Influence of deformation path on microstructure and damage evolution during the open die forging of high strength steels: experiments and FE analysis

Dhondapure, Prashant (2025). Influence of deformation path on microstructure and damage evolution during the open die forging of high strength steels: experiments and FE analysis. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Large forged blocks of medium carbon, high strength tool steels are widely used in the forming industries to manufacture dies for applications such as plastic injection molding, hot deformation, and extrusion. The production of these components involves a sequence of casting, forging, quenching, and tempering operations. The primary goal of the forging process is to eliminate casting defects that may arise during solidification, such as segregation, shrinkage, porosity and break the as cast structure and convert it to a more homogeneous and isotropic material, wrought microstructure. It is essential to mitigate as many casting defects as possible during the forging stage. However, when the defects are large, it is not possible to fully eliminate them before or after forging through heat treatment alone, making it challenging to address material heterogeneity using heat treatment.

Key parameters present during the forging process are strain rate, temperature, and strain significantly affecting both process efficiency and the quality of the final product. In addition to these parameters, factors like die and ingot geometry, die width ratio, and press capacity influence material flow and microstructure evolution during forging. This research specifically investigates the impact of die geometry by altering its design to create different deformation paths. The main objective of this thesis is to examine the effects of these deformation paths on microstructure evolution and damage development during the open die forging of high strength steels.

The first step of this study was to develop a microstructure-based finite element (FE) model to examine the impact of deformation path on microstructure evolution, DRX fraction and DRX grain size, during the upsetting process of large medium carbon low alloy high strength steel ingot. To achieve this, hot compression tests were performed using the Gleeble 3800 thermomechanical simulator. The flow stress data obtained from these tests were corrected and used to establish both a material model and a microstructure model. These models were then integrated into the Forge® NxT 3.2 finite element simulation software using user routine. The FE predictions were validated by comparing them with experimental results from hot compression test, ensuring accurate predictions of flow stress and recrystallized grain size at the end of hot deformation. After validation, the FE model was scaled up to simulate the industrial upsetting process, enabling an investigation into the effects of deformation path on strain inhomogeneity and microstructure evolution in large forged ingots. An analysis of four die geometries was conducted to identify the optimal die shape for minimizing strain and grain size inhomogeneity across the ingot. The study found that the convex die caused the least deformation, while the concave die induced the highest deformation values at the ingot's center. Using the coefficient of variation, as a measure of heterogeneity, it was concluded that the vdie and concave die produced a more uniform grain size distribution compared to the flat and convex dies.

The second part of study focused on investigation of the influence of deformation path, illustrated by die geometry, on damage evolution during the cogging of difficult to forge, medium carbon high alloy- high strength AISI H13 steel. Hot compression and tensile tests were performed using Gleeble 3800 thermomechanical simulator to develop the optimum material model which was then implemented in the finite element (FE) code Forge® NxT 3.2 using a developed user subroutine. Normalized Cockcroft and Latham damage criterion and maximum shear stress (Tresca’s) theory of failure were used to predict the damage and failure in the center axis of the shaft through FE analysis with three different die shapes: concave, flat, and convex. A comparative study between the three die geometries was conducted to quantify the effects of each of them on the sensitivity to central burst damage. FE model was validated using industrial data. The lowest and highest damage values were found to occur in the case of cogging with concave and flat die, respectively. The coefficient of variation (CoV) was employed as a measure of heterogeneity and it was found that the concave die provided more uniform deformation and most favorable results for the cogging compared to the flat and convex dies. The novel approach, application of concave die was successfully implemented at the industrial scale cogging.

