Precipitation-hardened low-carbon high-strength bainitic steels for manufacturing of fasteners

• Autorzy: Kuziak Roman , Pidvysots’kyy Valeriy , Węglarczyk Stanisław , Pietrzyk Maciej

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.19.3.2

Warianty tytułu

PL

Niskowęglowe stale bainityczne umacniane wydzieleniowo do produkcji elementów złącznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Design of the manufacturing chain for fasteners made of precipitation-hardened low-carbon high-strength bainitic steels was the objective of the paper. The choice of the material was based on the good performance of these steels in various applications. Compression tests at different temperatures (20-300°C) and different strain rates (0.1-10 s-1) were performed to provide data for identification of the flow stress model for the selected steels. Authors inverse algorithm was applied to determine coefficients in the flow stress model, which was implemented into the FE code Forge. Simulations of the whole manufacturing chain involving hot rolling of rods, controlled cooling, drawing and 4-step cold forging were performed. Physical simulations were performed on the Gleeble 3800 to validate material models, which were used in optimization of manufacturing chains for fasteners. Good predictive capability of the material models was confirmed. Final part of the paper presents an application of numerical modelling for the design of the best manufacturing technology. Since simulation of the one case of manufacturing requires very long computing times, application of classical mathematical optimization was not possible. Therefore, an approach known as variant optimization was applied. In this approach, trial and error method was combined with the knowledge of the expert. The objective was to improve the material flow in the forging and to improve the contact between the head of the fastener and the material being joined. Various variants of the technology were simulated and new technological parameters were proposed, which gave noticeable improvement of the objective function.

PL

W artykule scharakteryzowano proces projektowania technologii kucia elementów złącznych z niskowęglowych stali bainitycznych umacnianych wydzieleniowo. Technologię kucia zaprojektowano na podstawie symulacji numerycznych z wykorzystaniem programu Forge. Do symulacji użyto modelu reologicznego badanych stali opracowanego metodą analizy odwrotnej prób plastometrycznych zrealizowanych za pomocą symulatora Gleeble 3800. Badania plastometryczne przeprowadzono na próbkach cylindrycznych w przedziale temperaturowym 20-300°C i prędkości odkształcenia 0,1-10 s-1. Celem przeprowadzonych badań było przeprowadzenie symulacji fizycznych i numerycznych całego łańcucha produkcyjnego elementów złącznych z uwzględnieniem walcowania i chłodzenia walcówki, przeciągania i kucia na zimno. W końcowej części artykułu scharakteryzowano możliwości modelowania numerycznego w celu opracowania najkorzystniejszej technologii wytwarzania elementów złącznych. W tym przypadku zastosowanie klasycznych algorytmów optymalizacyjnych okazało się niemożliwe. Dlatego zastosowano podejście optymalizacji wariantów technologicznych metodą prób i błędów, połączoną z wiedzą ekspercką. W wyniku zastosowanej metody opracowano najkorzystniejszy wariant kucia zarówno z uwagi na płynięcie plastyczne materiału, jak również optymalny kontakt główki elementu złącznego z łączonym elementem.

Słowa kluczowe

EN

fasteners; precipitation strengthened bainitic steels; cold forging; numerical simulation

PL

elementy złączne; stale bainityczne umacniane wydzieleniowo; kucie na zimno; symulacja numeryczna

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 71, no. 3
• Strony: 8--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kuziak Roman

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Ferrous Metallurgy

autor

Pidvysots’kyy Valeriy

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Ferrous Metallurgy

autor

Węglarczyk Stanisław

• AGH University of Science and Technology

autor

Pietrzyk Maciej

• AGH University of Science and Technology

Bibliografia

• [1] R. Kuziak, V. Pidvysots’kyy, S. Węglarczyk, M. Pietrzyk. Bainitic steels as alternative for conventional carbon-manganese steels in manufacturing of fasteners-simulation of production chain. Computer Methods in Materials Science, 2011, 11 (3), p. 443-462.
• [2] S. Waengler, R. Kawalla, R. Kuziak. High strength-high toughness bainitic steels alloyed with niobium for long products. Steel Research International, 2008, 79 (2), p. 273-279.
• [3] R. Kuziak, M. Skóra, S. Węglarczyk, M. Paćko, M. Pietrzyk. Computer aided design of the manufacturing chain for fasteners, Computer Methods in Materials Science, 2011, 11 (2), p. 243-250.
• [4] H.K.D.H. Bhadeshia, D.V. Edmonds. The mechanism of bainite formation in steels. Acta Metallurgica, 1980, 28 (9), p. 1265-1273.
• [5] S. Zajac, V. Schwinn, K.H. Tacke. Characterization and quantification of complex bainitic microstructures in high and ultra-high strength linepipe steels. Materials Science Forum, 2005, 500–501, p. 387-394.
• [6] R. Kuziak, K. Radwański, K. Perzyński, Ł. Madej, M. Pietrzyk. Validation of material models for bainitic steels used in optimization of manufacturing chain for fasteners. Computer Methods in Materials Science, 2014, 14 (1), p. 37-52.
• [7] R. Kuziak, V. Pidvysots’kyy, K. Drozdowski. Validation of the thermo-mechanical-microstructural model of hot forging process. Computer Methods in Materials Science, 2009, 9 (4), p. 424-434.
• [8] D. Szeliga, J. Gawąd, M. Pietrzyk. Inverse analysis for identification of rheological and friction models in metal forming. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2006, 195 (10), p. 6778-6798.
• [9] A. Hensel, T. Spittel. Kraft- und Arbeitsbedarf bildsamer Formgebungsverfahren. Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1978.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).