Application of Combined Discrete/Finite Element Multiscale method for modelling of Mg redistribution during hot rolling of alluminium

• Autorzy: Krzyzanowski M. , Rainforth W. M.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie wieloskalowego modelu łączącego metody dyskretne i elementów skończonych do modelowania redystrybucji mg podczas walcowania na gorąco aluminium

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Numerical modelling of the stock surface layer formation has been carried out to support simulations of the reheating and breakdown rolling of the Al-Mg-Mn aluminium alloy AA3104 using a two-high laboratory mill. Prediction of the particulate phenomena taking place at the few microns thick surface layer is limited when the traditional Finite Element techniques are applied. Effectively, the numerical problem is a matter of discrete rather then continuum numerical analysis even assuming today?s level of understanding of physical events responsible for the behaviour of the stock/roll interface. The model of the stock/roll interface is a meso-part of a macro- finite-element model that is thermomechanically coupled. Corresponding linking of the modelling scales is based on transferring the corresponding boundary conditions from the macro model to the representative cell, considered as the meso- level model. This is a necessary stage for numerical analysis of fine mechanisms of the interface formation. The meso- scale model has the capacity to include very fine features of the interface such as roll asperities, scales, voids or a complicated profile of the scale/metal interface formed due to abrasion and adhesion to the work roll surface. The meso- model consists of a large number of deformable bodies that interact with each other. Each individual discrete element is of a general shape and size, and is discretised into finite elements to analyse deformability and diffusion. The transfer processes in the thin surface layer are described by the system of diffusion and the motion equations for particles integrated in time. The applied combined finite-discrete element method merges finite element tools and techniques with discrete element algorithms. Finite-element based analysis of continua is merged with discrete element-based transient dynamics, contact detection and contact interaction solutions. The results of the experimental examinations obtained for the laboratory samples indicated that the level of Mg, representing oxides dispersed within the near surface regions of the rolled specimen, was of an order of magnitude less than that observed in the reheated specimens. The numerical analysis indicated that, under the rolling conditions used, the redistribution in Mg content can arise mainly due to one or a few of the following reasons, namely: by removal of some of the thin oxide layer by abrasion and adhesion to the work roll surface; by intermixing of the small oxides (Mg) into the subsurface layer of a few microns depth; and by diffusion. Further analysis should be carried out to establish the predominant mechanisms of the surface layer formation and influence of the key hot rolling parameters.

PL

Opracowany został numeryczny model tworzenia się warstwy powierzchniowej w celu symulacji nagrzewania i wstępnego walcowania na gorąco w walcarce laboratoryjnej duo stopu Al-Mg-Mn (AA3104). Wyniki badań doświadczalnych wykazały, że struktura, morfologia oraz podatność warstwy przypowierzchniowej na nitkowatą korozję zależą mocno od głębokości warstwy bogatej w Mg i od redystrybucji tego metalicznego pierwiastka podczas walcowania na gorąco. Modelowanie tego zjawiska jest zadaniem raczej dla analizy dyskretnej niż dla numerycznego rozwiązania kontynualnego. Zastosowane w pracy podejście łączy narzędzia i techniki metody elementów skończonych z metodą dyskretną opisującą dynamikę stanów przejściowych, detekcję styku i interakcje w obszarze styku. Połączenie różnych skal w modelu opiera się na przekazywaniu odpowiednich warunków brzegowych z modelu makro do prezentatywnych komórek, traktowanych jako model mezo. Ten model mezo składa się z dużej liczby odkształcalnych ciał, które wzajemnie oddziaływają na siebie. Każdy pojedynczy dyskretny element ma ogólny kształt oraz wymiar i może być dyskretyzowany elementami skończonymi dla przeprowadzenia analizy odkształcenia i dyfuzji. Procesy transportu w cienkiej warstwie przypowierzchniowej są opisane przez układ równań dyfuzji i ruchu cząstek, które są całkowane po czasie. Numeryczna analiza wykazała że, dla pewnych warunków walcowania, wzrost zawartości Mg w wyniku redystrybucji może być wynikiem tylko jednej lub kilku następujących przyczyn: usunięcie cienkiej warstwy tlenków przez ścieranie lub adhezję do powierzchni walców; przez wymieszanie małych tlenków (Mg) w warstwie pod powierzchniowej o grubości kilku mikronów; i przez dyfuzję. Dalsza analiza powinna zostać przeprowadzona dla weryfikacji przedstawionego modelu i dla ustalenia dominujących mechanizmów tworzenia się warstwy powierzchniowej oraz wpływu podstawowych parametrów procesu walcowania na tą warstwę.

Słowa kluczowe

EN

alluminium hot rolling; multiscale numerical analysis; combined finite-discrete element method; oxides; surface quality; deformation

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 2
• Strony: 271--276
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Krzyzanowski M.

autor

Rainforth W. M.

• Institute for Microstructural and Mechanical Process Engineering The University of Sheffield S1 3JD, UK,

Bibliografia

• 1. Afseth, A., Nordlien, J.H., Scamans, G.M., Nisancioglu K., Effect of thermo-mechanical processing on filiform corrosion of aluminium alloy AA3005, Corros. Sci., 44, 2002, 2491-2506.
• 2. Fishkis, M., Lin, J.C., Formation and evolution of a subsurface layer in a metalworking process, Wear, 206, 1997, 156-170.
• 3. Frolish, M.F., Krzyzanowski, M., Rainforth, W.M., Beynon, J. H., Oxide scale behaviour on aluminium and steel under hot working conditions, J. Mater. Proc. Technol., 177,2006,36-40.
• 4. Kopalinsky, E.M., Oxley, P.L.B., Explaining the mechanics of metallic sliding friction and wear in terms of slipline field models of asperity deformation, Wear, 190, 1995, 145-154.
• 5. Krzyzanowski, M., Frolish, M. F., Rainforth, W.M., Beynon, J.H., Modelling of formation of stock surface and subsurface layers in breakdown rolling of aluminium alloy, Computer Methods in Materiał Science, 7(1), 2007, 1-11.
• 6. Leth-Olsen,  H., Nisancioglu,  K.,  Filiform corrosion of aluminium sheet. L Corrosion behaviour of painted metal, Corros. Sci., 40(7), 1998, 1179-1194.
• 7. Munjiza, A., The combined finite-discrete element method, Wiley, Chichester, West Sussex, UK, 2004.  
• 8. Oriate, E., Rojek, J., Combination of discrete element and finite element methods for dynamic analysis of geomechanics problems, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 193, 2004,3087-3128.
• 9. Scamans, G.M., Afseth, A., Thompson, G.E., Zhou, X., Ultra-fine grain sized mechanically alloyed surface layers on aluminium alloys, Mater. Sci. Forum, 396-402, 2002, 1461-1466.
• 10. Tang,  Zh.,  Xu,  J.,  A combined DEM/FEM multiscale method and structure failure simulation under laser irradiation, Proc. Shock Compression of Condensed Matter-2005, eds. Furnish M.D., Elert M., Russell T.P., White C.T., American Institute of Physics, 2006, 363-366.