d'écoulement du matériau dans différentes conditions de déformation. L'évolution de la microstructure, de l’état coulé à l'état forgé, a été quantifiée avec précision et le modèle développé ainsi que les constantes de régression ont été identifiées. Le modèle qui permet de mieux anticiper les courbes d'écoulement lors de la déformation d'une structure de coulée a été déterminé. Plus précisément, les modèles constitutifs de Hansel-Spittel et d'Arrhenius ont été développés en utilisant des tests de compression à chaud puis incorporés dans le code FEM à l’aide du code de calcul Forge NxT 1.0®. Les résultats de la simulation ont été utilisés pour analyser le chauffage adiabatique et pour l'analyse de la force en fonction du temps.

Pour déterminer et quantifier la précision des modèles développés, une comparaison du modèle d'Arrhenius et de Hansel-Spittel est effectuée. La précision et la fiabilité des deux modèles ont été comparées en termes de coefficient de corrélation (R) et d'erreur relative absolue moyenne (EARM). Les valeurs de R et EARM pour le modèle d'Arrhenius sont comprises entre 0.978 et 1.76%, alors que pour le modèle de Hansel Spittel, elles sont comprises entre 0.972 et 3.17%. Les prédictions de contrainte déformations par les deux équations révèlent que le modèle de Hansel-Spittel est incapable de prédire l’adoucissement dynamique du matériau et s'est également avéré insignifiant dans la prédiction des courbes d'autres intervalles de paramètres. La modélisation par éléments finis (MEF) a été utilisée en intégrant les deux modèles dans le logiciel Forge NxT 1.0® pour la l'optimisation du processus de forgeage des lingots. D’une part, les résultats de la simulation ont montré un bon accord avec les valeurs théoriques du chauffage adiabatique en utilisant les deux modèles. D’autre part, le modèle d'Arrhenius était capable de prédire avec précision les valeurs de force en fonction du temps. Les résultats indiquent que le modèle d'Arrhenius est plus précis et efficace dans la prédiction du comportement de déformation de la structure coulée que le modèle de Hansel-Spittel.

La deuxième partie de cette étude analyse l'occurrence de la transformation dynamique au cours du processus de forgeage du lingot. Cette recherche se concentre sur les mécanismes fondamentaux responsables de l'évolution de la microstructure coulée vers une microstructure forgée. L'acier au carbone homogénéisé et coulé avec une taille de grain égale à 200 μm a été utilisé pour cette étude. La déformation à chaud est réalisée en utilisant un simulateur thermomécanique Gleeble 3800 à des températures entre 1150 ° C et 1200 ° C avec des vitesses de déformation égales à 0.25, 1 et 2 s-1. Les températures de déformation à chaud choisies étaient comprises entre 450-500 ° C au-dessus de Ae3. La technique de double différenciation a été utilisée pour analyser les courbes contrainte-déformation. Des différentes techniques comme la microscopie optique, le microscope électronique à balaya (MEB) et la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) ont été utilisées pour la caractérisation de la microstructure. La misorientation locale (KAM) a été utilisée pour mesurer la misorientation interne afin de séparer la fraction de grains de ferrite transformés dynamiquement (TD). Les résultats indiquent qu'avec l'augmentation de la température de déformation, la fraction de ferrite augmente, alors qu'elle diminue avec l'augmentation de la vitesse de déformation.

L'étude de l'effet de la vitesse de déformation sur la présence de ferrite DT et sa croissance a été déterminée à l'aide du coefficient de diffusion de la tuyauterie. On a constaté que le taux de déformation joue un rôle important dans l'évolution de la microstructure du DT. Des plaques de ferrite de Widmanstätten ont été observées à un taux de déformation plus élevé et, à des taux de déformation plus faibles, de la ferrite quasi polygonale a été observée. Le changement de morphologie était lié à la variation de la diffusivité du carbone et de la distance de diffusion avec le taux de déformation. Un mécanisme pour cette transformation est proposé et illustré schématiquement.

La troisième partie se concentre sur l'effet de l'addition de chrome (Cr) sur la transformation dynamique (TD) de l'austénite à la ferrite à une température supérieure à Ae3 et qui peut atteindre 430 ° C dans un acier faiblement allié en fonte. En calculant la force motrice et l'énergie de barrière à la transformation, les résultats ont montré que même si Cr augmente la force motrice de la transformation et l'énergie de la barrière augmentent. Afin de mieux comprendre fondamental au niveau atomistique, l'analyse de diffusion a été réalisée en considérant la contrainte dû à la déformation. Il a été constaté qu'avec l'augmentation de la contrainte, la diffusivité et la distance de diffusion augmentent. En comparant les résultats de diffusion du Cr avec ceux d'autres éléments comme le carbone et le silicium, on a trouvé que la distance de diffusivité et de diffusion du Cr est significativement plus faible que celle du carbone et du silicium. Cette découverte donne un aperçu de la façon dont des elements comme Cr augmentent l'énergie de barrière à TD, alors que des éléments comme le C et le Si agissent en faveur de TD. L'analyse de diffusion a également Montré que la température n'a aucun effet sur la diffusivité, la diffusion et la distance de diffusion de Si, Mn et Cr par rapport au C qui a un effet significatif avec un changement de la température.

La quatrième est focalisée sur l'étude de l'effet de la double déformation sur la cinétique de recristallisation métadynamique (MDRX). Le processus du forgeage du lingot comprend souvent plusieurs étapes de deformation successives avec des temps d'interpasses élevés, au cours desquels MDRX se produit. Des essais de compression isotherme en deux étapes ont été effectués à des températures égales à 1150 et 1200 ° C, à des vitesses de déformation de 0.25-2s-1 et des temps d'interpassage de 5-25 s. Sur la base des résultats expérimentaux, un modèle matériel pour MDRX a été proposé. Le modèle constitutif a été implémenté dans le logiciel Forge NxT 1.1® dans le but de simuler la compression multi étapes. Les predictions s'avèrent cohérentes avec l'analyse numérique et expérimentale. Cette constatation indique que les équations cinétiques proposées peuvent donner un comportement de d’adoucissement précis pour les déformations à chaud pour l'acier faiblement allié à l’état coulé.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 169-183).
Mots-clés libres: acier coulé faiblement allié, microstructure de l'acier coulé, equations constitutives, simulations par éléments finis, Forge Nxt 1.0®, déformation à chaud, transformation dynamique, diffusion, analyse par EBSD, recristallisation metadynamique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Jahazi, Mohammad
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 mai 2019 20:10
Dernière modification: 10 mai 2019 20:10
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2310

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