On the applicability of JMAK-type models in predicting IN718 microstructural evolution

• Autorzy: Stefani N. , Bylya O. , Reshetov A. , Blackwell P.

Warianty tytułu

PL

Przydatność modelu typu JMAK do przewidywania rozwoju mikrostruktury stopu IN718

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Nickel-based superalloys are widely used in the aerospace sector for their mechanical properties, which are directly related to the microstructural and physical properties of these materials. JMAK-type models have been applied to this class of superalloys for the prediction of microstructural evolution phenomena such as recrystallisation. However, these models often lack a clear range of applicability. The majority of the successful applications normally address rather idealised processes (relatively slow forging, simple geometry). However, the real-world production environment generally involves complex strain paths and thermal histories. Thus, there arises the question of whether the JMAK-type models can be applied to such cases. This paper’s research focus is to investigate the applicability of JMAK-type models for such processes. To do this, screw press forging of disks was used to validate the in-built JMAK-type model of Inconel 718® available in DEFORMTM. In particular, the applicability of the model was examined using a comparison between the results from simulation and from metallographic analysis. At first, the appropriateness of the JMAK outputs in describing the observed microstructures was investigated and then quantitative results were evaluated. The model’s outputs were found to be insufficient in describing the observed microstructural states and additional parameters were deemed necessary. The model’s predictions ranged from a broadly good match, for which the model could be calibrated with a proposed new methodology, to a qualitative mismatch that highlights the limits of the model’s applicability.

PL

Ze względu na swoje wysokie własności mechaniczne, ściśle związane z mikrostrukturą i własnościami fizycznymi, stopy na bazie niklu są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym. Modele typu JMAK są powszechnie wykorzystywane do opisu rozwoju mikrostruktury w tych stopach. Należy jednak zdawać sobie sprawę z faktu, że te modele mają czasem ograniczone zastosowanie. Większość udanych przykładów wykorzystania modelu JMAK dotyczy wyidealizowanych procesów charakteryzujących się prostą geometrią i małymi prędkościami odkształcania. Z drugiej strony, w przemysłowych procesach kucia mamy często do czynienia ze złożonymi drogami odkształcenia i złożonymi cieplnymi historiami odkształcenia. Powstaje zatem pytanie na ile modele JMAK mogą być zastosowane do analizowanego w pracy przypadku kucia stopu IN718. Aby odpowiedzieć na to pytanie przeprowadzono badania zmierzające do oceny przydatności modeli JMAK. Ten cel osiągnięto przeprowadzając symulacje procesu prasowania dysku ze stopu Inconel 718®, stosując model JMAK wbudowany w program z metody elementów skończonych. Parametry modelu pobrano z bazy danych programu DEFORMTM. Przydatność modelu oceniano na podstawie porównania wyników symulacji numerycznej z analizą metalograficzną próbek po symulacji fizycznej. W pierwszej kolejności oceniono poprawność jakościową modelu w opisie rozwoju mikrostruktury, a następnie porównano wyniki ilościowe. Analiza wszystkich wyników wykazała, że przewidywania modelu nie były satysfakcjonujące i konieczne było uwzględnienie dodatkowych parametrów procesu. Uzyskiwane wyniki wahały się od bardzo dobrej zgodności z doświadczeniem, i dla tych warunków możliwa była kalibracja modelu, do dużych rozbieżności które wyznaczały zakres stosowalności modelu.

Słowa kluczowe

EN

Inconel 718®; hot forging; microstructure modeling; JMAK

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 17, No. 1
• Strony: 59--68
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Stefani N.

• Department of Design, Manufacture and Engineering Management, University of Strathclyde, 75 Montrose Street, Glasgow, G1 1XJ, UK

autor

Bylya O.

• Advanced Forming Research Centre, University of Strathclyde, 85 Inchinnan Drive, Inchinnan, Renfrewshire, PA4 9LJ, UK

autor

Reshetov A.

• Advanced Forming Research Centre, University of Strathclyde, 85 Inchinnan Drive, Inchinnan, Renfrewshire, PA4 9LJ, UK

autor

Blackwell P.

