Validation of the thermo-mechanical-microstructural model of hot forging process

• Autorzy: Kuziak, R. , Pidvysots'kyy, V. , Drozdowski, K.

Warianty tytułu

PL

Weryfikacja cieplno-mechaniczno-mikrostrukturalnego modelu dla procesu kucia na gorąco

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper deals with mathematical modelling of non-isothermal forging process accounting for the distribution of effective strain, strain rate, temperature and microstructural changes occurring in the deformed material. So far, forging technologies of the investigated alloyed steel have been designed intuitively and applied in practice, but there is still lack of reliable models describing behaviour of this steel during thermomechanical processing. Thus, the general objective of the present work was to develop rheological and microstructure evolution model for the steel under investigation. Uniaxial compression tests were performed in a wide range of strains, strain rates and temperatures. The experimental results, in the form of load vs. displacement measurements, were used as input for the inverse calculations. Rheological models based on flow stress functions of various complexity were determined and validated. It is shown that when the inverse analysis is applied to the interpretation of the plastometric tests, the properties of the material are insensitive to the method of testing and to the sample dimensions. A number of tests with identical deformation conditions and various intervals between deformation and quenching were performed to provide data for identification of the microstructure evolution model. Also stress relaxation technique was used for this purpose. The models were implemented into Forge2008 commercial code for the simulation of industrial forging process. The results of the simulation show good predictive ability of combined thermal-mechanical-microstructure evolution model in hot forging of 16NCD13 steel.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących matematycznego modelowania procesu kucia, w warunkach powodujących szybkie zmiany temperatury materiału, umożliwiających przeprowadzenie obliczeń rozkładu efektywnego odkształcenia, prędkości odkształcenia i zmian mikrostruktury. Materiałem do badań była stal stopowa 16NCD13, dla której nie opra-cowano dotychczas modelu rozwoju mikrostruktury, zaś technologie kucia tej stali opracowywane były w oparciu o wiedzę inżynierską. Z tego powodu najważniejszym celem badań było opracowanie modelu Teologicznego i rozwoju struktury dla tej stali. Modele te opracowano w oparciu o wyniki badań plastometrycznych, w trakcie których odkształcano próbki cylindryczne stosując szerokie przedziały zmienności prędkości odkształcenia i temperatury. Wyniki badań plastometrycznych w postaci zależności siły od przemieszczenia narzędzia poddano analizie odwrotnej, która wyeliminowała wpływ tarcia i nagrzewania adiabatycznego próbki na wartość naprężenia uplastyczniającego. W ten sposób otrzymano rzeczywiste krzywe naprężenie-odkształcenie, które posłużyły do opracowania modeli reologicznych charakteryzujących się różnym stopniem skompliko-wania. W celu opracowania modelu zmian mikrostruktury austenitu zastosowano metodę relaksacji naprężenia oraz bezpośredniego chłodzenia próbki po odkształceniu. Próbki chłodzone wodą poddano ilościowej ocenie mikrostruktury. Opracowany model reologiczny i rozwoju mikrostruktury implementowano w programie Forge2008 i zastosowano do symulacji numerycznej procesu kucia odkuwki w warunkach przemysłowych. Wyniki przeprowadzonych symulacji dobrze korespondowały z wynikami badań metaloznawczych przeprowadzonych na odkuw-kach, co wskazuje na poprawność opracowanych modeli.

Słowa kluczowe

EN

rheological model; microstructure evolution model; finite element method; plastometric tests; numerical simulation; forging process

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 4
• Strony: 424-434
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Kuziak, R.

autor

Pidvysots'kyy, V.

autor

Drozdowski, K.

• Institute for Ferrous Metallurgy, K. Miarki 12, 44-100 Gliwice, Poland,

Bibliografia

• Bariani, P., Bruschi, B., Ghiotti, A., 2007, Material testing and physical simulation in modelling process chains based on forging operations, Computer Methods in Material Science, 8, 378-382.
• Chen, C.C., Kobayashi, S., 1978, Rigid plastic finite element analysis of ring compression, Application of numerical methods to forming processes, ASME, ADM, 28, 163-174.
• Davenport, S.B., Silk, N.J., Sparks, C.N., Sellars, CM., 1999, Development of constitutive equations for the modelling of hot rolling,Mrt. Sci. Techn., 16, 1-8.
• Gavrus, A., Massoni, E., Chenot, J.L., 1996, An nwerse analysis using a finite element model for identification of rheological parameters, J. Mat. Proc. Techn., 60, 447-454.
• Grosman, F., 1997, Application of the flow stress function in programmes for computer simulation of plastic working processes, J. Mater. Proc. Technol., 64, 169-180.
• Karjalainen, L.P., Perttula, J., 1996, Characteristics of static and metadynamic recrystallization and strain accumulation in hot-deformed austenite as revealed by the stress relaxation method, ISIJ International, 36, 729-736
• Kobayashi, S., Oh, S.I., Altan, T., 1989, Metal forming and the finite element method, Oxford University Press, New York, Oxford.
• Kowalski, B., Sellars, C.M., Pietrzyk, M., 2000, Development of a computer code for the interpretation of results of hot plane strain compression tests, ISIJ Int., 40, 1230-1236.
• Lee, C.H., Kobayashi, S., 1973, New solution to rigid plastic deformation problems, ASME, J. Eng. Ind., 95, 865-873.
• Madej, Ł., Szeliga, D., Kuziak, R., Pietrzyk, M., 2007, Physical and numerical modelling of forging accounting for exploitation properties of products., Computer Methods in Materiał Science, 7, 397-405.
• Ordon, J., Kuziak, R., Pietrzyk, M., 2000, History dependant constitutive law for austenitic steels, Proc. Metal Forming 2000, eds, Pietrzyk M., Kusiak J., Majta J., Hartley P., Pillinger I., Publ. A. Balkema, Kraków, 747-753.
• Pietrzyk, M., 1994, Numerical aspects of the simulation of hot metal forming using internal variable method, Metall. Foundry Eng., 20, 429-439.
• Pietrzyk, M., 2000, Finite element simulation of large plastic deformation,J. Mat. Proc. Techn., 106, 223-229.
• Sandstrom, R., Lagneborg, R., 1975, A model for statc recrystallization after hot deformation, Acta Metall., 23, 481-488.
• Szeliga, D., Gawąd, J., Pietrzyk, M., 2006a, Inverse analysis for identiflcation of rheological and friction models in metal forming, Comp. Meth. Appl Mech. Engrg., 195, 6778-6798.
• Szeliga, D., Węglarczyk, S., Pietrzyk, M., 2006b, Estimation of simulation errors due to inaccurate evaluation of material properties in metal forming, J. Machine Eng., 6, 64-72.
• Sellars, C.M., 1979, Physical metallurgy of hot working, Hot working and forming processes, eds, Sellars, C.M., Davies, G.J., The Metals Soc., London, 3-15.
• FORGE 2008 Documentation, 2008, 3D Forging Datafile, Transvalor.