CC BY
50
УДК 621.771 DOI:10.18503/1995-2732-2016-14-3-90-98
МУЛЬТИМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СТАЛИ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ
Константинов Д.В.1, Бзовски К.2, Корчунов А.Г.1, Кужиак Р.3, Пьетшик М.2, Ширяев О.П.4
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
2 Горно-металлургическая академия им. Станислава Сташица, Краков, Польша
3 Институт металлургии и железа, Гливице, Польша
4 ОАО «ММК-Метиз», Магнитогорск, Россия
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): в статье описаны особенности и потенциальные преимущества процесса волочения калиброванной TRIP стали, применение которой позволяет достигнуть широкого дополнительного комплекса эксплуатационных характеристик конечного изделия (прочность, износостойкость, адаптация к воздействиям окружающей среды). На примере критической необходимости учета микроструктурного строения TRIP сталей сформулированы актуальные проблемы традиционных методов проектирования технологических режимов волочения с использованием компьютерного конечно-элементного моделирования. Цель работы: совершенствование метода компьютерного моделирования процесса волочения калиброванной стали для повышения прогнозирования и исследования феноменологических особенностей струкгурообразования современных марок стали. Используемые методы: применялся усовершенствованный метод мультимасштабного компьютерного моделирования, позволяющий учесть микрострукгурное строение обрабатываемой стали и динамические структурно-фазовые превращения (трип-эффект). Моделирование трип-эффекта осуществлялось посредством программной надстройки к используемому комплексу Abaqus. В качестве оцениваемых критериев напряженно-деформированного состояния были выбраны эквивалентные напряжения и деформации, а также осевые радиальные деформации на поверхности и в центральных слоях деформационной зоны. Новизна: к элементам новизны относится усовершенствованная методика моделирования осесимметричных процессов холодной пластической деформации, учитывающая микроструктуру обрабатываемого металла и ее изменения в условиях деформации, что сделало возможным расчет значений параметров напряженно-деформированного состояния на микроуровне стали и исследование трансформаций в сталях с метастабильной структурой. Результат: в статье приведено сравнение результатов моделирования с учетом влияния трип-эффекта и без него. Сравнение показало, что мартенсит, который появляется в микроструктуре стали, многократно повышает уровень эквивалентных напряжений во всем репрезентативном объеме, что принципиально важно при проектировании режимов волочения. Метод также позволил изучить деформационное взаимодействие элементов микроструктуры TRIP стали между собой, тем самым объяснив наличие более высоких (в 2-3 раза превышающих средние значения) радиальных деформаций в пластичных фазах вблизи большего скопления зерен более прочных фаз бейнита и мартенсита. Предложенный метод позволил повысить прогнозирующую способность предпро-екгного моделирования и изучить феноменологические особенности струкгурообразования современных марок сталей в ходе процесса волочения. Практическая значимость: получены исходные данные для проектирования маршрутов волочения стали с трип-эффектом, что позволит расширить номенклатуру материалов традиционного процесса волочения калиброванной стали путем использования современных, технологически гибких материалов.
Ключевые слова: волочение, сталь, трип-эффект, мультимасштабное моделирование, репрезентативный объем, напряженно-деформированное состояние, микроструктура.
Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства сучастием высшего образовательногоучреждения (Договор № 02.G25.31.0178), а также при финансовой поддержке РФФИврамках научного проекта№ 16-38-00619 мол_а.
Введение
Современная машиностроительная индустрия с каждым годом предъявляет все более высокие требования к механическим и эксплуатационным свойствам деталей машин и агрегатов. Элементы
© Константинов Д.В., Бзовскн К., Корчунов А.Г., Кужиак Р., Пьетшик М., Ширяев О.П., 2016
механизмов и машин должны обладать не только достаточным ресурсом надежности, но и быть в состоянии адаптироваться под возможные неблагоприятные условия эксплуатации [1].
Основными технологическими процессами производства заготовок деталей и элементов агрегатов являются методы обработки металлов давлением (ОМД). Получение новых свойств и
Мультимасштабное моделирование
КонстантиновД.В., Бзовски К, Корчунов А.Г. и др.
