Modelling of transient temperature field and phase transformation change : a way for residual stress management in large size forgings

• Autorzy: Sroka J. , Talamantes-Silva J. , Krzyzanowski M. , Rainforth W. M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie zmian niestacjonarnego pola temperatury oraz przemiany fazowej; analiza naprężeń własnych w odkuwkach wielkogabarytowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper is devoted to development of the modelling approach based on 3D finite-element (FE) analysis of the transient temperature fields and the thermally induced phase transformations as a way towards residual stress management in large size forgings. Heating, holding and cooling stages are under consideration and modelling of both the austenite formation and decomposition are taken into account. The thermal-mechanical FE model capable of taking into account changes in the specific volume during ferrite/austenite transformation is coupled with the relevant phase transformation model in order to allow simulation of the transient stresses due to both thermal contraction and the dilatometric effect. The model is capable of taking into account different boundary conditions for the heat transfer problem based on the available data. To improve the predictive abilities, the following two commercial FE codes, such as MSC Marc 2013.1.0 and Abaqus/Standard 6.12, are used for solving the non-steady state 3D problem of the metal expansion/contraction during consecutive heating, holding and cooling stages. Although all the mentioned process steps are considered, the model is dedicated to be used for modelling the cooling stages of large forgings and castings.

PL

W artykule przedstawiono wyniki modelowania numerycznego 3D procesów obróbki cieplnej wielkogabarytowych odkuwek o masie 300÷600 ton. W celu obliczenia niestacjonarnego pola temperatur oraz zachodzących podczas procesu nagrzewania i chłodzenia zmian w przebiegu cieplnie indukowanej przemiany fazowej wykorzystano metodę elementów skończonych (MES). Zaproponowany zestaw modeli może stanowić narzędzie do badań naprężeń własnych, powstających podczas obróbki cieplnej odkuwek charakteryzujących się dużą masą i wymiarami. W modelu uwzględniono etapy nagrzewania, wytrzymania w danej temperaturze i chłodzenia materiału. Modelowanie przemian fazowych odbywa się w osobnym, powiązanym z proponowanym modelem podprogramie, gdzie przewidywane są zmiany objętości odkuwki podczas przemian ferrytycznej i austenitycznej. Umożliwia to odpowiednią symulację powstawania naprężeń chwilowych, wynikających z cieplnego skurczu materiału. Model może uwzględniać różne warunki brzegowe w celu dostosowania do danego problemu cieplnego. W celu poprawy dokładności uzyskiwanych wyników wykorzystano komercyjne oprogramowanie MES tj. MSC Marc 2013.1.0 oraz Abaqus/Standard 6.12. To oprogramowanie zostało wykorzystane w celu rozwiązania równań nieustalonego stanu materiału, tj zmian objętości podczas kolejnych stadiów nagrzewania, wytrzymania i chłodzenia. Efekty działania zaproponowanego modelu zostały przedstawione na przykładzie wybranego etapu chłodzenia.

Słowa kluczowe

EN

large ingot forging; finite element analysis; heating; holding; cooling; phase transformations

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 16, No. 2
• Strony: 87--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys.

Twórcy

autor

Sroka J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, al. Mickiewicza 30, 30-059, Kraków, Poland

autor

Talamantes-Silva J.

• Sheffield Forgemasters RD26 Ltd, PO Box 286 Brightside Lane, Sheffield S9 2RW, United Kingdom

autor

Krzyzanowski M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, al. Mickiewicza 30, 30-059, Kraków, Poland
• Birmingham City University, Faculty Computing, Engineering & the Built Environment, Millenium Point, Curzon Street, Birmingham B4 7XG, UK

autor

Rainforth W. M.

• The University of Sheffield, Department of Materials Science and Engineering, Mappin St., Sheffield S1 3JD, United Kingdom

