Modelling microstructure evolution during equal channel angular pressing (ECAP) of Mg alloys using cellular automata finite element (CAFE) method

• Autorzy: Gzyl M. , Rosochowski A. , Milenin A. , Olejnik L.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie rozwoju mikrostruktury podczas równokanałowego wyciskania kątowego stopów magnezu przy użyciu metody cafe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Equal channel angular pressing (ECAP) is one of the most popular methods of obtaining ultrafine grained (UFG) metals. However, only relatively short billets can be processed by ECAP due to force limitation. A solution to this problem could be recently developed incremental variant of the process, so called I-ECAP. Since I-ECAP can deal with continuous billets, it can be widely used in industrial practice. Recently, many researchers have put an effort to obtain UFG magnesium alloys which, due to their low density, are very promising materials for weight and energy saving applications. It was reported that microstructure refinement during ECAP is controlled by dynamic recrystallization and the final mean grain size is dependent mainly on processing temperature. In this work, cellular automata finite element (CAFE) method was used to investigate microstructure evolution during four passes of ECAP and its incremental variant I-ECAP. The cellular automata space dynamics is determined by transition rules, whose parameters are strain, strain rate and temperature obtained from FE simulation. An internal state variable model describes total dislocation density evolution and transfers this information to the CA space. The developed CAFE model calculates the mean grain size and generates a digital microstructure prediction after processing, which could be useful to estimate mechanical properties of the produced UFG metal. Fitting and verification of the model was done using the experimental results obtained from I-ECAP of an AZ31B magnesium alloy and the data derived from literature. The CAFE simulation results were verified for the temperature range 200-250 °C and strain rate 0.01-0.5 s-1; good agreement with experimental data was achieved.

PL

Równokanałowe wyciskanie kątowe (equal channel angular pressing – ECAP) jest jedną z najpopularniejszych metod otrzymywania ultra drobnoziarnistych metali. Jednak z powodu dużych sił potrzebnych do przeprowadzenia procesu, tylko relatywnie krótkie wstępniaki mogą być wyciskane. Rozwiązaniem problemu może być opracowany inkrementalny wariant tego procesu, tzw. I-ECAP. Ze względu na to, że przy użyciu I-ECAPu mogą być przetwarzane nieskończenie długie elementy, może on znaleźć szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej. Mechanizm rozdrobnienia ziarna podczas przeróbki plastycznej stopów magnezu różni się znacząco od metali takich jak aluminium lub miedź i ich stopy. Ostatnie wyniki wskazują, że mechanizm rozdrobnienia ziarna podczas ECAPu jest sterowany przez proces rekrystalizacji dynamicznej, a ostateczna średnia wielkość ziarna jest zależna głównie od temperatury procesu. W niniejszej pracy sprzężona metoda automatów komórkowych i elementów skończonych (cellular automata finite element – CAFE) została wykorzystana do opisu rozwoju mikrostruktury podczas czterech przejść ECAPu i jego inkrementalnego wariantu, I-ECAPu. Dynamika zmian w przestrzeni automatów komórkowych jest determinowana przez reguły przejścia, których parametrami są odkształcenie, prędkość odkształcenia oraz temperatura – uzyskane z symulacji metodą elementów skończonych. Model zmiennej wewnętrznej opisuje wzrost całkowitej gęstości dyslokacji i przekazuje tę informację do przestrzeni automatów komórkowych. Opracowany model CAFE oblicza średnią wielkość ziarna oraz generuje cyfrowy obraz mikrostruktury, co może być przydatne w wyznaczaniu własności mechanicznych otrzymanego materiału. Dopasowanie oraz weryfikacja modelu zostały wykonane przy wykorzystaniu wyników uzyskanych z przeprowadzonego procesu inkrementalnego ECAPu stopu magnezu AZ31B oraz danych literaturowych. Wyniki symulacji metodą CAFE zostały zweryfikowane dla zakresu temperatur 200-250°C oraz prędkości odkształcenia 0.01-0.5 s-1; uzyskano bardzo dobrą zgodność z wynikami eksperymentalnymi.

Słowa kluczowe

EN

severe plastic deformation; equal-channel angular pressing; ultrafine grained metals; magnesium alloys; cellular automata finite element method

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 357--363
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys.

Twórcy

autor

Gzyl M.

• University of Strathclyde, 75 Montrose Street, Glasgow G1 1XJ, United Kingdom

autor

Rosochowski A.

• University of Strathclyde, 75 Montrose Street, Glasgow G1 1XJ, United Kingdom

autor

Milenin A.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Olejnik L.

