Modelling of microstructure evolution during the rolling by using cellular automata

• Autorzy: Svyetlichnyy D.

Warianty tytułu

PL

Zas tosowanie a utoma t ów komórkowych do modelowania rozwoju mikrostruktury podczas walcowania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Prediction of microstructure evolution and properties is one of the most significant problems in materials science. Recently an interest to applying the cellular automata for the simulation of different phenomena in materials is arising constantly. The main asset of the CA is ability for a close correlation of the microstructure with the mechanical properties in micro- and meso-scale simulation. The objective of the paper is development of the model of microstructure evolution during the hot rolling. Then, model contains two parts: the deformation and the microstructure. When the dynamic recrystallization is considered, or multi-stages deformation is modeled, the cells distortion during the deformation cannot be neglected. Deformed structure can be used in the further modeling. Presented model CA begins calculations with the cubical cells. Then, shape of all cells is changing according to the deformation. Grain growth rate is independent of the sizes of the cells, but time of the boundary movement through the cell depends on the cell sizes and direction of the movement. In the present paper hot flat rolling process is chosen for modeling. It simplifies deformation conditions and plane strain state can be applied. In the model, while strain accumulated in material is not large enough, CA cells are changing their shape and sizes. When the strain reaches a preset value, the CA space is reorganized to obtain the cubical shape of the cells. There are two variants of the reorganization possible in the model. They are the halving and the cutting with the bonding. The first variant is applied when deformation is accompanied with the microstructure refinement. The second variant is more complex, and can be used when volume of the space cannot be reduced. The model of the recrystallization process consists of two stages: a nucleation and a new grain growth. The nucleation and the grain growth rate are dependent on deformation parameters such as: temperature, strain, strain rate, dislocation density and crystallographic orientation. In the present model new grains can appear during the deformation only. The grain growth begins during the deformation and then lasts after the deformation. The frontal CA model is adapted to the simulation of microstructure evolution during the flat rolling. As a result of the using of the frontal CA, significant regions are excluded from calculations and the front of the changes is studied only. The use of frontal cellular automata instead of conventional ones makes possible to reduce the computation time significantly, especially for the three-dimensional models. For the different part of the CA are used different kinds of neighborhood. In the algorithm of the boundary motion during the grain growth, Moore neighborhood is used. Unmovable grain boundaries are defined through von Neumann neighborhood. The calculations are carried out for reverse mill. Rolling pass schedule, contained information about temperature, reduction, inter-pass time and so on, is used as a basis for the modeling.