технологических характеристик заготовок становится возможным за счет либо расширения номенклатуры используемых при ОМД материалов, либо разработки новых режимов или способов ОМД [2-3]. В обоих случаях возникает необходимость в современных инженерных методах проектирования, обеспечивающих предельно высокую достоверность прогноза результатов исследуемого технологического процесса.
Наименее затратным с позиции необходимых ресурсов методом проектирования технологических процессов является компьютерное моделирование с использованием коммерческих программных продуктов, предоставляющих инженеру широкий спектр возможностей по решению задач анализа и оптимизации. В целом это позволяет значительно снизить затраты на тестирование результатов исследуемых технологических режимов и технологий.
Большинство компьютерных моделей в современных исследованиях процессов ОМД не учитывают особенности структурного строения обрабатываемого металла. Как правило, проектирование режимов обработки осуществляется с позиции изотропного материала.
Однако известно, что главным «индикатором» технологических преобразований в обрабатываемом металле является его микроструктурная композиция. Параметры микроструктуры металла в совокупности наиболее полно отражают результаты деформационных, термических и комбинированных воздействий [4-6].
В современных металлургических технологиях стали активно использоваться материалы со сложной, метастабильной микроструктурой: например, стали классов TRIP (Transformation-Induced Plasticity) и TWIP (Twinning-Induced Plasticity) [7-13]. Динамические структурно-фазовые превращения, которые происходят под действием деформации в этих сталях, обеспечивают большую свободу инженерам при выборе дизайна, оптимизации веса и общей технологии производства. Поэтому моделирование обработки давлением данных классов сталей без учета поведения их микроструктуры под нагрузкой в принципе невозможно.
По этой причине развитие методов компьютерного моделирования с позиции повышения их прогнозирующей точности должно осуществляться в направлении репрезентации микро-
структурного строения обрабатываемого металла и напряженно-деформированного состояния (НДС) на его микроуровне.
В то же время переход на микроуровень в компьютерных моделях приводит к неизбежному уменьшению размера расчетной сетки и, как следствие, росту количества элементов, требуемых расчетных ресурсов и времени. Поэтому имеющиеся на данный момент методы моделирования в своей реализации не всегда являются технически доступными и оперативными.
Следовательно, совершенствование подходов компьютерного моделирования с учетом особенностей поведения микроструктуры металла при исследовании процессов ОМД является современным актуальным направлением в инженерном анализе. При этом используемые методы должны быть оптимизированы с позиции расчетного времени и необходимых калькуляционных ресурсов.
Одним из базовых процессов ОМД для производства длиномерных металлических изделий, используемых в качестве передельной заготовки, является волочение калиброванной стали круглого сечения. В ходе этого процесса горячекатаная круглая заготовка относительно большого диаметра (от 6 до 40-50 мм) подвергается однократному волочению через монолитную волоку с обжатиями, как правило, 5-15%.
Данный процесс широко используется для получения промежуточных заготовок стержневых деталей (валы, оси) в машиностроении, приборостроении, сельхозмашиностроении. С технологической точки зрения процесс волочения предоставляет широкие возможности по управлению характеристиками обрабатываемой калиброванной стали. Геометрические параметры волоки (угол рабочего канала волоки, длина калибрующей зоны) в совокупности со степенью обжатия и варьируемой скоростью волочения позволяют управлять глубиной проработки сечения металла, скоростью его деформации, качеством поверхности, точностью размеров. Поэтому расширение номенклатуры используемых в данном процессе материалов за счет более технологичных сталей классов TRIP и TWIP потенциально позволит получать традиционные виды изделий с расширенным комплексом технологических и эксплуатационных характеристик.
В частности, одними из наиболее широко
используемых сталей в современном машиностроении являются стали TRIP 600-700. Главной отличительной особенностью данных сталей является так называемый трип-эффект, который заключается в способности остаточного аусте-нита в их микроструктуре аккумулировать энергию и превращаться в более твердый мартенсит под действием высокоскоростной деформации.
В ходе эксплуатации стержневой детали из TRIP стали она будет обладать свойством поверхностного упрочнения в условиях вибраций и ударных нагрузок, так как остаточный аустенит в поверхностных слоях будет трансформироваться в более прочный мартенсит. При использовании элементов механизмов из таких сталей в условиях абразивного износа будет реализовы-ваться свойство сверхвязкости, которое позволяет за счет формирования зоны упрочнения уменьшить и замедлить отрыв частиц металла с поверхности стержня.