• Warsaw University of Technology, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Poland

Bibliografia

• Barnett, M.R., 2003, Recrystallization during and following hot working of magnesium alloy AZ31, Materials Science Forum, 419-422, 503-508.
• Chino, Y., Hoshika, T., Lee, J.-S., 2006, Mechanical properties of AZ31 Mg alloy recycled by severe deformation, J. Mater. Res., 21, 754-760.
• Das, S., 2010, Modeling mixed microstructures using a multilevel cellular automata finite element framework, Computational Materials Science, 47, 705-711.
• Ding, S.X., Chang, C.P., Kao, P.W., 2009, Effects of Processing Parameters on the Grain Refinement of Magnesium Alloy by Equal-Channel Angular Extrusion, Metallurgical and Materials Transactions A, 40A, 415-425.
• Figueiredo, R.B., Langdon, T.G., 2010, Grain refinement and mechanical behavior of a magnesium alloy processed by ECAP. Journal of Materials Science, 45, 4827–4836.
• Galiyev, A., Kaibyshev, R., Sakai, T., 2003, Continuous Dynamic Recrystallization in Magnesium Alloy, Materials Science Forum, 419-422, 509-514.
• Janeček, M., Popov, M., Krieger, M.G., Hellmig, R.J., Estrin, Y., 2007, Mechanical properties and microstructure of a Mg alloy AZ31 prepared by equal-channel angular pressing. Materials Science and Engineering A, 462, 116–120.
• Jin, L., Lin, D., Mao, D., Zeng, X., Chen, B., Ding, W., 2006, Microstructure evolution of AZ31 Mg alloy during equal channel angular extrusion, Materials Science and Engineering A, 423, 247-252.
• Klimanek, P., Poetzsch, A., 2002, Microstructure evolution under compressive plastic deformation of magnesium at different temperatures and strain rates, Materials Science and Engineering A, 324, 145-150.
• Lapovok, R., Estrin, Y., Popov, M.V., Langdon, T.G., 2008, Enhanced Superplasticity in a Magnesium Alloy Processed by Equal-Channel Angular Pressing with a Back-Pressure. Advance Engineering Materials, 10, 429-433.
• Madej, L., Hodgson, P.D., Pietrzyk, M., 2006, Development of the Multi-scale Analysis Model to Simulate Strain Localization Occurring During Material Processing, Arch Comput Methods Eng, 16, 287–318.
• Mathis, K., Nyilas, K., Axt, A., Dragomir-Cernatescu, I., Ungar, T., Lukac, P., 2004, The evolution of non-basal dislocations as a function of deformation temperature in pure magnesium determined by X-ray diffraction, Acta Materialia, 52, 2889–2894.
• Mecking, H., Kocks, U.F., 1981, Kinetics of flow and strainhardening, Acta Metallurgica, 29, 1865-1875.
• Pietrzyk, M., 2002, Through-process modeling of microstructure evolution in hot forming of steels, Journal of Materials Processing Technology,125-126, 53-62.
• Read, W. T., Shockley, W., 1950, Dislocation Models of Crystal Grain Boundaries, Phys. Rev. 78, 275–289.
• Roberts, W., Ahlblom, B., 1978, A nucleation criterion for dynamic recrystallization during hot working, Acta Metallurgica, 26, 801-813.
• Rosochowski, A., Olejnik, L., 2007, FEM simulation of incremental shear., Proc. Conf. Esaform 2007, eds, Cueto, E., Chinesta, F., Zaragoza, Spain, 653-658.
• Rosochowski, A., Olejnik, L., Richert, M., 2008, Double-Billet Incremental ECAP, Materials Science Forum, 584-586, 139-144.
• Segal, V.M., 1995, Materials processing by simple shear, Materials Science and Engineering A, 197, 157-164.
• Sellars, C.M., Zhu, Q., 2000, Microstructural modelling of aluminium alloys during thermomechanical processing, Materials Science and Engineering A, 280, 1-7.
• Suwas, S., Gottstein, G., Kumar, R., 2007, Evolution of crystallographic texture during equal channel angular extrusion (ECAE) and its effects on secondary processing of magnesium, Materials Science and Engineering A, 471, 1–14.
• Svyetlichnyy, D. S., 2012, Reorganization of cellular space during the modeling of the microstructure evolution by frontal cellular automata, Computational Materials Science, 60, 153–162.
• Wang, Y. N., Huang, J.C., 2003, Texture analysis in hexagonal materials, Materials Chemistry and Physics, 81, 11–26.
• Zhu, G., Mao, W., Yu, Y., 2000, Calculation of misorientation distribution between recrystallized grains and deformed matrix, Scripta materialia, 42, 37–41.