Design of the thermomechanical control process of high strength low alloy (HSLA) steels

Abstract

The design of the Thermomechanical Control Process (TMCP) of HSLA steels remains challenging and few attempts have been made towards optimization through a unified computational framework. Most studies are concerned with optimizing single stages of the TMCP, often neglecting the connection between the phenomena which control the microstructural evolution at different stages, while other studies are based on a trial-and-error procedure and require a large set of experimental data to improve the mechanical properties of the material. The TMCP of X70 HSLA steels consists of a two stage multipass hot-rolling in the austenite region (roughing and finishing), followed by controlled accelerated cooling, where the deformed austenite transforms into ferrite. After a coiling process, depending on the processing parameters, the final microstructure may consist of quasi-polygonal ferrite, acicular ferrite or bainitic ferrite, with an average grain size of 2-6 μm. The present study aims at the development of an integrated computational and optimization approach to describe the grain size evolution and distribution during the multiple stages of the TMCP in an X70 HSLA steel. Two computational modeling and optimization approaches for the design of the TMCP of an X70 HSLA steel are presented. The first approach adopts an extended Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) rate model to describe the strain-induced precipitation of niobium carbonitrides and static recrystallization of austenite during TMCP. Aiming at grain size refinement, a genetic algorithm was employed to determine an optimal processing route under specific process design criteria, resulting in the “trial material”. In the second approach, a novel integrated precipitation and recrystallization model was developed, limiting the number of adjustable parameters, and was incorporated into a physically-based mean field model for the description of microstructural evolution. The model considers an effective Zener pinning force, an effective mobility for the solute drag effect of niobium and an inhomogeneous stored energy. A list of optimal processing routes was determined by the NSGA-II, solving a multi-objective optimization problem. These routes were characterized by a trade-off among the microstructural objectives, i.e. the average ferrite grain size, the niobium in solution and the degree of pancaking at the end of the finishing stage. A single processing route was selected, resulting in the “optimal material”, and the microstructural evolution during TMCP was further investigated by Multi-Phase Field (MPF) calculations. Microstructural and precipitation analysis, as well as mechanical tests were carried out to characterize the two materials. The experimental data revealed a good agreement with the model predictions. Furthermore, a comparison between the MPF and an extended JMAK model is made for the case of C-Mn steels to reveal the controlling parameters of the temporal grain size evolution, and the MPF results are validated with experimental results reported in the literature. Comparison between the two proposed trial and optimal materials and a reference material, derived by an industrial rolling schedule, showed that the optimal material had a finer and more homogeneous grain size, thereby it achieved the design objectives. However, it exhibited a slightly higher ductile to brittle transition temperature. The present study achieved to describe the phenomena controlling the microstructural evolution during the entire TMCP of HSLA steels via an integrated computational modeling approach, and reduce the required time for improving the material through an optimization procedure under set microstructural objectives. A step away from trial-and-error alloy development and towards the computational alloy design and optimization has been made. The proposed approaches can contribute to the process design of the HSLA and other microalloyed steels with improved material properties.

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.