Microstructure-based process modeling of open die forging of a high strength martensitic stainless steel

Dourandish, Simin (2022). Microstructure-based process modeling of open die forging of a high strength martensitic stainless steel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In engineering components, high-strength stainless steels are well known for their corrosion resistance and excellent combination of strength and toughness. Heat treatment can change their properties and make them suitable for a variety of applications such as offshore platforms for oil extraction, cutting tools, steam generators, pressure vessels, and blades. Manufacturing of these large components starts with the sequence of casting, forging, quenching, and tempering operations. The main aim of forging the as-cast ingot is to eliminate the casting defects that occur during solidification including shrinkage, segregation, porosity, non-metallic inclusion, and cracks. These defects are initiated during the teeming of the liquid steel and/or during solidification in the mold. Although casting process optimization has been used to reduce the incidence of these defects, preventing them is very difficult. A detrimental defect causes heterogeneous properties in the final cast ingot, which significantly affects the performance and suitability of the final products. However, if the defects are too big, it is very difficult to heal all the porosity just by the forward forging process. As a result, the appropriate and accurate forging schedule is significant for heavy manufacturing industries. It is the main purpose of this work to examine the mechanisms involved in the microstructural evolution of a martensitic stainless steel used in oil and gas industries as a turbine shaft during the breakdown of the as-cast structure. In addition, the hot deformation behavior of the investigated steel was modeled using the best predictable material model. Using a finite element code, the constitutive equations and microstructure evolution models are implemented, and then thermomechanical and microstructure evolution are coupled.

The first part of this study provides the microstructure characterization of casting structures during solidification. Advanced characterization techniques were used to determine the phase distribution, chemical composition, and phase identification. All determining factors were considered to investigate the occurrence of phase precipitation and segregation during the casting process.

The second part of this study is focused on isothermal hot compression tests using the thermomechanical simulator machine, Gleeble TM 3800, in order to determine the flow behavior of the investigated martensitic stainless steel under a wide range of temperatures and strain rates corresponding to the industrial forging process for large size ingots. The measured flow stresses were corrected by considering the effect of friction and adiabatic heating and then used to develop a model in order to predict the flow behavior of the material. The mathematical equations that best predict the flow curves model were established and the accuracy of the developed material model was verified with experimental measurements.

Heavy forging is a highly nonlinear process in which plastic deformation and recrystallization change both the microstructure and the boundary conditions. In hot forging, microstructure evolution impacts deformation behaviors due to its effects on dynamic recovery, dynamic recrystallization, and grain growth. At the same time, forging parameters such as strain, strain rate, temperature, and pass sequence control microstructure evolution. Therefore, the third part of this project was allocated to investigating the effect of working parameters on microstructure evolution during the hot forging of martensitic stainless steel. After experimental analysis of microstructure evolution, the mathematical equations which describe the microstructure changes were developed.

The next step was integrating the constitutive equations and microstructure models into a 3D finite element code to predict the variations of strain, dynamic recrystallization fraction, DRX grain size, and damage. The most important criterion in the forging industry is to determine the deformation conditions at which the ingot is susceptible to cracking and failure of the component. Therefore, the prediction of the risky deformation conditions or areas of the component is of great importance.

After the validation of all models, the forging process of a 13.5-ton ingot was simulated by the developed system based on industrial operational practice. The influence of working parameters including temperature, strain, and strain rate on microstructure evolution was analyzed. Simulation of the forging process has been used to analyze strain, temperature, dynamic recrystallization volume fraction, and grain size variations. Based on the developed simulation system, an optimum hot forging process was designed.

Titre traduit

Modélisation de procédé basée sur la microstructure de forgeage à matrice ouverte des arbres de turbine en aciers à haute résistance