Bibliografia

• Babeł, J., Kulawik, A., 2011, Modelling of structural strains for heat treatment process, Modelowanie Inzynierskie, 42, 11-18 (in Polish).
• Bokota, A., Kulawik, A., 2006, Model of mechanical phenomena of hardening process for low carbon steel, Archives of Foundry, 6, 22, 83-88.
• Campbell, P.C., Hawbolt, E.B., Brimacombe, J.K., 1991, Metallurgical and Material Transactions A, 22A, 2791.
• Carlone, P., Palazzo, G.S., 2011, Development and validation of a thermos-mechanical finite element model of the steel quenching process including solid-solid phase changes, International Applied Mechanics, 46, 8, 585-594.
• Carlone, P., Palazzo, G.S., Pasquino, R., 2010, Finite element analysis of the steel quenching process: Temperature field and solid-solid change, Computers and Mathematics with Applications, 59, 585-594.
• Denis, S., Farias, D., Simon, A., 1992, ISIJ International, 92,316.
• Duffy, C.J., 2014, Modelling the Electron Beam Welding of Nuclear Reactor Pressure Vessel Steel, Available online at: http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2014/Duffy.pdf, accessed: 20.05.2016.
• Dye, D., Roder, B.A., Tin, S., Rist, M.A., James, J.A., Daymond, M.R., 2004, Modeling and measurement of residual stresses in a forged IN718 superalloy disc. Superalloys, The Minerals, Metals & Materials Society, 315-322.
• Francis, J.A., Bhadeshia, H.K.D.H., Withers, P.J., 2007, Welding residual stresses in ferritic power plant steels, Materials Science and Technology, 23, 9, 1009-1020.
• Gladman, T., 1997, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, The Institute of Materials, London.
• Gomez, M., Medina, S.F., Caruana, G., 2003, ISIJ International, 42, 1228.
• Grabowski, G., 2011, Modelling of thermal stresses in the TiCCr3C2 composites. Ceramic materials, 63, 2, 450-453.
• Jung, J., Sang, M.A., Kwang, S.H., Hwan, Y.K., 2015, Evaluation of Heat-Flux Distribution at the Inner and Outer Reactor Vessel Walls Under the In-vessel Retention Through External Reactor Vessel Cooling Condition, Nuclear Engineering and Technology,47, 66-73.
• Keim, E., Lidbury, D., 2012, Review of Assessment Methods Used in Nuclear Plant Life Management. Public report of the UE’s NULIFE (Nuclear Life Prediction) Network of Excellence 5.
• Krzyzanowski, M., Beynon, J.H., Kuziak, R., Pietrzyk, M., 2006, Development of technique for identification of phase transformation model parameters on the basis of measurement of Dilatometric effect – direct problem, ISIJ International, 46, 1, 147-154.
• Kulawik, A, Wróbe,l J., 2013, The Determination of the strains for the multipath heat source of the hardening process, Modelowanie Inzynierskie, 47, ISSN 1896-771X (in Polish).
• Lee, B.S., Kim, M.C., Yoon, J.H., Hoon, J.H., 2010, Characterization of High Strength and High Toughness Ni-Mo-Cr Low Alloy Steels for Nuclear Application, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 87, 74-80.
• Milenin, A., Kustra, P., Kuziak, R., Pietrzyk, M., 2014, Model of residual stresses in hot-rolled sheets with taking into account the relaxation process and phase transformation, Procedia Engineering, 81, 108-113.
• Pietrzyk, M., Kuziak, R., 1999, 2nd ESAFORM Conference On Material Forming, edited by J. Covas, Guimaraes, 525.
• Pous-Romero, H., Lonardelli, I., Cogsweel, D., Bhadeshia, H.K.D.H., 2013, Austenite Grain Growth in a Nuclear Pressure Vessel Steel, Materials Science and EngineeringA, 567, 72-79.
• Roosz, A., Gacsi, Z., Fuschs, E.G., 1983, Acta Metallurgica, 31, 509.
• Sellars, C.M., 1980, Hot Working and Forming Processes, edited by Sellars C.M., Davies G.J., Metals Society, London, 3.
• Senuma, T., Suehiro, M., Yada, H., 1992, Mathematical models for predicting microstructural evolution and mechanical properties of hot strips, ISIJ International, 32, 423–432.
• Suehiro, M., Senuma, T., Yada, H., Sato, K., 1992, Application of mathematical model for predicting microstructural evolution to high carbon steels, ISIJ International, 32, 433–439.
• Sun, M., Hao, L., Li, S., Li, D., Li, Y., 2011, Modeling flow stress constitutive behavior of SA508-steel for nuclear reactor pressure vessels, Journal of Nuclear Materials, 418, 269-280.
• Xiao-Xun, Z., Zhen-Shan, C., Wen, C., Yan, L., 2009, A criterion for void closure in large ingots during hot forging, Journal of Material Processing Technology, 209, 1950-1959.
• YoungDeak, K., JongRae, C., WonByung, B., 2011: Efficient forging process to improve the closing effect of the innervoid on an ultra-large ingot, Journal of Materials ProcessingTechnology, 211, 1005-1013.

Uwagi

PL

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