The third and last part of this study focuses on physical and numerical simulations of a multistep deformation process to investigate how deformation path influences microstructure evolution and the distribution of mechanical properties. Multi-step deformation experiments were conducted on high strength steel specimens using the Gleeble 3800 thermomechanical simulator, equipped with the MaxStrain® attachment. All tests were performed at a strain rate of 0.01 s⁻¹ and a temperature of 1150°C, with two different deformation paths considered. A total true strain of 0.84 was achieved over four steps, with approximately 0.21 strain applied in each step. The results were analyzed to examine the effect of varying deformation paths on microstructure evolution and hardness distribution. A finite element (FE) model was created using the Forge® NxT 3.2 FE code to simulate the multi-step deformation process. This FE model was validated against the measured average grain size and hardness distribution following the multi-step deformation experiments. Once validated, the FE model was able to predict strain distribution, dynamic recrystallization (DRX) volume fraction, and grain size evolution during the process. A comparative analysis of results from the two deformation paths was performed to identify the optimal path for achieving a uniform strain and grain size distribution. The Coefficient of Variation (CoV) was used to evaluate the heterogeneity of the hardness distribution. The findings indicated that concave anvils promoted a higher and more uniform strain distribution, which resulted in a more homogeneous grain size and hardness distribution

Titre traduit

Influence du chemin de déformation sur la microstructure et l'évolution de l'endommagement pendant le forgeage à matrice ouverte des aciers à haute résistance: études expérimentales et analyse par éléments finis

Résumé traduit

Les grands blocs forgés en aciers à outils à teneur moyenne en carbone et à haute résistance sont largement utilisés dans les industries de formage pour fabriquer des matrices destinées à des applications telles que le moulage par injection de plastique, la déformation à chaud et l'extrusion. La production de ces composants implique une séquence d'opérations de moulage, de forgeage, de trempe et de revenu. L'objectif principal du processus de forgeage est d'éliminer les défauts de coulée qui peuvent survenir pendant la solidification, tels que la ségrégation, le retrait, la porosité, et la rupture de la structure de la pièce coulée pour la convertir en un matériau plus homogène et isotrope, la microstructure de corroyage. Il est essentiel d'atténuer autant que possible les défauts de coulée au cours de la phase de forgeage. Toutefois, lorsque les défauts sont importants, il devient difficile de les éliminer complètement et de traiter l'hétérogénéité par le seul traitement thermique.

Les paramètres clés présents au cours du processus de forgeage sont la vitesse de déformation, la température et la déformation, qui affectent de manière significative l'efficacité du processus et la qualité du produit final. Outre ces paramètres, des facteurs tels que la géométrie de la matrice et du lingot, le rapport entre la largeur de la matrice et la capacité de la presse influencent l'écoulement du matériau et l'évolution de la microstructure pendant le forgeage. Cette recherche étudie spécifiquement l'impact de la géométrie de la matrice en modifiant sa conception pour créer différents chemins de déformation. L'objectif principal de cette thèse est d'examiner les effets de ces trajectoires de déformation sur l'évolution de la microstructure et le développement des dommages pendant le forgeage à matrice ouverte des aciers à haute résistance.

La première étape de cette étude a consisté à développer un modèle d'éléments finis basé sur la microstructure afin d'examiner l'impact du chemin de déformation sur l'évolution de la microstructure pendant le processus de refoulement des lingots te grande dimension d'acier à haute résistance, moyennement carboné et faiblement allié. Pour ce faire, des essais de compression à chaud ont été réalisés à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800. Les données de contrainte d'écoulement obtenues à partir de ces essais ont été corrigées et utilisées pour établir un modèle de matériau et un modèle de microstructure. Ces modèles ont ensuite été intégrés dans le logiciel de simulation par éléments finis Forge® NxT 3.2 à l'aide d'une routine utilisateur. Les prévisions des éléments finis ont été validées en les comparant aux résultats expérimentaux des essais de compression à chaud, ce qui a permis d'obtenir des prévisions précises de la contrainte d'écoulement et de la taille des grains recristallisés à la fin de la déformation à chaud. Après validation, le modèle d'éléments finis a été mis à l'échelle pour simuler le processus industriel de refoulement, ce qui a permis d'étudier les effets de la trajectoire de déformation sur l'inhomogénéité de la déformation et l'évolution de la microstructure dans les grands lingots forgés. Une analyse de quatre géométries de matrice a été réalisée afin d'identifier la forme optimale de la filière pour minimiser l'inhomogénéité de la déformation et de la taille des grains dans le lingot. L'étude a montré que la matrice convexe provoquait la déformation la plus faible, tandis que la matrice concave induisait les valeurs de déformation les plus élevées au centre du lingot. En utilisant le coefficient de variation comme mesure de l'hétérogénéité, il a été conclu que la matrice en V et la matrice concave produisaient une distribution plus uniforme de la taille des grains que les matrices plates et convexes.

