Study of phase transformations in complex phase steel using a mesoscale cellular automaton model part 2: Experiments and validation

• Autorzy: Opara Jarosław , Kuziak Roman

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.20.3.3

Warianty tytułu

PL

Badania przemian fazowych w stali wielofazowej za pomocą mezoskalowego modelu automatu komórkowego Cz. 2: : Eksperymenty i walidacja

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A two-dimensional mesoscale model based on the concept of hybrid cellular automata was used to study phase transformations in a complex phase steel during continuous cooling. This model enables simulation of the decomposition of austenite into ferrite, bainite, and martensite, accompanied by calculations of volume and grain boundary diffusion of carbon. In effect, as a result, one can observe the morphology of simulated microstructures, corresponding carbon segregation as well as microhardness distribution. These results with the kinetics of austenite to ferrite phase transformation and predicted values of the complex phase steel hardness are the subject of model validation. A series of dilatometric experiments were carried out with constant cooling rates in order to construct a CCT diagram and validate the presented model. The convergence of simulated results with empirical outcomes was confirmed quantitatively using a dedicated goal function and data summaries in the table and graphs. However, some qualitative and quantitative discrepancies in terms of microstructure morphology are indicated which was possible thanks to applying a wide range of different validation parameters of the model. It is emphasized how crucial is the use of appropriate validation methodology.

PL

Dwuwymiarowy mezoskalowy model oparty na koncepcji hybrydowych automatów komórkowych zastosowano do badania przemian fazowych w stali wielofazowej podczas ciągłego chłodzenia. Model ten umożliwia symulację rozpadu austenitu w ferryt, bainit i martenzyt wraz z obliczeniami objętościowej i granicznej dyfuzji węgla. W efekcie można zaobserwować morfologię symulowanych mikrostruktur, odpowiadającą im segregację węgla, a także rozkład mikrotwardości. Wyniki te wraz z kinetyką ferrytycznej przemiany fazowej i przewidywanymi wartościami twardości stali wielofazowej są przedmiotem walidacji modelu. Przeprowadzono szereg eksperymentów dylatometrycznych przy stałych szybkościach chłodzenia w celu opracowania wykresu CTPc i walidacji przedstawionego modelu. Zbieżność wyników symulacji z danymi empirycznymi została potwierdzona ilościowo za pomocą dedykowanej funkcji celu oraz zestawienia danych w tabeli i na wykresach. Jednakże, wskazano na pewne rozbieżności jakościowe i ilościowe pod względem morfologii mikrostruktury, co było możliwe dzięki zastosowaniu szerokiego wachlarza różnych parametrów do walidacji modelu. Podkreślono, jak istotne jest zastosowanie odpowiedniej metodologii walidacji.

Słowa kluczowe

EN

phase transformations; complex phase steel; cellular automata; mesoscale model; dilatometry; microstructure characterization; model validation

PL

przemiany fazowe; stal wielofazowa; automat komórkowy; model mezoskalowy; dylatometria; charakterystyka mikrostruktury; walidacja modelu

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 72, no. 3
• Strony: 32--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Opara Jarosław

