Modeling and optimization of medium Mn steels

Abstract

Medium Mn TRIP-TWIP steels, containing up to 12wt% Mn, have attracted attention as potential candidates for the 3rd generation of Advanced High Strength Steels, primarily for lightweight automotive applications. Excellent combinations of strength and ductility have been observed in medium Mn steels, due to retained austenite stabilization at room temperature and subsequent activation of stress assisted and strain induced ε- and α'-Martensitic transformations as well as mechanical twining upon loading. A popular technique of stabilizing retained austenite is through the partitioning of C and Mn during an intercritical annealing process, starting from of a martensitic microstructure. Over the years significant effort has been made in order to identify compositions and processing conditions that lead to favorable microstructural and mechanical properties in medium Mn steels. Yet most studies are based on empiricism, extensive experimental effort, or ad hoc computational solutions. In the present thesis, an Integrated Computational Materials Engineering (ICME) approach based on modeling, simulation and optimization is proposed, to systematically optimize the chemical composition and the processing conditions of medium Mn steels. CALPHAD based computational alloy thermodynamics, coupled with genetic multi-objective optimization techniques were employed to optimize the chemical composition and the intercritical annealing temperature. The microstructural evolution upon processing, including solidification, hot rolling, accelerated cooling and quenching, followed by isothermal intercritical annealing, were modeled via multi-component diffusion simulations and a temporal optimization problem was solved to identify the optimal intercritical annealing holding time. Emphasis was placed on the microstructural evolution of Al containing medium Mn steels, presenting large fractions of δ-Ferrite at room temperature. A sub-regular solution model for the prediction of the stacking fault energy of austenite was developed and used to evaluate retained austenite stability against TRIP and TWIP during optimization. Furthermore, stochastic multi-objective optimization was considered for the selection of robust and reliable compositions and annealing temperatures, under the uncertainties found in the manufacturing process. An accurate and efficient uncertainty propagation method was employed to determine the distributions of the stochastic objective and constraint functions as well as the probability of a constraint violation due to the variability found upon production. The technique allowed for direct measures of robustness and reliability to be considered upon optimization, in a general stochastic framework. Results were validated using Monte Carlo simulations and compared against the original deterministic optimal solution. A constitutive and transformation kinetics model of ε-, α'-Martensite and mechanical twinning in multi-phase steels containing austenite was developed to study the mechanical behavior of medium Mn steels. The deformation of γ-Austenite, α- & δ-Ferrite and α'-Martensite was modeled in terms of the dislocation density evolution in each phase and the macroscopic elastoplastic response of the material in uniaxial tension was calculated using a homogenization method. The stress assisted and strain induced transformation kinetics of ε-, α'-Martensite and mechanical twinning were modeled considering the nucleation, growth and intersection of shear bands upon deformation of austenite, in a physical framework. Stress state dependent heterogeneous nucleation of α'-Martensite on shear band intersections was considered, with austenite stability against TRIP and TWIP expressed in terms of the SFE and the separation distance of partial dislocations. The developed models were validated using published experimental data from the literature as well as in-house experiments on δ-Ferrite containing medium Mn Steels. An open-source MATLAB implementation of the developed austenite Stacking Fault Energy model as well as the constitutive and transformation kinetics model, can be found as supplementary material in peer-reviewed articles, recently published by the author. The present thesis is focused on the computational design of novel medium Mn steels based on simulation and optimization, demonstrating that the application of ICME principles enables the development of new materials with favorable microstructural and mechanical properties by reducing the time and experimental effort required.