После процесса волочения калиброванной TRIP стали результатом является заготовка для стержневых деталей с повышенными точностью размеров, качеством поверхности, износостойкостью и запасом прочности. То есть получается конечный продукт с адаптирующимися под негативные воздействия рабочей среды механическими свойствами или передельная заготовка с высокой технологической гибкостью.
Особенности процесса волочения калиброванной TRIP стали потенциально определяют возможность получения продукта с широким спектром механических свойств:
1. При малых скоростях деформации результатом волочения будет холоднотянутая калиброванная TRIP сталь с высокими пластическими характеристиками и повышенным ресурсом потенциального упрочнения за счет нетрансфор-мированного остаточного аустенита в микроструктуре. Такая заготовка представляет интерес для производителей стержневых конструкций, защитных рам или стержневых крепежных изделий. Большой ресурс ^трансформированного остаточного аустенита позволяет в данных видах производства управлять локализацией механических свойств в необходимых элементах готовой продукции (например, локально упрочнять головку или резьбу болта).
2. При высоких скоростях деформации при волочении становится возможным получение
стержней с высокими классами прочности, превышающими традиционные углеродистые стали.
3. При варьировании угла волоки и степени деформации в результате волочения можно получить калиброванную сталь с упроченным поверхностным слоем заданной толщины.
Следовательно, для проектирования режимов деформационной обработки и прогнозирования конечных свойств заготовки необходима разработка методов моделирования, которые обеспечивают учет динамических структурно-фазовых превращений в металле, но в то же время позволяют осуществлять оперативный анализ свойство-образующих параметров НДС при относительно высоких объемах деформируемого металла.
Теория, материалы и методы исследования, технические и технологические разработки
Моделирование на макроуровне. Для оценки технологического потенциала процесса было выбрано однократное волочение калиброванной стали с исходного диаметра 38 мм. Данный диаметр наиболее востребован во всех областях машиностроения.
Для изучения влияния обжатия на свойства металла финальный диаметр варьировался от 37 мм до 35 мм. Угол раскрытия волоки - в пределах от 18 до 12 град. Скорость волочения составляла 100 мм/с.
В качестве исходного материала была выбрана сталь TRIP 700, химический состав которой представлен в таблице.
Химический состав стали марки TRIP 700, % (масс)
C Mn Si Cr Mo Ni Cu Al P S
0,177 1,54 0,32 0,02 - 0,03 0,02 1,35 0,075 0,007
Механические свойства стали TRIP 700 представлены на рис. 1.
Моделирование на микроуровне. Для субмоделирования была использована фотография микроструктуры стали TRIP 700 (рис. 2). Исходная микроструктура исследуемой стали имела следующий состав: остаточный аустенит (~22%), феррит (~66%) и бейнит (~12%).
Бинаризированное изображение микроструктуры было покрыто КЭ сеткой с треугольными элементами типа CAX3 (A 3-node linear axisymmetric triangle) из стандартной библиотеки Abaqus.
Мультимасштабное моделирование.
КонстантиноеД.В., Бзоески К, Корчунов А.Г. и др.
0,1 0,15 Plastic Strain Рис. 1. Механические свойства стали TRIP 700
Рис. 2. Микроструктура стали TRIP 700
Для симуляции трип-эффекта была выбрана следующая экспериментально установленная математическая зависимость [14-15]:
v —V ,
у у-initial
- 26,708е-0,003ё +
+53,51б£2 -0,018её-1,06-10"5£2,
(1)
где vy_inttial - исходное количество остаточного
аустенита в микроструктуре TRIP стали; ё -скорость деформации; s - степень деформации.
С учетом зависимости (1) была разработана надстройка для пакета Abaqus, реализующая следующий алгоритм:
1. Расчет объемной доли трансформированного аустенита после каждого шага расчета.
2. Выбор рассчитанного процента из группы элементов остаточного аустенита, которые имеют максимальные значения деформации и скорости деформации.
3. Замена свойств выбранных элементов на свойства мартенсита.
