Microstructure-based process modeling of open die forging of a high strength martensitic stainless steel

Résumé

Dans les composants techniques, les aciers à haute résistance sont bien connus pour leur résistance à la corrosion et leur excellente combinaison de résistance et de ténacité. Le traitement thermique peut changer leurs propriétés et les rendre adaptées à une variété d’applications telles que les plates-formes offshores pour l’extraction du pétrole, les outils de coupe, les générateurs de vapeur, les récipients sous pression et les lames. La fabrication de ces gros composants commence par la séquence des opérations de coulée, de forgeage, de trempe et de revenu. Le but principal du forgeage du lingot coulé est d’éliminer les défauts de coulée qui se produisent pendant la solidification, y compris le retrait, la ségrégation, la porosité, l’inclusion non métallique et les fissures. Ces défauts sont initiés lors du grondement de l’acier liquide et/ou lors de la solidification dans le moule. Bien que l’optimisation du processus de coulée ait été utilisée pour réduire l’incidence de ces défauts, il est très difficile de les prévenir. Un défaut préjudiciable entraîne des propriétés hétérogènes dans le lingot coulé final, ce qui affecte considérablement les performances et l’aptitude des produits finis. Cependant, si les défauts sont trop grands, il est très difficile de guérir toute la porosité seulement le procédé de forgeage avant. Par conséquent, le calendrier de forgeage approprié et précis est important pour les industries de fabrication lourde. Le but principal de ce travail est d’examiner les mécanismes impliqués dans l’évolution microstructurale de l’acier inoxydable martensitique utilisée dans les industries pétrolières et gazières comme arbre de turbine pendant la rupture de la structure coulée. En outre, le comportement de déformation à chaud de l’acier étudié a été modélisé à l’aide du meilleur modèle de matériau prévisible. En utilisant un code d’éléments finis, les équations constitutives et les modèles d’évolution de microstructure sont mis en œuvre, puis l’évolution thermomécanique et de microstructure sont couplées. La première partie de cette étude fournit la caractérisation des structures de coulée lors de la solidification. Des techniques avancées de caractérisation ont été utilisées pour déterminer la distribution, la composition chimique et l’identification des phases. Tous les facteurs déterminants ont été pris en compte pour étudier la précipitation et la ségrégation en phase pendant le processus de coulée. La deuxième partie de cette étude consiste à effectuer les essais de compression isotherme à chaud à l’aide d’un simulateur thermomécanique, GleebleTM 3800, pour déterminer le comportement d’écoulement de l’acier inoxydable martensitique sous une large gamme de températures et de vitesses de déformation correspondant au procédé de forgeage industriel pour les lingots de grande taille. La contrainte d’écoulement mesurée a été corrigée en considérant l’effet du frottement et du chauffage adiabatique. La contrainte d’écoulement double corrigée est utilisée pour développer un modèle précis afin de prédire le comportement d’écoulement du matériau. Le meilleur modèle de courbes de flux prédictives a été établi et sa précision a été vérifiée auprès de la mesure expérimentale. Plus précisément, la comparaison quantitative est effectuée entre les modèles Hansel-Spittel et les modèles à compensation de déformation pour déterminer la précision des modèles développés. Le forgeage lourd est un procédé hautement non linéaire dans lequel la déformation plastique et la recristallisation modifient à la fois la microstructure et les conditions limites. Dans le forgeage à chaud, l’évolution de la microstructure influe sur les comportements de déformation en raison de ses effets sur la récupération dynamique, la recristallisation dynamique et la croissance du grain. En même temps, les paramètres de forgeage tel que la déformation, la température et l’évolution de la microstructure de commande de séquence de passage. Par conséquent, la troisième partie de ce projet est consacré à l’étude de l’effet des paramètres de travail sur l’évolution de la microstructure pendant le forgeage à chaud du MSS. Après une analyse expérimentale de l’évolution de la microstructure, les équations mathématiques qui décrivent les changements de microstructure ont été développées. La prochaine étape consiste à intégrer quelques équations constitutives et des modèles de microstructure dans un simulateur d’éléments finis 3D pour prédire les variations de déformation, de fraction DRX, de taille de grain DRX et de critères de dommages. Une des industries de forgeage détermine les conditions de déformation dans lesquelles le lingot est susceptible de fissuration et de défaillance du composant. Il est donc très important de prévoir les conditions de déformation risquées ou la région du composant avec un facteur de dommage maximal Après validation de tous les modèles, le processus de forgeage du lingot de 13,5-tonne a été simulé par le système développé correspondant à la condition industrielle. L’influence des paramètres de travail, y compris la température, la déformation et le taux de déformation, sur l’évolution de la microstructure a été analysée. La simulation du processus de forgeage a été utilisée pour analyser la déformation, la température, la fraction dynamique du volume de recristallisation et les variations de la taille du grain. Sur la base du système de simulation développée, un autre procédé de forgeage à chaud optimal a été conçu.

Date	27 déc. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Gholamreza Ebrahimi (Codirecteur(-trice))