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Kuziak Roman

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

Bibliografia

• [1] Future Steel Vehicle. Final Engineering Report, Steel Market Development Institute, Washington, DC, 2011. [Online] Available at: www.autosteel.org [Accessed on 28 August 2020].
• [2] J.G. Speer, D.K. Matlock, B.C. De Cooman, J.G. Schroth. Carbon partitioning into austenite after martensite transformation. Acta Materialia, 2003, 51, p. 2611-2622.
• [3] H. Beladi, G.L. Kelly, A. Shokouhi, P.D. Hodgson. Effect of thermomechanical parameters on the critical strain for ultrafine ferrite formation through hot torsion testing. Materials Science and Engineering A, 2004, 367, p. 152-161.
• [4] D.K. Matlock, J.G. Speer. Processing Opportunities for New Advanced High-Strength Sheet Steels. Materials and Manufacturing Processes, 2010, 25, p. 7-13.
• [5] M.J. Santofimia, L. Zhao, J. Sietsma. Overview of Mechanisms Involved During the Quenching and Partitioning Process in Steels. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 42, p. 3620-3626.
• [6] C.W. Zheng, N. Xiao, L. Hao, D. Li, Y. Li. Numerical simulation of dynamic strain-induced austenite–ferrite transformation in a low carbon steel. Acta Materialia, 2009, 57 p. 2956-2968.
• [7] M.G. Mecozzi, C. Bos, J. Sietsma. 3D cellular automata modelling of solid-state transformations relevant in low-alloy steel production. Solid State Phenomena, 2011, 172-174, p. 1140-1145.
• [8] C. Bos, M.G. Mecozzi, D.N. Hanlon, M.P. Aarnts, J. Sietsma. Application of a Three-Dimensional Microstructure Evolution Model to Identify Key Process Settings for the Production of Dual-Phase Steels. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 42, p. 3602-3610.
• [9] L. Zhang, C.B. Zhang, Y.M. Wang, S.Q. Wang, H.Q. Ye. A cellular automaton investigation of the transformation from austenite to ferrite during continuous cooling. Acta Materialia, 2003, 51, p. 5519-5527.
• [10] S. Kundu, M. Dutta, S. Ganguly, S. Chandra. Prediction of phase transformation and microstructure in steel using cellular automaton technique. Scripta Materialia, 2004, 50, p. 891-895.
• [11] Y.J. Lan, D.Z. Li, Y.Y. Li. Modeling austenite decomposition into ferrite at different cooling rate in low-carbon steel with cellular automaton method. Acta Materialia, 2004, 52, p. 1721-1729.
• [12] B.J. Yang, L. Chuzhoy, M.L. Johnson. Modeling of reaustenitization of hypoeutectoid steels with cellular automaton method. Computational Materials Science, 2007, 41, p. 186-194.
• [13] C.W. Zheng, D. Raabe. Interaction between recrystallization and phase transformation during intercritical annealing in a coldrolled dual-phase steel: A cellular automaton model. Acta Materialia, 2013, 61, p. 5504-5517.
• [14] C.W. Zheng, D. Raabe, D.Z. Li. Prediction of post-dynamic austenite-to-ferrite transformation and reverse transformation in a low-carbon steel by cellular automaton modeling. Acta Materialia, 2012, 60, p. 4768-4779.
• [15] D. An, S. Pan, L. Huang, T. Dai, B. Krakauer, M. Zhu. Modeling of Ferrite-Austenite Phase Transformation Using a Cellular Automaton Model. ISIJ International, 2014, 54, p. 422-429.
• [16] J. Opara, R. Kuziak. Study of phase transformations in a complex phase steel using a mesoscale cellular automaton model. Part I: Modeling Fundamentals. Journal of Metallic Materials, 2020, 73 (3), p. 17-31.
• [17] J. Opara, W. Zalecki. Dilatometric and metallographic research for the verification of phase transformations mesoscale model. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2018, 70 (3), p. 32-39.
• [18] The GIMP Development Team. GIMP, 2019 [Online]. Available at: https://www.gimp.org.
• [19] J. Szala. Met-Ilo v12.1 - instruction manual. Katowice, 2009. [unpublished].
• [20] K. Radwański, A. Wrożyna, R. Kuziak. Role of the advanced microstructures characterization in modeling of mechanical properties of AHSS steels. Materials Science and Engineering A, 2015, 639, p. 567-574.
• [21] Stahl-Eisen-Prüfblatt. 1681, Guidelines for preparation, execution and evaluation of dilatometric transformation test on iron alloys, STAHL-EISEN-Prüfblätter (SEP) des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute, Issue 2. 1997.
• [22] Standard Practice for Quantitative Measurement and Reporting of Hypoeutectoid Carbon and Low-Alloy Steel Phase Transformations, ASTM. Committee A01 on Steel, Stainless Steel and Related Alloys. March 2004.
• [23] J. Opara, A. Wrożyna. Development and validation of a quantitative dilatometric analysis model of austenite decomposition into ferrite and pearlite. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2015, 67 (4), p. 24-32.
• [24] J. Opara, A. Wrożyna. Zastosowanie metody automatów komórkowych do opracowania cyfrowej reprezentacji wybranych cech mikrostruktury w oparciu o obrazy binarne jej składników. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2013, 65 (4), p. 2-7.
• [25] H. Springer, M. Belde, D. Raabe. Bulk combinatorial design of ductile martensitic stainless steels through confined martensiteto-austenite reversion. Materials Science & Engineering A, 2013, 582, p. 235-244.
• [26] B.B. He, M.X. Huang. Revealing heterogeneous C partitioning in a medium Mn steel by nanoindentation. Materials Science and Technology, 2017, 33, p. 1-7.
• [27] E. Gamsjäger, H. Chen, S. van der Zwaag. Application of the cyclic phase transformation concept for determining the effective austenite/ferrite interface mobility. Computational Materials Science, 2014, 83, p. 92-100.
• [28] M. Pietrzyk, J. Kusiak, R. Kuziak, L. Madej, D. Szeliga, R. Gołąb. Conventional and Multiscale Modeling of Microstructure Evolution During Laminar Cooling of DP Steel Strips. Metallurgical and Materials Transactions A, 2014, 45, p. 5835-5851.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).