Результаты исследования и их обсуждение
Сраенениерезулътатое моделирования сучетом влияния трип-эффекта и без него На рис. 3 представлено распределение напряжений Мизеса и эквивалентной деформации в центральных слоях металла в деформационной зоне.
Трансформация относительно пластичного остаточного аустенита в более прочный мартенсит приводит к появлению локализованных высоких значений эквивалентных напряжений. При этом поскольку только что образовавшийся мартенсит является наиболее прочной структурной составляющей во всей микроструктуре TRIP стали, его скопления перестают деформироваться. Поэтому количество локализаций околонулевых значений эквивалентных деформаций в модели с симуляцией TRLP-эффекта значительно больше.
Особенно ярко эта закономерность прослеживается на поверхности деформируемой калиброванной стали (рис. 4), где скорость и степень деформации выше, чем в центральных слоях, а значит, выше и количество преобразованного остаточного аустенита.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
MISES STRESSES (CENTER)
4 i. 619*+03 +1 4$6e+03 +1 JS3«+ill +1.221*+«} Ш +i сввв*аз
—I +9 S47.+02 ■
Щ вм»+м
—f »5-54.26*0;
—f 4-4 234«+32
■ +2.906#+02
■ +1.«7в+в2 ™ +Î 442«+01
# J r
iW
** , - j-
t Ï*f$îfi
i
EQLTVALENT STR.UN (CENTER)
WI1HOUT TRIP-EFFECT
/
Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений и деформаций в центральном слое метала
в модели с симуляцией TRIP эффекта и без него
MISES STRESSES (SURFACE)
+1.744**03
+1.44**+» + 1.3W«+03
ti.au+o)
+t.32*a+02 +i, 740**02
♦ s.iiîe+o:
+3, S63*+02 *l»?4*+02 *3,8»*+Ql
EQUIVALENT STRAIN (SURFACE)
Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений и деформаций в поверхностном слое метала
в модели с симуляцией TRIP эффекта и без него
Мультимасштабное моделирование...
Анализ деформированного состояния и микроструктурных преобразований в ходе процесса волочения
Значения радиальных деформаций сжатия и глубина их проникновения в металл в деформационной зоне главным образом определяют распределение механических свойств в конечном изделии. Особенно это важно для исследуемых TRIP сталей, в которых из-за протекания TRIP-эффекта динамика изменения механических свойств стали несоизмеримо выше, чем в сталях без метаста-бильных микроструктурных составляющих.
Анализ радиальных деформаций (рис. 5) осуществлялся в центральном и поверхностном слое металла в середине деформационной зоны волоки.
Локализации околонулевых деформаций обусловлены высокой прочностью бейнита и образовавшихся зародышей мартенсита. Более пластичные фазы (феррит и остаточный аусте-нит) испытывают сжимающие радиальные деформации в диапазонах значений от -0,03 до -0,15 (в центре) и от -0,07 до -0,22 (на поверхности). При этом отмечено, что локализации наиболее высоких значений сжимающих радиальных деформаций пластичных фаз находятся в областях высокого скопления более прочных микроструктурных составляющих, то есть часть микродеформаций в металле обусловлена деформационным взаимодействием элементов микроструктуры между собой.
Данный факт должен приниматься во внимание при проектировании технологий произ-
КонстантиновД.В, Бзовски К, Корчунов А.Г. и др.
водства калиброванной стали, включающих пластическую деформацию и последующую термическую обработку, как правило, в виде операций рекристаллизационного отжига. В этом случае необходимо избегать так называемых «критических» степеней деформации при назначении режимов волочения калиброванной стали. После так называемой критической степени деформации не происходит процесс рекристаллизации по механизму образования новых зерен и их роста. Нагрев в таком случае вызывает быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. Поэтому первичная рекристаллизация осуществляется в ограниченных объемах, а рост зерен при вторичной рекристаллизации практически отсутствует. При критических степенях деформации возникает заметное проявление неодинаково деформированных соседних зерен и отсутствуют условия для появления центров первичной рекристаллизации в отдельных объемах металла. Все это приводит к укрупнению одних слабо-деформированных зерен за счет других, а впоследствии - к ухудшению механических свойств стали. Также неоднородность свойств отрицательно сказывается на стабильности процесса дальнейшей переработки и качестве готовой продукции.