• Advanced Forming Research Centre, University of Strathclyde, 85 Inchinnan Drive, Inchinnan, Renfrewshire, PA4 9LJ, UK

Bibliografia

• ASTM El 12-13, 2014, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, ASTM International, 1-28.
• Avrami, M.,1941, Granulation, Phase Change, and
• Microstructure Kinetics of Phase Change. Ill, The Journal of Chemical Physics, 9(2), 177.
• Avrami, M.,1940, Kinetics of Phase Change. II -
• Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei, Journal of Chemical Physics, 8(1940), 212- 224.
• Avrami, M., 1939, Kinetics of phase change. 1 general theory, The Journal of Chemical Physics, 7(12), 1103.
• Brand, A. J., Karhausen, K., Kopp, R., 1996, Microstructural simulation of nickel base alloy Incone* 718 in production of turbine discs, Materials Science and Technology, 12(11), 963-969.
• DEFORM™, 2014, DEFORM™ VI 1.0.1 System Documentation, Reed Road Columbus, Ohio: Scientific Forming Technologies Corporation.
• Hallberg, II., 2011, Approaches to Modeling of Recrystallization, Metals, 1(1), 16-48.
• Huang, D., Wu, W.T., Lambert, D., S. L. Semiatin, 2001, Computer simulation of microstructure evolution during hot forging of Waspaloy and nickel alloy 718, Proc. Microstruct. Model. Predict. Dur. thermomechanical Process. TMS, eds, R. Srinivasan, S.L. Semiatin, A. Beaudoin, S. Fox, Z. Jin, Indianapolis (Indiana), 137-146.
• Huber, D., Stotter, C., Sommitsch, C., Mitsche, S., Poelt, P., Buchmayr, B., Stockinger, M., 2008, Microstructure modeling of the dynamic recrystallization kinetics during turbine disc forging of the nickel based superalloy Allvac 718Plus™, Sitperalloys 2008, 855-861.
• Humphreys, F.J., Hatherly, M., 2004, Recrystallization and related annealing phenomena, Elsevier, Amsterdam.
• Johnson, W., Mehl, R., 1939, Reaction kinetics in processes of nucleation and growth. Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, (135), 416-458.
• Kolmogorov, A.N., 1937, On the Statistical Theory of the Crystallization of Metals, Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR, I (Mathematics Series), 355-359.
• Medeiros, S.C., Prasad, Y.V.R.K., Frazies, W.G., Srinivasan, R., 2000, Microstructural modeling of metadynamic recrystallization in hot working of IN 718 superalloy. Materials Science and Engineering A, 293( 1), 198-207.
• Micas Simulation LTD, QFORM v8 FE package documentation: Description of Microstructure evolution model, Available at: http://www.qform3d.co.uk/db_files/ 17/123.pdf [Accessed September 1, 2016|.
• Mirzadeh, H„ Najafizadeh, A., Moazeny, M., 2009, Flow curve analysis of 17-4 PH stainless steel under hot compression test, Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 40(12), 2950-2958.
• Na, Y.S., Teom, J.T., Park, N.K., Lee, J.Y., 2003. Simulation of microstructures for Alloy 718 blade forging using 3D FEM simulator, Journal of Materials Processing Technology, 141(3),337-342.
• Prasad, Y.V.R.K., Rao, K.P., Sasidhara, S., 1997, Hot Working Guide: A Compendium of Processing Maps Second Edi., ASM International, Materials Park (Ohio).
• Reshetov, A., Bylya, O., Stefani, N., Rosochowska, M„ Blackwell, P., 2016, An Approach To Microstructure Modelling In Nickel Based Superalloys, TMS I3'h International Symposium on Superalloys, eds., M. Hardy, E. Huron, U. Glatzel, B. Griffin, B. Lewis, C. Rae, V. Seetharaman, S. Ti, Seven Springs (Pennsylvania), 531 - 538.
• Sellars, C.M., Whiteman, J. A., 1979, Recrystallization and grain growth in hot rolling. Metal Science, 13(April), 187-194.
• Sims, C.T., 1984, A History of Superalloy Metallurgy for Superalloy Metallurgists, Superalloys 1984 (Fifth International Symposium), ed., M. Gel, 399-419.
• Sui, F.L., Xu, L.X., Chen, L.Q., Liu, X.H., 2011, Processing map for hot working of Inconel 718 alloy. Journal of Materials Processing Technology, 211(3), 433-440.
• Zhang, J.M., Gao, Z.Y., Zhuang, J.Y., Zhong, Z.Y., 1999, Mathematical modeling of the hot-deformation behavior of superalloy IN718, Metallurgical and Materials Transactions A, 30( 10), 2701 -1712.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).