Mathematical modeling of the kinetics of martensite transformation and the thermomechanical properties of a low alloy medium-carbon steel

Liu, Jia Hong (2023). Mathematical modeling of the kinetics of martensite transformation and the thermomechanical properties of a low alloy medium-carbon steel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Heat treatment processes are essential for steels in order to achieve desirable mechanical properties for applications requiring important mechanical loadings. This is especially true for companies operating in the aerospace industry where the expected performance requirements are very high. However, heat treatments are not without detrimental effects. Indeed, they are also sources of rejected parts due to the introduction of unwanted and unquantified distortions exceeding tolerances that are often very tight. The presence of distortions is a problem for companies because productivity suffers, and additional costs may be needed to cover for the replacement of rejected parts. The prediction of distortions from a heat treatment is also very difficult, because it involves several physical fields with a multitude of interactions that needs to be assessed. To be able to quantify and predict these distortions, simulation is mandatory as it is the most cost-effective method in comparison to the trial-and-error practice. However, for accurate simulations, a reliable material data is required. Therefore, experiments must be caried out and models must be proposed based on the current manufacturing process of the company. For this project, the main objective is to provide accurate models for the kinetics of phase transformation and for the thermo-mechanical properties of a low alloy medium-carbon steel used in the manufacturing of a landing gear.

The first part of this study focuses on the phase transformation of a quenching process. Due to the industrial size of the component with complex geometry and different thicknesses, nonuniform temperature distribution is observed. This also leads to a non-uniform phase transformation occurring at different moments and at different rates during the whole quenching process. For a better understanding of the microstructure evolution, the phase transformation has been characterized by dilatometry. The ongoing phase transformation can simply be observed by the change in dilatation. Different cooling rates are also used under the martensite start temperature, better representing the quenching conditions of a landing gear. The results showed a significant deceleration in the transformation which increases with decreased cooling rates. This rarely documented behaviour has been attributed to the carbon partitioning from fresh martensite to the remaining austenite during auto-tempering.

Following this observation, a new mathematical model is proposed in the form of a routine. Although, there are already some existing models for the prediction of martensitic phase transformations, they are unable to accurately depict the deceleration. In the present model, equations describing the different mechanisms present during the phase transformation are implemented. The fraction of martensite is described by the Koistinen-Marburger equation. However, due to the underlying mechanism of carbon partitioning, the rate of transformation is affected and decreases with increase carbon concentration in the remaining austenite. The benefit of the proposed model is highlighted by its capability to predict the instantaneous factions of martensite for a wide range of anisothermal cooling routes as it is solely dependent on material parameters.

The second part of the project covers the entire steps for the determination of the thermomechanical properties of austenite and martensite for the temperature range of the quenching process, 25°C to 875°C. The main mechanical properties are the Young’s modulus, viscous stress, kinematic hardening stress, isotropic hardening stress and the mathematical yield stress. The experiments are conducted on the Gleeble and similarly to the previous section, models are proposed for the material properties extracted.

Titre traduit

Modélisation mathématique de la cinétique de transformation martensitique et des propriétés thermomécaniques d’un acier faiblement allié à moyen carbone

Résumé traduit

Les processus de traitement thermique sont essentiels pour les aciers afin d'obtenir des propriétés mécaniques souhaitables pour les applications nécessitant des charges mécaniques importantes. Cela est particulièrement vrai pour les entreprises opérant dans l'industrie aérospatiale, où les exigences de performance attendues sont très élevées. Cependant, les traitements thermiques ne sont pas sans effets indésirables. En effet, ils sont également sources de pièces rejetées en raison de l'apparition de distorsions non désirées et non quantifiées dépassant des tolérances souvent très serrées. La présence de distorsions est un problème pour les entreprises car la productivité en souffre, et des coûts supplémentaires peuvent être nécessaires pour couvrir le remplacement des pièces rejetées. La prédiction des distorsions dues à un traitement thermique est également très difficile, car elle fait intervenir plusieurs champs physiques avec une multitude d'interactions qu'il faut évaluer. Pour pouvoir quantifier et prédire ces déformations, la simulation est obligatoire car c'est la méthode la plus rentable par rapport à la pratique par essais et erreurs. Cependant, pour des simulations précises, des données de matériau fiables sont nécessaires. Par conséquent, des expériences doivent être réalisées et des modèles doivent être proposés selon le processus de fabrication actuel de l'entreprise. Pour ce projet, l'objectif principal est de fournir des modèles précis pour la cinétique de transformation de phase et pour les propriétés thermomécaniques d’un acier faiblement allié à moyen carbone utilisé dans la fabrication d’un train d’atterrissage.

La première partie de cette étude se concentre sur la transformation de phase durant une trempe. En raison de la taille industrielle du composant avec une géométrie complexe et différentes épaisseurs, une distribution non uniforme de la température est observée. Cela conduit également à une transformation de phase non uniforme se produisant à différents moments et à différentes vitesses pendant tout le processus de trempe. Pour mieux comprendre l'évolution de la microstructure, la transformation de phase a été caractérisée par dilatométrie. La transformation de phase en cours peut être simplement observée par le changement de dilatation. Différentes vitesses de refroidissement sont également utilisées sous la température de début de transformation martensitique, représentant mieux les conditions de trempe d'un train d'atterrissage. Les résultats ont montré une décélération significative de la transformation qui décroit davantage avec la diminution des taux de refroidissement. Ce comportement rarement documenté a été attribué au partitionnement du carbone de la martensite fraîche vers l'austénite restante pendant l’auto-revenu.

Suite à cette observation, un nouveau modèle mathématique est proposé sous la forme d'une routine. Bien qu'il existe déjà quelques modèles pour la prédiction des transformations de phase martensitiques, ils sont incapables de décrire avec précision la décélération. Dans le présent modèle, des équations décrivant les différents mécanismes présents lors de la transformation sont implémentées. La fraction de martensite est décrite par l'équation de KoistinenMarburger. Cependant, en raison du mécanisme sous-jacent du partitionnement du carbone, la vitesse de transformation est affectée et diminue avec l'augmentation de la concentration de carbone dans l'austénite restante. L'avantage du modèle proposé est mis en évidence par sa capacité à prédire les fractions instantanées de martensite pour une vaste gamme de chemins de refroidissement car il ne dépend que des paramètres du matériau.

La deuxième partie du projet couvre l'ensemble des étapes de la détermination des propriétés thermo-mécaniques de l'austénite et de la martensite pour la gamme de température du processus de trempe, 25°C à 875°C. Les principales propriétés mécaniques sont le module d'Young, la contrainte visqueuse, la contrainte de durcissement cinématique, la contrainte de durcissement isotrope et la limite d'élasticité mathématique. Les expériences sont menées sur le Gleeble et, comme dans la section précédente, des modèles sont proposés pour les propriétés extraites.

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 137-151).
Mots-clés libres:	acier faiblement allié à moyen carbone, traitement thermique, dilatométrie, martensite, diffusion, transformation de phase, partitionnement du carbone, modélisation, propriétés thermomécaniques, contraintes mécaniques, plasticité de transformation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 févr. 2024 16:27
Dernière modification:	12 févr. 2024 16:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3404

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