PL

Jednym z najważniejszych problemów nauki o materiałach jest przewidywanie rozwoju mikrostruktury i własności mechanicznych. Opracowany w niniejszej pracy model składa się z dwóch części, które uwzględniają odkształcenie i zmiany mikrostruktury. Zwykle odkształcenie nie jest uwzględniane podczas symulacji za pomocą automatów komórkowych. Natomiast, w przedstawionym modelu, dopóki zakumulowane w materiale odkształcenie nie jest wystarczająco duże, dotąd komórki w przestrzeni automatów odkształcają się zgodnie z tensorem odkształcenia, zmieniając swój kształt i rozmiary. Natomiast gdy odkształcenie osiągnie pewną ustaloną dużą wartość, która spowoduje znaczne zniekształcenie początkowego kształtu komórek, przestrzeń automatów zostaje przebudowana tak aby komórki wróciły do kształtu zbliżonego do sześcianu foremnego. Druga część modelu związana z rozwojem mikrostruktury, służy do symulacji rekrystalizacji i rozrostu ziarna. Algorytm procesu rekrystalizacji składa się z dwóch etapów: zarodkowania i rozrostu nowych ziaren. Prędkość zarodkowania i rozrostu ziaren uzależniono od takich parametrów procesu jak temperatura, odkształcenie, prędkość odkształcenia, gęstość dyslokacji i krystalograficzna orientacja ziaren. W pracy opisano trójwymiarowe frontalne automaty komórkowe. Zastosowanie takich automatów w miejsce konwencjonalnych pozwala na znaczące zmniejszenie czasu obliczeń. Frontalne automaty komórkowe przystosowano do symulacji rozwoju mikrostruktury podczas walcowania wyrobów płaskich. Plan gniotów wykorzystano jako dane wejściowe do modelowania. W publikacji przedstawiono wybrane wyniki symulacji za pomocą frontalnych automatów komórkowych. Jednym z najważniejszych problemów nauki o materiałach jest przewidywanie rozwoju mikrostruktury i własności irtccha-nicznych. Opracowany w niniejszej pracy mocfe/ składa się z dwóch części, które uwzględniają odkształcenie i zmiany mikrostruktury. Zwykle odkształcenie nie jest uwzględniane podczas symulacji za pomocą automatów komórkowych. Nato­miast, w przedstawionym modelu, dopóki zakumulowane w materiale odkształcenie nie jest wystarczająco duże, dotąd komórki w przestrzeni automatów odkształcają się zgodnie z tensorem odkształcenia, zmieniając swój kształt i rozmiary. Natomiast gdy odkształcenie osiągnie pewną ustaloną dużą wartość, która spowoduje znaczne zniekształcenie początkowe­go kształtu komórek, przestrzeń automatów zostaje przebudo­wana tak aby komórki wróciły do kształtu zbliżonego do sze­ścianu foremnego. Druga część modelu związana z rozwojem mikrostruktury, służy do symulacji rekrystalizacji i rozrostu ziarna. Algorytm procesu rekrystalizacji składa się z dwóch etapów: zarodkowania i rozrostu nowych ziaren. Prędkość za­rodkowania i rozrostu ziaren uzależniono od takich parametrów procesu jak temperatura, odkształcenie, prędkość odkształcenia, gęstość dyslokacji i krystalograficzna orientacja ziaren. W pracy opisano trójwymiarowe frontalne automaty komór­kowe. Zastosowanie takich automatów w miejsce konwencjo­nalnych pozwala na znaczące zmniejszenie czasu obliczeń. Frontalne automaty komórkowe przystosowano do symulacji rozwoju mikrostruktury podczas walcowania wyrobów płaskich. Plan gniotów wykorzystano jako dane wejściowe do modelowa­nia. W publikacji przedstawiono wybrane wyniki symulacji za pomocą frontalnych automatów komórkowych. Jednym z najważniejszych problemów nauki o materiałach jest przewidywanie rozwoju mikrostruktury i własności irtccha-nicznych. Opracowany w niniejszej pracy mocfe/ składa się z dwóch części, które uwzględniają odkształcenie i zmiany mikrostruktury. Zwykle odkształcenie nie jest uwzględniane podczas symulacji za pomocą automatów komórkowych. Nato­miast, w przedstawionym modelu, dopóki zakumulowane w materiale odkształcenie nie jest wystarczająco duże, dotąd komórki w przestrzeni automatów odkształcają się zgodnie z tensorem odkształcenia, zmieniając swój kształt i rozmiary. Natomiast gdy odkształcenie osiągnie pewną ustaloną dużą wartość, która spowoduje znaczne zniekształcenie początkowe­go kształtu komórek, przestrzeń automatów zostaje przebudo­wana tak aby komórki wróciły do kształtu zbliżonego do sze­ścianu foremnego. Druga część modelu związana z rozwojem mikrostruktury, służy do symulacji rekrystalizacji i rozrostu ziarna. Algorytm procesu rekrystalizacji składa się z dwóch etapów: zarodkowania i rozrostu nowych ziaren. Prędkość za­rodkowania i rozrostu ziaren uzależniono od takich parametrów procesu jak temperatura, odkształcenie, prędkość odkształcenia, gęstość dyslokacji i krystalograficzna orientacja ziaren. W pracy opisano trójwymiarowe frontalne automaty komór­kowe. Zastosowanie takich automatów w miejsce konwencjo­nalnych pozwala na znaczące zmniejszenie czasu obliczeń. Frontalne automaty komórkowe przystosowano do symulacji rozwoju mikrostruktury podczas walcowania wyrobów płaskich. Plan gniotów wykorzystano jako dane wejściowe do modelowa­nia. W publikacji przedstawiono wybrane wyniki symulacji za pomocą frontalnych automatów komórkowych. Jednym z najważniejszych problemów nauki o materiałach jest przewidywanie rozwoju mikrostruktury i własności irtccha-nicznych. Opracowany w niniejszej pracy mocfe/ składa się z dwóch części, które uwzględniają odkształcenie i zmiany mikrostruktury. Zwykle odkształcenie nie jest uwzględniane podczas symulacji za pomocą automatów komórkowych. Nato­miast, w przedstawionym modelu, dopóki zakumulowane w materiale odkształcenie nie jest wystarczająco duże, dotąd komórki w przestrzeni automatów odkształcają się zgodnie z tensorem odkształcenia, zmieniając swój kształt i rozmiary. mikrostruktury, służy do symulacji rekrystalizacji i rozrostu ziarna. Algorytm procesu rekrystalizacji składa się z dwóch etapów: zarodkowania i rozrostu nowych ziaren. Prędkość za­rodkowania i rozrostu ziaren uzależniono od takich parametrów procesu jak temperatura, odkształcenie, prędkość odkształcenia, gęstość dyslokacji i krystalograficzna orientacja ziaren. W pracy opisano trójwymiarowe frontalne automaty komór­kowe. Zastosowanie takich automatów w miejsce konwencjo­nalnych pozwala na znaczące zmniejszenie czasu obliczeń. Frontalne automaty komórkowe przystosowano do symulacji rozwoju mikrostruktury podczas walcowania wyrobów płaskich. Plan gniotów wykorzystano jako dane wejściowe do modelowa­nia. W publikacji przedstawiono wybrane wyniki symulacji za pomocą frontalnych automatów komórkowych.