La deuxième partie de l'étude s'est concentrée sur l'influence du chemin de déformation, illustré par la géométrie de la matrice, sur l'évolution des dommages pendant le cogging de l'acier AISI H13 difficile à forger, à teneur moyenne en carbone et à alliage élevé et à haute résistance. Des essais de compression et de traction à chaud ont été réalisés à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800 pour développer le modèle de matériau optimal qui a ensuite été implémenté dans le code d'éléments finis Forge® NxT 3.2 à l'aide d'un sous-programme développé par l'utilisateur. Le critère d'endommagement normalisé de Cockcroft et Latham et la théorie de la rupture par contrainte de cisaillement maximale (Tresca) ont été utilisés pour prédire l'endommagement et la rupture dans l'axe central de l'arbre au moyen d'une analyse par éléments finis avec trois formes de matrice différentes : concave, plate et convexe. Une étude comparative entre les trois géométries de matrice a été menée pour quantifier les effets de chacune d'entre elles sur la sensibilité à l'endommagement de l'éclatement central. Le modèle d'éléments finis a été validé à l'aide de données industrielles. Les valeurs d'endommagement les plus faibles et les plus élevées ont été trouvées dans le cas d'un cogging avec une matrice concave et une filière plate, respectivement. Le coefficient de variation (CoV) a été utilisé comme mesure de l'hétérogénéité et il a été constaté que la matrice concave fournissait une déformation plus uniforme et les résultats les plus favorables pour le cogging par rapport aux matrices plates et convexes. La nouvelle approche, l'application de la matrice concave, a été mise en oeuvre avec succès à l'échelle industrielle.

La troisième et dernière partie de cette étude se concentre sur les simulations physiques et numériques d'un processus de déformation en plusieurs étapes afin d'étudier comment le chemin de déformation influence l'évolution de la microstructure et la distribution des propriétés mécaniques. Des expériences de déformation en plusieurs étapes ont été menées sur des échantillons d'acier à haute résistance à l'aide du simulateur thermomécanique Gleeble 3800, équipé de l'accessoire MaxStrain®. Tous les essais ont été réalisés à une vitesse de déformation de 0,01 s-¹ et à une température de 1150°C, avec deux trajectoires de déformation différentes. Une déformation réelle totale de 0,84 a été obtenue en quatre étapes, avec une déformation d'environ 0,21 appliquée à chaque étape. Les résultats ont été analysés pour examiner l'effet des différentes trajectoires de déformation sur l'évolution de la microstructure et la distribution de la dureté. Un modèle d'éléments finis a été créé à l'aide du code Forge® NxT 3.2 pour simuler le processus de déformation en plusieurs étapes. Ce modèle d'éléments finis a été validé par rapport à la taille moyenne des grains mesurée et à la distribution de la dureté à la suite des expériences de déformation en plusieurs étapes. Une fois validé, le modèle FE a permis de prédire la distribution des déformations, la fraction volumique de la recristallisation dynamique (DRX) et l'évolution de la taille des grains au cours du processus. Une analyse comparative des résultats des deux voies de déformation a été réalisée afin d'identifier la voie optimale pour obtenir une déformation uniforme et une distribution de la taille des grains. Le coefficient de variation (CoV) a été utilisé pour évaluer l'hétérogénéité de la distribution de la dureté. Les résultats indiquent que les enclumes concaves favorisent une distribution plus élevée et plus uniforme de la déformation, ce qui se traduit par une distribution plus homogène de la taille des grains et de la dureté.

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 201-218).
Mots-clés libres:	modèle FE basé sur la microstructure, chemins de déformation, évolution de la microstructure, lingot de grande taille, forgeage, acier à moyenne teneur en carbone, cogging, formation d'éclats centraux, AISI H13, géométrie de la matrice, évolution des dommages, Gleeble 3800 Maxstrain®, déformation en plusieurs étapes, analyse FE, propriétés mécaniques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 sept. 2025 18:26
Dernière modification:	24 sept. 2025 18:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3725

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