Было исследовано влияние геометрических параметров инструмента на протекание мартен-ситного превращения в центральных и поверхностных слоях калиброванной стали (рис. 6 и 7).
Рис. 5. Распределение радиальных деформаций на поверхности и в центре деформационной зоны
■SURFACE I CENTER
16 14
Die angle, deg
Рис. 6. Влияние угла волоки на количество мартенсита в микроструктуре калиброванной стали
7 и—
■SURFACE ■ CENTER
37 36 35
Final diameter, mm
Рис. 7. Влияние обжатия на количество мартенсита в микроструктуре калиброванной стали
(исходный диаметр 38 мм)
Отмечено, что при увеличении угла волочильного инструмента количество образовавшегося мартенсита также увеличивается вследствие роста скорости деформации. Однако при больших углах волоки неравномерность деформации растет, что приводит к увеличению разницы процентной доли мартенсита в микроструктуре между центральными и периферийными слоями. Уменьшение угла волоки позволяет снизить эту разницу, но при почти на треть меньшем количестве образовавшегося мартенсита.
Степень деформации оказывает относительно меньшее влияние на образование мартенсита и распределение его процентного соотношения по сечению калиброванной стали.
Заключение
Результаты расчета НДС в мультимасштабных моделях продемонстрировали не только перспективность данного инженерного инструмента, но и неотъемлемую необходимость учета микрострук-
туры и ее поведения под нагрузкой при проектировании даже традиционных процессов с использованием современных материалов.
Предложенный метод создания мультимасштабных моделей в случае исследования процесса волочения калиброванной TRIP стали позволил:
1. Доказать важность учета TRIP эффекта с позиции НДС, так как формирующиеся в ходе его реализации зародыши высокопрочного мартенсита являются локализаторами высоких значений напряжений Мизеса.
2. Обнаружить высокие сжимающие деформации в диапазонах значений от -0,03 до -0,15 (в центре) и от -0,07 до -0,22 (на поверхности) в фазах феррита и остаточного аустенита.
3. Изучить деформационное взаимодействие элементов микроструктуры между собой, тем самым объяснив наличие более высоких радиальных деформаций в пластичных фазах вблизи большего скопления зерен более прочных фаз бейнита и мартенсита.
Мультимасштабное моделирование
КонстантиновД.В., Бзовски К, Корчунов А.Г. и др.
В совокупности это позволило не просто повысить прогнозирующую способность моделей процесса и скорость их расчета, но и расширить номенклатуру материалов традиционного процесса волочения калиброванной стали путем использования современных технологически гибких TRIP сталей.
Список литературы
1. Генезис научных исследований в области качества металлопродукции / Гун Г.С., Мезин И.Ю., Рубин Г.Ш., Минаев A.A., Назайбеков А.Е., Дыя X. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 92-97.
2. Инновационный потенциал новых технологий производства метизных изделий из наноструктурных сталей / Чукин М.В., Копцева Н.В., Барышников М.П., Ефимова Ю.Ю., Носов А.Д., Носков Е.П., Коломиец Б.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. № 2. С. 64-68.
3. Актуальные проблемы квалиметрии метизного производства в период зарождения шестого технологического уклада / Гун Г.С., Чукин М.В., Рубин Г.Ш., Мезин И.Ю., Корчунов А.Г. // Металлург. 2014. № 4. С. 92-95.
4. Sarma, G.B., Radhakrishnan, B., Zacharia, T., 1998, Finite Element Simulations of Cold Deformation at the Mesoscale, Computational Materials Science, 12, 1998, 105-123.
5. Son, S.-B., Roh, H., Kang, S.-H., 2010, Relationship between microstructure homogeneity and bonding stability of ultrafine gold wire, Journal of Materials Science, 45, 236-244.
6. Watanabe, I., Setoyama, D., Nagasako, N., Iwata, N., Nakanishi, K., 2012, Multiscale prediction of mechanical behavior of ferrite-pearlite steel with numerical material testing, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 89, 829-845.