Résumé traduit

Dans les composants techniques, les aciers à haute résistance sont bien connus pour leur résistance à la corrosion et leur excellente combinaison de résistance et de ténacité. Le traitement thermique peut changer leurs propriétés et les rendre adaptées à une variété d’applications telles que les plates-formes offshores pour l’extraction du pétrole, les outils de coupe, les générateurs de vapeur, les récipients sous pression et les lames. La fabrication de ces gros composants commence par la séquence des opérations de coulée, de forgeage, de trempe et de revenu. Le but principal du forgeage du lingot coulé est d’éliminer les défauts de coulée qui se produisent pendant la solidification, y compris le retrait, la ségrégation, la porosité, l’inclusion non métallique et les fissures. Ces défauts sont initiés lors du grondement de l’acier liquide et/ou lors de la solidification dans le moule. Bien que l’optimisation du processus de coulée ait été utilisée pour réduire l’incidence de ces défauts, il est très difficile de les prévenir. Un défaut préjudiciable entraîne des propriétés hétérogènes dans le lingot coulé final, ce qui affecte considérablement les performances et l’aptitude des produits finis. Cependant, si les défauts sont trop grands, il est très difficile de guérir toute la porosité seulement le procédé de forgeage avant. Par conséquent, le calendrier de forgeage approprié et précis est important pour les industries de fabrication lourde. Le but principal de ce travail est d’examiner les mécanismes impliqués dans l’évolution microstructurale de l’acier inoxydable martensitique utilisée dans les industries pétrolières et gazières comme arbre de turbine pendant la rupture de la structure coulée. En outre, le comportement de déformation à chaud de l’acier étudié a été modélisé à l’aide du meilleur modèle de matériau prévisible. En utilisant un code d’éléments finis, les équations constitutives et les modèles d’évolution de microstructure sont mis en œuvre, puis l’évolution thermomécanique et de microstructure sont couplées.

La première partie de cette étude fournit la caractérisation des structures de coulée lors de la solidification. Des techniques avancées de caractérisation ont été utilisées pour déterminer la distribution, la composition chimique et l’identification des phases. Tous les facteurs déterminants ont été pris en compte pour étudier la précipitation et la ségrégation en phase pendant le processus de coulée.

La deuxième partie de cette étude consiste à effectuer les essais de compression isotherme à chaud à l’aide d’un simulateur thermomécanique, GleebleTM 3800, pour déterminer le comportement d’écoulement de l’acier inoxydable martensitique sous une large gamme de températures et de vitesses de déformation correspondant au procédé de forgeage industriel pour les lingots de grande taille. La contrainte d’écoulement mesurée a été corrigée en considérant l’effet du frottement et du chauffage adiabatique. La contrainte d’écoulement double corrigée est utilisée pour développer un modèle précis afin de prédire le comportement d’écoulement du matériau. Le meilleur modèle de courbes de flux prédictives a été établi et sa précision a été vérifiée auprès de la mesure expérimentale. Plus précisément, la comparaison quantitative est effectuée entre les modèles Hansel-Spittel et les modèles à compensation de déformation pour déterminer la précision des modèles développés.

Le forgeage lourd est un procédé hautement non linéaire dans lequel la déformation plastique et la recristallisation modifient à la fois la microstructure et les conditions limites. Dans le forgeage à chaud, l’évolution de la microstructure influe sur les comportements de déformation en raison de ses effets sur la récupération dynamique, la recristallisation dynamique et la croissance du grain. En même temps, les paramètres de forgeage tel que la déformation, la température et l’évolution de la microstructure de commande de séquence de passage. Par conséquent, la troisième partie de ce projet est consacré à l’étude de l’effet des paramètres de travail sur l’évolution de la microstructure pendant le forgeage à chaud du MSS. Après une analyse expérimentale de l’évolution de la microstructure, les équations mathématiques qui décrivent les changements de microstructure ont été développées.

La prochaine étape consiste à intégrer quelques équations constitutives et des modèles de microstructure dans un simulateur d’éléments finis 3D pour prédire les variations de déformation, de fraction DRX, de taille de grain DRX et de critères de dommages. Une des industries de forgeage détermine les conditions de déformation dans lesquelles le lingot est susceptible de fissuration et de défaillance du composant. Il est donc très important de prévoir les conditions de déformation risquées ou la région du composant avec un facteur de dommage maximal

Après validation de tous les modèles, le processus de forgeage du lingot de 13,5-tonne a été simulé par le système développé correspondant à la condition industrielle. L’influence des paramètres de travail, y compris la température, la déformation et le taux de déformation, sur l’évolution de la microstructure a été analysée. La simulation du processus de forgeage a été utilisée pour analyser la déformation, la température, la fraction dynamique du volume de recristallisation et les variations de la taille du grain. Sur la base du système de simulation développée, un autre procédé de forgeage à chaud optimal a été conçu.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 201-219).
Mots-clés libres:	acier inoxydable martensitique, déformation à chaud, simulation d’éléments finis, évolution microstructure, forgeage de lingots de grande taille, recristallisation dynamique, analyse des dommages, équation constitutive, modélisation de matériaux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Ebrahimi, Gholamreza
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 févr. 2023 15:43
Dernière modification:	20 févr. 2023 15:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3176

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