Towards the modelling of recrystallization phenomena in multi-pass conditions: application to 304L steel
Vers la modélisation des phénomènes de recristallisation en conditions multi-passes : application à l'acier 304L
Résumé
Recrystallization, which can occur dynamically or statically, is an important phenomenon causing microstructure changes in deformed metals and therefore affecting the properties of the material. Even though extensive investigations have been carried out on the numerical modeling of recrystallization, the literature lacks accurate recrystallization models which are able to predict microstructure evolution under multi-pass conditions. Although some efforts have been reported in this direction, most of them either lack experimental validation or only provide qualitative agreement in selected deformation conditions. The connections between static recrystallization (SRX), dynamic recrystallization (DRX), post-dynamic recrystallization (PDRX) and grain growth (GG) are usually oversimplified. Furthermore, most of them are not designed for variable thermal and/or mechanical conditions and are therefore difficult to use for industrial applications. In this work a physically-based two-site mean field model has been developed to describe the microstructural evolution of 304L austenitic stainless steels. The originality of the model lies in: (a) the interaction of each representative grain with two homogeneous equivalent media, with high and low dislocation density, respectively; (b) the relative weight of the two media is functionally related to their volume fractions; (c) nucleation and disappearance of grains make the data structure variable in time; (d) the model parameters vary with temperature and strain rate but do not depend on grain size in DRX conditions, and become only temperature dependent in static conditions (SRX/PDRX/GG); (e) quantitative agreement with experimental results is obtained in terms of (i) recrystallization kinetics, (ii) stress-strain curves, (iii) recrystallized grain size, and (f) it is designed to be used in multi-pass conditions, with variable temperature and strain rate. To verify and validate the model, torsion tests were conducted over a wide range of conditions for investigation of DRX. Subsequent annealing after termination of deformation, which led to SRX or PDRX depending on the applied strain, was also carried out. The model parameters were first estimated from experimental and literature data, and were further tuned by inverse analysis. It is found that all identified model parameters evolve with temperature and strain rate in a physically consistent way. The application of this proposed model to DRX, SRX/PDRX/GG is then analyzed, taking into account the effects of deformation temperature, strain rate, applied strain, as well as initial grain size. Good quantitative agreements with measured data are obtained in the different recrystallization regimes, which opens the possibility of modeling multi-pass operations compatible with industrial applications. A few in situ heating experiments were carried out to provide a better understanding of the SRX/PDRX/GG mechanisms. The role of annealing twins is tentatively discussed: it seems to promote both nucleation and grain boundary migration.
La recristallisation, qui peut se produire de façon dynamique ou statique, est un important phénomène qui transforme la microstructure des matériaux métalliques déformés modifiant ainsi ses propriétés mécaniques. Malgré l'existence de travaux approfondis sur la modélisation numérique du phénomène de recristallisation, la littérature scientifique manque de modèles précis capables de prédire l'évolution microstructurale dans des conditions de mise en forme multi passes. Bien que des efforts aient été réalisés dans cette direction, la plupart des modèles existants dans la littérature présentent soit un manque de validation expérimentale, soit ne fournissent que des accords qualitatifs entre les résultats numériques et expérimentaux dans des conditions de déformations connues et sélectionnées. De plus, les relations entre la recristallisation statique (SRX), la recristallisation dynamique (DRX), la recristallisation post-dynamique (PDRX) et la croissance de grains (GG) sont généralement trop simplistes. Par ailleurs, la plupart de ces modèles ne sont pas conçus pour la réalisation de simulations avec des conditions thermiques et/ou mécaniques variables et limite par conséquent leur utilisation pour des applications industrielles. Pour cette étude, un modèle à champ moyen 2 sites a été développé afin de décrire l'évolution microstructurale de l'acier 304L. L'originalité de ce modèle réside dans : (a) l'interaction de chaque grain avec deux milieux homogènes équivalents, avec respectivement une densité de dislocation élevée et faible; (b) le poids relatif de chaque milieu est lié à leur fraction volumique ; (c) la germination et la disparition des grains rendent la microstructure variable au cours du temps ; (d) les paramètres dépendent de la température et de la vitesse de déformation mais pas de la taille des grains dans les conditions DRX, et uniquement de la témpérature dans les conditions statiques (SRX/PDRX/GG); (e) des accords quantitatifs avec les résultats expérimentaux sont obtenus en fonction de (i) la cinétique de recristallisation, (ii) la courbe contrainte-déformation, (iii) taille de grain après recristallisation, et (f) le modèle a été développé pour être utilisé en conditions multi- passes, avec des valeurs variables de température et de vitesse de déformation. Afin de vérifier et valider le modèle, plusieurs essais de tractions ont été réalisés sous de nombreuses conditions différentes de température et de vitesse de déformation, afin de caractériser le mode DRX. Pour la vérification de la SRX et PDRX, des traitements de recuit ont été réalisés après la déformation plastique, respectivement à froid et à chaud. Les paramètres du modèle ont premièrement été estimés à partir des donnés expérimentales ou présentes dans la littérature, et ont ensuite été établis par analyse inverse. Il a été constaté que tous les paramètres du modèle évoluent de manières physiquement cohérentes en fonction de la température et de la vitesse de déformation. Les résultats obtenus à partir de la simulation de la DRX, SRX/PDEX/GG ont été analysés, en prenant en compte les effets de la température de déformation, la vitesse de déformation, la déformation appliquée ainsi que la taille de grain initiale. Un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux a été observé pour les différents types de recristallisation, ce qui ouvre la voie à la modélisation de la mise en forme en conditions multi passes pour des applications industrielles. Finalement, des traitements thermiques avec analyse in situ ont été réalisés afin d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de SRX/PDRX/GG. Le rôle du maclage pendant le traitement de recuit a été discuté : il semble favoriser à la fois la germination et la migration des joints de grains.
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