Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Materials modelling in industrial bulk metal forming processes and process chains

Hirt G., Bambach M., Lohmar J., Guvenc O., Henke T., Schwich G.

Computer Methods in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, No.1

5--12

EN

Bulk metal forming processes range from processes with a single deformation step such as certain closed-die forging operations to processes with many subsequent stages such as hot rolling, ring rolling or open die forging. Modelling of these manufacturing processes requires both precise process models as well as adequate material models. Microstructure evolution by recrystallization is decisive in all of these processes since the microstructure determines the flow stress and hence the forming forces but it also influences the product properties. In this context, the propagation of variations in the processing conditions and in the material behavior are of special importance and methods for the quantification of uncertainties and their effect on model predictions are required. Such questions can be approached using models of different complexity on various scales as shown in the following examples: In closed die forging of a gear wheel from 25MoCr4 alloy the complex geometry requires a Finite Element process model which in this case is combined with a JMAK type material model. In plate rolling a simplified process model can be applied successfully. Based on the slab theory, which is enhanced for spatial resolution of shear strain using a meta model derived by FEM, this model can simulate even longer roll pass schedules within seconds and offers the possibility to combine it with numerical optimization techniques. Recrystallization of a high-manganese steel in interpass times between hot rolling passes is an example where models with spatial resolution (CP-FEM and phase field) are combined on the micro-scale to predict the recrystallization kinetics based on physically meaningful variables such as grain boundary mobility. In ring rolling the process model must include the closed-loop control system of the rolling machine to achieve a realistic prediction of the process kinematics. Feedback control loops for up to eight kinematic degrees of freedom (velocities and positions of all radial, axial and guiding rolls) have been defined using virtual sensors integrated in the simulation. Offline coupling with microstructure simulation is used to predict the final grain size and determine under which conditions static recrystallization occurs during the rolling sequence.

2

Modelling of static recrystallization kinetics by coupling crystal plasticity FEM and multiphase field calculations

Güvenci O., Henke T., Laschet G., Böttger B., Apel M., Bambach M., Hirt G.

Computer Methods in Materials Science

|

2013

|

Vol. 13, No. 2

368--374

EN

In multi-step hot forming processes, static recrystallization (SRX), which occurs in interpass times, influences the microstructure evolution, the flow stress and the final product properties. Static recrystallization is often simply modeled based on Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) equations which are linked to the visco-plastic flow behavior of the material. Such semi-empirical models are not able to predict the SRX grain microstructure. In this paper, an approach for the simulation of static recrystallization of austenitic grains is presented which is based on the coupling of a crystal plasticity method with a multiphase field approach. The microstructure is modeled by a representative volume element (RVE) of a homogeneous austenitic grain structure with periodic boundary conditions. The grain microstructure is generated via a Voronoi tessellation. The deformation of the RVE, considering the evolution of grain orientations and dislocation density, is calculated using a crystal plasticity finite element (CP-FEM) formulation, whose material parameters have been calibrated using experimental flow curves of the considered 25MoCrS4 steel. The deformed grain structure (dislocation density, orientation) is transferred to the FDM grid used in the multiphase field approach by a dedicated interpolation scheme. In the phase field calculation, driving forces for static recrystallization are calculated based on the mean energy per grain and the curvature of the grain boundaries. A simplified nucleation model at the grain level is used to initiate the recrystallization process. Under these assumptions, it is possible to approximate the SRX kinetics obtained from the stress relaxation test, but the grain morphology predicted by the 2d model still differs from experimental findings.