Słowa kluczowe

EN

cellular automata; microstructure; deformation; recrystalization; rolling

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 2
• Strony: 256--263
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Svyetlichnyy D.

• AGH University od Science and Technology Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1.  Weygand, D., Brechet,Y., Lepinoux, J., 2001, A Vertex Simulation of Grain Growth in 2D and 3D, Adv. Eng. Mater., 3, 67-71.
• 2.  Fan, D., Chen, L.Q., 1997, Computer simulation of grain growth using a continuum field model, Acta Mat., 44,611-622.
• 3.  Holm, E.A., Hassold, G.N., Miodownik, M.A., 2001, On misorientation   distribution   evolution   during  anisotropic grain growth, Acta Mat., 49, 2981-2991.
• 4.  Bernacki, M., Chastel, Y., Digonnet, H., Resk, H., Coupez, T., Loge, R.E., 2007, Development of numerical tools for the  multiscale  modeling  of recrystallization  in  metals, based on a digital materiał framework, Comp. Meth. Mat. Sci.,7, 142-149.
• 5.  Davies,  C.H.J.,   1997,  Growth of Nuclei  in a Cellular Automation Simulation of Recrystallization, Ser. Mater., 36, 35-40.
• 6.  Rappaz, M., Gandin, C.-A., 1993, Probabilistic Modelling of Microstructure Formation in Solidification Processes, Acta Metal. Mater., 41, 345-360.
• 7.  Raabe,   D.,   2004,   Mesoscale   simulation   of  spherulite growth during polymer crystallization by use of a cellular automaton, Acta Mater., 52, 2653-2664.
• 8.  Hurley, P.J., Humphreys, F.J., 2003, Modelling the Recrystallization of Single-Phase Aluminium, Acta mater., 51, 3779-3793.
• 9.  Qian, M., Guo, Z.X., 2004, Cellular Automata Simulation of Microstructural Evolution during Dynamic Recrystallization of an HY-100 Steel, Mater. Sci. Eng. A, A365, 180-185.
• 10. Kumar, M., Sasikumar, R., Kesavan Nair, P., 1998, Competition between nucleation and early growth of ferrite from austenite - studies using cellular automation simulations, Acta Mater., 46, 6291-6303.
• 11. Das, S., Palmiere, EJ., Howard, I.C., 2002, CAFE: a Tool for Modeling Thermomechanical Processes, Proc. Thermomech. Processing: Mechanics, Microstructure & Control, eds. Palmiere, EJ., Mahfouf, M., Pinna, C., Sheffield, 296-301.
• 12. Makarov, P.V., Romanova, V.A., 2000, Mesoscale plastic flow generation and development for polycrystals, Theor. Appl. Fracture Mech., 37, 1-7.
• 13. Kugler, G., Turk, R., 2006, Study of the influence of initial microstructure topology on the kinetics of static recrystallization using a cellular automata model, Comp. Mater. Sci.,37,284-291.
• 14. He, Y., Ding, H., Liu, L., Shin, K., 2006, Computer simulation of 2D grain growth using a cellular automata model based on the lowest energy principle, Mater. Sci. Eng. A, A429, 236-246.
• 15. Raabe, D., Hantcherli, L., 2005, 2D cellular automaton simulation of the recrystallization texture of an IF sheet steel under consideration of Zener pinning, Comp. Mater. Sci., 34, 299-313.
• 16. Ding, H.L., He, Y.Z., Liu, L.F., Ding, W.J., 2006, Cellular automata simulation of grain growth in three dimensions based on the lowest-energy principle, J. Crystal Growth, 293, 489-497.
• 17. Svyetlichnyy, D.S., 2006, Consideration of Deformation during the Automata Cellular Simulation, Nowe Technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej, eds.  Dyja,  H.,  Szecówka,  L.,  Conference Proceedings, Częstochowa, 533-536 (in Polish).
• 18. Svyetlichnyy, D., 2007, Three-dimensional cellular auto-mata for simulation of microstructure evolution, Proc. Conf COMPLASDC, eds.  Onate, E., Owen, R.,  Suarez, B., Barcelona, 983-986.
• 19. Svyetlichnyy, D.,  Matachowski,J.,2007, Three-dimensional cellular automata for simulation of microstructure evolution during recrystallization, Proc. 9th Int. Conf. on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, NUMIFORM 2007, eds. Cesar de Sa, J. M. A., Santos Abel, D., Porto, 1357-1362.