7. Fischer, F.D., Reisner, G., Werner, E., Tanaka, K., Cailletaud, G., Antretter, T., 2000. A new view on transformation induced plasticity (TRIP). International Journal of Plasticity 16 (7-8), 723-748.
8. Bleck, W., Schael, I., 2000. Determination of crash-relevant material parameters by dynamic tensile tests. Steel Research 71, 173-178.
9. Choi, I.D., Bruce, D.M., Kim, S.J., et al., 2002. Deformation behavior of low carbon TRIP sheet steels at high strain rates. ISIJ International 42, 1483-1489.
10. Kim YG, Kim TW, Han JK, Chang RW. Development of newaustenitic Fe-Mn-Al-C steels for automotive applica-tions.Key Eng Mater 1993;84:461-72.
11. Grassel O, Krüger L, Frommeyer G, Meyer LW. High strengthFe-Mn-(Al,Si) TRIP/TWIP steels development - properties -application. Int J Plast 2000;16:1391-409.
12. Frommeyer G, Brüx U, Neumann P. Supra-ductile andhigh-strength manganese-TRIP/TWIP steels for high energyab-sorption purposes. ISIJ Int 2003;43:438-46.
13. Balzani, D., Schroder, J., 2008, Some basic ideas for the reconstruction of statistically similar microstructures for mul-tiscale simulations, Proc. Appl. Math. Mech., 8, 10533-10534.
14. Wiewiorowska, S., Determination of content of retained aus-tenite in steels with TRIP effect deformed at different strain rates, Steel Research International. 81 (2010) 262-265.
15. Wiewiorowska, S., The influence of strain rate and strain intensity on retained austenite content in structure of steel with TRIP Effect. Solid State Phenomena, 165 (2010) 216-222.
Материал поступил в редакцию 21.04.16.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DOI:10.18503/1995-2732-2016-14-3-90-98
MULTISCALE COMPUTER MODELLING OF STRUCTURAL AND PHASE TRANSFORMATIONS IN DEFORMED-STATE STEEL
Dmitry V. Konstantinov - Master's Student
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Krzysztof Bzowski - Postgraduate Student
AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland.
Aleksey G. Korchunov - D.Sc. (Eng.), Professor, Vice-Rector for International Affairs
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Roman Kuziak - Doctor of Science, Professor
Instytut Metalurgii Zelaza, Gliwice, Poland.
Maciej Pietrzyk - Doctor of Science, Professor
AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland.
Oleg P. Shiryaev - Director MMK-METIZ, Magnitogorsk, Russia.
Abstract
Problem Statement (Relevance): This article describes some potential benefits of using TRIP steels in the cold drawing process, which results in the final product having a wide range of additional properties such as strength, wear resistance and resistance to environmental effects. Stating the critical need to account for the microstructure of TRIP steels, the authors have formulated some important problems
of the conventional approach to engineering drawing processes that exploits the finite element method.Objectives: The study aims to optimise the computer modelling techniques applied in simulation of steel drawing operations in order to increase the model's predictive power and to study the structure forming phenomena characteristic of advanced steels. Methods Applied: An optimised multiscale modelling method was applied which helps observe the micro-
structure of a workpiece in process, as well as dynamic structural and phase transformations, i.e. the TRIP effect. An add-in programme was used with Abaqus to simulate the TRIP effect. Equivalent stresses and strains, as well as axial and radial deformations at the surface and in the center of the deformation zone were estimated to analyse the stressstrain state of a workpiece. Originality: This research resulted in an improved modelling technique applied in simulation of the axisymmetric cold working process that accounts for the microstructure of a workpiece in process and its transformations under strain. Due to this one can calculate the microstructural parameters of steel in a stress-strain state and look at the transformations that take place in metastable steels. Findings: The article compares the results of modelling allowing for the TRIP effect and overlooking it. The comparison shows that martensite, which forms in the microstructure, causes a significant rise of equivalent stresses across the entire representative volume, which is extremely critical in the drawing process engineering. The method applied also gave a better understanding of how the microstructural elements interact in TRIP steel under strain, which helped explain more intense (2 or 3 times as high compared with the average values) radial strains in the plastic phases close to bigger grain clusters of stronger bainite and martensite phases. The proposed technique helped increase the predictive power of initial simulation and study the structure forming phenomena characteristic of advanced steels in a drawing process. Practical Relevance: The study helped obtain initial data that can be used to design the drawing processes for TRIP steels. This will enable advanced and technically flexible materials to be used in the conventional drawing process, thus expanding the range of applicable steels.