Χάλυβες TRIP-TWIP μέσης περιεκτικότητας σε Mn (medium Mn), το οποίο ανέρχεται μέχρι 12wt%, είναι βασικοί υποψήφιοι της τρίτης γενιάς χαλύβων υψηλής αντοχής AHSS, για εφαρμογές χαμηλού βάρους στην αυτοκινητοβιομηχανία. Σε χάλυβες medium Mn έχουν παρατηρηθεί εξαιρετικοί συνδυασμοί αντοχής και ολκιμότητας εξαιτίας του ε-, α'- μαρτενσιτικού μετασχηματισμού και της διδυμιακής παραμόρφωσης του παραμένοντα ωστενίτη κατά την παραμόρφωση του υλικού. Η σταθεροποίηση του παραμένοντα ωστενίτη συχνά επιτυγχάνεται μέσω του εμπλουτισμού του σε C και Mn κατά τη θερμική κατεργασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Τα τελευταία χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί εντατικές προσπάθειες για την αναγνώριση χημικών συστάσεων και θερμικών κατεργασιών που οδηγούν σε επιθυμητά χαρακτηριστικά της μικροδομής των μηχανικών ιδιοτήτων σε χάλυβες medium Mn. Ωστόσο, προηγούμενες μελέτες είναι βασισμένες κυρίως στον εμπειρισμό, στη διενέργεια εκτεταμένων πειραμάτων και σε διαδικασίες δοκιμής και σφάλματος. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται μία ολοκληρωμένη υπολογιστική μεθοδολογία σχεδιασμού υλικών (ICME), βασισμένη στην μοντελοποίηση, προσομοίωση και βελτιστοποίηση, με στόχο την εύρεση βέλτιστων χημικών συστάσεων και θερμικών κατεργασιών χαλύβων medium Mn. Για την εύρεση βέλτιστων χημικών συστάσεων και θερμοκρασιών ενδοκρίσιμης ανόπτησης, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές γενετικής πολυαντικειμενικής βελτιστοποίησης σε συνδυασμό με μοντέλα υπολογιστικής θερμοδυναμικής βασισμένα στη μεθοδολογία CALPHAD. Η εξέλιξη της μικροδομής κατά τη θερμική κατεργασία του υλικού, συμπεριλαμβανομένης της στερεοποίησης, της θερμής έλασης και ψύξης καθώς και της ισόθερμης ενδοκρίσιμης ανόπτησης, μοντελοποιήθηκε μέσω προσομοιώσεων διάχυσης, ενώ για την εύρεση βέλτιστου χρόνου ανόπτησης, επιλύθηκε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης ως προς τον χρόνο κατεργασίας. Έμφαση δόθηκε στη εξέλιξη μικροδομής χαλύβων medium Mn με Al, οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά δ-φερρίτη από την στερεοποίηση. Η σταθερότητα του παραμένοντα ωστενίτη έναντι της εμφάνισης των φαινομένων TRIP & TWIP αξιολογήθηκε κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο περιγραφής της ενέργειας του σφάλματος στοιβάσματος το οποίο αναπτύχθηκε. Επιπρόσθετα, για την επιλογή εύρωστων χημικών συστάσεων και θερμοκρασιών ανόπτησης υπό την αβεβαιότητα που συναντάται σε πραγματικές συνθήκες παραγωγής, επιλύθηκε ένα εναλλακτικό πρόβλημα εύρωστης πολυαντικειμενικής βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε μία αποδοτική τεχνική διάδοσης αβεβαιοτήτων για τον υπολογισμό των κατανομών των στοχαστικών αντικειμενικών συναρτήσεων και των περιορισμών του προβλήματος, καθώς και της πιθανότητας παραβίασης κάποιου περιορισμού εξαιτίας της τυχαιότητας κατά τη διαδικασία παραγωγής. Η τεχνική που παρουσιάζεται επιτρέπει τον άμεσο υπολογισμό κριτηρίων ευρωστίας και αξιοπιστίας κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, σε ένα γενικό στοχαστικό πλαίσιο. Τα αποτελέσματα της μεθόδου επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα του αρχικού ντετερμινιστικού προβλήματος βελτιστοποίησης. Προκειμένου να μελετηθεί η μηχανική συμπεριφορά χαλύβων medium Mn, αναπτύχθηκε ένα καταστατικό μοντέλο που επιτρέπει την περιγραφή της κινητικής του ε-, α'-Μαρτενσιτικού μετασχηματισμού και της διδυμιακής παραμόρφωσης. Η παραμόρφωση φάσεων όπως ο ωστενίτης, ο α- και δ-φερρίτης και ο α'-μαρτενσίτης, μοντελοποιήθηκε συναρτήσει της εξέλιξης της πυκνότητας γραμμοαταξιών σε κάθε φάση, ενώ η μακροσκοπική ελαστοπλαστική απόκριση σε μονοαξονικό εφελκυσμό υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας μία μέθοδο ομογενοποίησης. Η κινητική των ε-, α'-μαρτενσιτικών μετασχηματισμών και των μηχανικών διδυμιών, υποβοηθούμενων από την τάση και προκαλούμενων από την πλαστική παραμόρφωση, μοντελοποιήθηκαν συναρτήσει του ρυθμού πυρήνωσης, ανάπτυξης και διασταύρωσης των ζωνών διάτμησης κατά την παραμόρφωση του ωστενίτη, σε ένα φυσικό πλαίσιο. Η ετερογενής πυρήνωση του α'-μαρτενσίτη θεωρήθηκε ότι λαμβάνει χώρα στις διασταυρώσεις των ζωνών διάτμησης, παρουσιάζοντας εξάρτηση από την εντατική κατάσταση του υλικού, ενώ η σταθερότητα του ωστενίτη έναντι των φαινομένων TRIP & TWIP εκφράστηκε συναρτήσει της ενέργειας του σφάλματος στοιβάσματος και της απόστασης διαχωρισμού των μερικών γραμμοαταξιών. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία καθώς και από πειράματα που διενεργήθηκαν εσωτερικά, σε χάλυβες μέσης περιεκτικότητας σε Mn που παρουσιάζουν δ-φερρίτη. Το μοντέλο της ενέργειας του σφάλματος στοιβάσματος καθώς και το καταστατικό μοντέλο που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, υλοποιήθηκαν σε MATLAB και διατίθενται ως συμπληρωματικό υλικό σε πρόσφατες επιστημονικές δημοσιεύσεις του συγγραφέα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στον υπολογιστικό σχεδιασμό νέων χαλύβων μέσης περιεκτικότητας σε Mn, βασισμένο σε μοντελοποίηση, προσομοίωση και βελτιστοποίηση, επιδεικνύοντας ότι η χρήση τεχνικών ICME επιτρέπει την ανάπτυξη καινοτόμων υλικών με επιθυμητά χαρακτηριστικά μικροδομής και εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο και το πειραματικό κόστος.