Design of the thermomechanical control process of high strength low alloy (HSLA) steels
Authors: Τζίνη Μαρία-Ιωάννα 
Published: March 2021

Ο σχεδιασμός της θερμομηχανικής κατεργασίας χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κράματωσης (HSLA) παραμένει ένα δύσκολο πρόβλημα και λίγες προσπάθειες έχουν πραγματοποιηθεί ως προς την βελτιστοποίηση τους υπό ένα ενοποιημένο υπολογιστικό πλαίσιο. Οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση μεμονομένων σταδίων της θερμομηχανικής κατεργασίας, αγνοώντας την σύνδεση των φαινομένων που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής στα διαφορετικά στάδια, ενώ άλλες έρευνες βασίζονται σε μια διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, η οποία απαιτεί τεράστιο αριθμό πειραματικών δεδομένων ώστε να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η θερμομηχανική κατεργασία των X70 HSLA χαλύβων αποτελείται από δύο στάδια θερμής έλασης (roughing and finishing) στην ωστενιτική περιοχή, και στη συνέχεια από επιταχυνόμενη ψύξη, όπου ο παραμορφωμένος ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη. Μετά από μια διαδικασία συσπείρωσης (coiling), η τελική μικδροδομή, συναρτήσει των παραμέτρων κατεργασίας, μπορεί να αποτελείται από πολυγωνικό φερρίτη, βελονοειδή φερρίτη ή μπαινιτικό φερρίτη, με μέσο μέγεθος κόκκου 2-6 μm. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην ανάπτυξη μιας υπολογιστικής διαδικασίας συνδεδεμένης με στρατηγικές βελτιστοποίησης, για την περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής κατά τα πολλαπλά στάδια της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Δύο διαδικασίες υπολογιστικής μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης αναπτύχθηκαν για το σχεδιασμό της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Η πρώτη προσέγγιση υιοθετεί ένα επεκταμένο μοντέλο Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK rate model), για τη περιγραφή της επιταχυνόμενης καθίζησης των καρβονιτριδίων του νιοβίου λόγω παραμόρφωσης, καθώς και της στατικής ανακρυστάλλωσης του ωστενίτη κατά τη θερμομηχανική κατεργασία. Στοχεύοντας στην εκλέπτυνση του κόκκου, χρησιμοποιήθηκε ένας γενετικός αλγόριθμος για την εύρεση βέλτιστων λύσεων θερμομηχανικής κατεργασίας υπό συγκεκριμένες συνθήκες σχεδιασμού. Το υλικό που πρόεκυψε από αυτή τη μέθοδο, ονομάστηκε "δοκιμαστικό υλικό" (trial material). Στη δεύτερη προσέγγιση, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο μοντέλο καθίζησης και ανακρυστάλλωσης, περιορίζοντας τον αριθμό των ρυθμιζόμενων παραμέτρων, το οποίο ενσωματώθηκε σε ένα φυσικό μοντέλο (physically-based mean field model) για τη περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής. Το μοντέλο λαμβάνει υπ' όψιν του μια αποτελεσματική δύναμη Zener pinning, μια αποτελεσματική κινητικότητα του νιοβίου για το solute drag effect, και μια μη-ομοιόμορφη αποθηκευμένη ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τον NSGA-II αλγόριθμο, μια λίστα βέλτιστων λύσεων ευρέθηκε, επιλύοντας ένα πολυαντικειμενικό πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτές οι λύσεις χαρακτηρίζονται από συμβιβαζόμες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής, π.χ. μέσο φερριτικό μέγεθος κόκκου, διαλυτοποιημένο νιόβιο, και βαθμό επιμήκυνσης στο τέλος της θερμής έλασης. Μια λύση επιλέχθηκε από αυτή τη μεθοδολογία, και το υλικό που προέκυψε ονομάστηκε "βέλτιστο υλικό", ενώ στη συνέχεια το υλικό ερευνήθηκε με τη χρήση υπολογισμών Multi-Phase Field (MPF). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση της μικροδομής, της καθίζησης και μηχανικοί έλεγχοι για τον χαρακτηρισμό του υλικού. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάσαν καλή σύγκλιση με τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των MPF και JMAK μοντέλων για τη περίπτωση των C-Mn χαλύβων, ώστε να αποκαλυφθούν οι παράμετροι που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής, καθώς πραγματοποιήθηκε και πειραματική επιβεβαίωση των MPF αποτελεσμάτων με δημοσιευμένα δεδομένα από την βιβλιογραφία. Η σύγκριση μεταξύ του δοκιμαστικού και βέλτιστου υλικού, καθώς και ενός αναφορικού υλικού το οποίο προήλθε από μια βιομηχανική θερμομηχανική κατεργασία, έδειξε ότι το βέλτιστο υλικό είχε μια πιο λεπτόκοκκη και ομοιόμορφη μικροδομή, πετυχαίνοντας συνεπώς τις αντικειμενικές του σχεδιασμού. Ωστόσο, το βέλτιστο υλικό παρουσίασε λίγο μεγαλύτερη θερμοκρασία μετάβασης από την ψαθυρή στην όλκιμη θραύση. Η παρούσα μελέτη κατάφερε να περιγράψει τα φαινόμενα που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής καθόλη τη θερμομηχανική κατεργασία των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης μέσω μιας ολοκληρωμένης υπολογιστικής προσέγγισης, για να μειώσει το χρόνο που απαιτείται για τη βελτιστοποίση του υλικού θέτοντας συγκρεκριμένες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής. Ένα βήμα πραγματοποιήθηκε από την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στη διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, προς την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στον υπολογιστικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις μπορούν να συνεισφέρουν στο σχεδιασμό της κατεργασίας των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης (HSLA) και άλλων μικρό-κραματωμένων χαλύβων με βελτιομένες ιδιότητες.