Keywords: Drawing, steel, TRIP effect, multiscale simulation, representative volume, stress-strain state, microstructure.
References
1. Gun G.S., Mezin I.Yu., Rubin G.Sh., Minaev A.A., Nazaibekov A.E., Dyja H. Research genesis in the field of steel products quality. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of No-sov Magnitogorsk State Technical University]. 2014, no. 1 (45), pp. 92-97. (In Russ.)
2. Chukin M.V., Koptseva N.V., Baryshnikov M.P., Efimova Yu.Yu., Nosov A.D., Noskov E.P., Kolomiets B.A. Innovative potential of new technology behind nanostructured steel based metalware production. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2009, no. 2, pp. 64-68. (In Russ.)
3. Gun G.S., Chukin M.V., Rubin G.Sh., Mezin I.Yu., Korchunov A.G. Current issues of metalware production qualimetry during the rise of the sixth technological wave. Metallurg [Metallurgist], 2014, no. 4, pp. 92-95. (In Russ.)
4. Sarma, G.B., Radhakrishnan, B., Zacharia, T., 1998, Finite Element Simulations of Cold Deformation at the Mesoscale, Computational Materials Science, 12, 1998, 105-123.
5. Son, S.-B., Roh, H., Kang, S.-H., 2010, Relationship between microstructure homogeneity and bonding stability of ultrafine gold wire, Journal of Materials Science, 45, 236-244.
6. Watanabe, I., Setoyama, D., Nagasako, N., Iwata, N., Nakanishi, K., 2012, Multiscale prediction of mechanical behavior of ferrite-pearlite steel with numerical material testing, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 89, 829-845.
7. Fischer, F.D., Reisner, G., Werner, E., Tanaka, K., Cailletaud, G., Antretter, T., 2000. A new view on transformation induced plasticity (TRIP). International Journal of Plasticity 16 (7-8), 723-748.
8. Bleck, W., Schael, I., 2000. Determination of crash-relevant material parameters by dynamic tensile tests. Steel Research 71, 173-178.
9. Choi, I.D., Bruce, D.M., Kim, S.J., et al., 2002. Deformation behavior of low carbon TRIP sheet steels at high strain rates. ISIJ International 42, 1483-1489.
10. Kim YG, Kim TW, Han JK, Chang RW. Development of new austenitic Fe-Mn-Al-C steels for automotive applications. Key Eng Mater 1993;84:461-72.
11. Grassel O, Krüger L, Frommeyer G, Meyer LW. High strength Fe-Mn-(Al,Si) TRIP/TWIP steels development - properties -application. Int J Plast 2000;16:1391-409.
12. Frommeyer G, Brüx U, Neumann P. Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes. ISIJ Int 2003;43:438-46.
13. Balzani, D., Schroder, J., 2008. Some basic ideas for the reconstruction of statistically similar microstructures for mul-tiscale simulations, Proc. Appl. Math. Mech., 8, 10533-10534.
14. Wiewiorowska, S. Determination of content of retained aus-tenite in steels with TRIP effect deformed at different strain rates, Steel Research International. 81 (2010) 262-265.
15. Wiewiorowska, S. The influence of strain rate and strain intensity on retained austenite content in structure of steel with TRIP effect. Solid State Phenomena, 165 (2010) 216-222.
Received 21/04/16
Мультимасштабное моделирование структурно-фазовых превращений в стали при волочении / Константинов Д.В., Бзовски К., Корчунов А.Г., Кужиак Р., Пьетшик М., Ширяев О.П. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т.14. №3. С. 90-98. doi:10.18503/1995-2732-2016-14-3-90-98
Konstantinov D.Vy., Bzowski K.,Korchunov A.G., Kuziak R., Pietrzyk M., Shiryaev O.P. Multiscale computer modelling of structural and phase transformations in deformed-state steel. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2016, vol. 14, no. 3, pp. 90-98. doi: 10.18503/1995-2732-2016-14-3-90-98