PL

W wielostopniowych procesach obróbki plastycznej, rekrystalizacja statyczna (ang. static recrystallization - SRX) występująca w czasach przerw między odkształceniami, wpływa na rozwój mikrostruktury, naprężenie uplastyczniające oraz właściwości gotowego produktu. Statyczna rekrystalizacja jest często modelowana korzystając z równania Johnson-Mehl- Avrami-Kolmogorov (JMAK), które jest powiązane z lepkoplastycznym płynięciem materiału. Taki pół-empiryczny model nie jest w stanie przewidzieć mikrostruktury ziaren dla SRX. W niniejszym artykule przedstawiono podejście do symulacji statycznej rekrystalizacji austenitu wykorzystujące połączenie plastyczności kryształów z metodą pola wielofazowego. Mikrostruktura jest modelowana za pomocą reprezentatywnych elementów objętości (ang: Representative Volume Element - RVE) jednorodnej struktury ziaren austenitu z okresowymi warunkami brzegowymi. Mikrostruktura jest generowana za pomocą wieloboków Voronoi. Obliczenia odkształcenia RVE są prowadzone połączonymi metodami plastyczności kryształów i MES, z uwzględnieniem rozwoju orientacji ziaren oraz gęstości dyslokacji. Parametry modelu materiału wyznaczono na podstawie doświadczalnych krzywych płynięcia dla stali 25MoCrS4. Odkształcona struktura ziaren (gęstość dyslokacji, orientacja) jest przekazywana do siatki różnic skończonych w modelu pola wielofazowego stosując metodę interpolacji. W obliczeniach pola faz, siły pędne dla statycznej rekrystalizacji są obliczane na podstawie średniej energii w ziarnie i krzywizny granic ziaren. W celu zainicjowania rekrystalizacji stosowany jest uproszczony model zarodkowania na poziomie ziarna. Przy tych założeniach możliwe było oszacowanie kinetyki SRX na podstawie badań relaksacji naprężeń. Z drugiej strony przewidywana w modelu 2D morfologia ziaren wciąż odbiega od wyników doświadczalnych.

3

Numerical prediction of microstructure in high-strength ductile forging parts

Back A., Urban M., Keul C., Bleck W., Hirt G.

Computer Methods in Materials Science

|

2010

|

Vol. 10, No. 4

271-278

EN

The automotive industry has an ongoing request for lighter, stiffer and at the same time cheaper parts to maintain the economic and technical progress. Especially in case of safety relevant components a combination of high stiffness and sufficient ductility is required. Regarding these demands the main subject of this project was to improve the mechanical properties of forging steel alloys by employing a high-strength and ductile bainitic microstructure while maintaining a cost effective process chain for the high-stressed forged parts. Then again the need of a bainitic microstructure entails high experimental effort for identifying the process parameters and geometries that enable the target microstructure. Hence, the second aim in this project is to prove if by easy process simulation sufficient results for the prediction of microstructure can be provided. The implemented numerical approach is based on FEM simulations of the forging and cooling combined with deformation-cooling-time-temperature-transformation diagrams.

PL

Przemysł samochodowy charakteryzuje ciągły wzrost zapotrzebowania na lżejsze, bardziej wytrzymałe i przy tym tańsze części, aby możliwe było utrzymanie ekonomicznego i technologicznego postępu. Połączenie wysokiej wytrzymałości i plastyczności jest wymagane szczególnie w przypadku części mających wpływ na bezpieczeństwo. Aby spełnić te wymagania, celem niniejszej pracy jest poprawa własności mechanicznych stali poprzez zastosowanie wysokowytrzymałych, plastycznych stali o strukturze bainitycznej, przy utrzymaniu efektywnego ekonomicznie procesu wytwarzania dla stali wysokowytrzymałych. W tym celu opracowano nowy skład chemiczny stali i zaproponowano cykl wytwarzania tej stali. Dla zmniejszenia liczby kosztownych badań doświadczalnych do identyfikacji j parametrów procesu i kształtu przedkuwek, które umożliwiłyby uzyskanie docelowej mikrostruktury, opracowano numeryczny model przewidujący rozwój mikrostruktury stali w trakcie wytwarzania. Model numeryczny opiera się na symulacjach MES procesów kucia i chłodzenia połączonych z wykresami odkształcenie-chłodzenie-czas-temperatura-przemiana.