Modelling microstructure evolution during equal channel angular pressing of magnesium alloys using cellular automata finite element method

Lech Olejnik , Michal Gzyl , Andrzej Rosochowski , Andrzej Milenin

Abstract

Equal channel angular pressing (ECAP) is one of the most popular methods of obtaining ultrafine grained (UFG) metals. However, only relatively short billets can be processed by ECAP due to force limitation. A solution to this problem could be recently developed incremental variant of the process, so called I-ECAP. Since I-ECAP can deal with continuous billets, it can be widely used in industrial practice. Recently, many researchers have put an effort to obtain UFG magnesium alloys which, due to their low density, are very promising materials for weight and energy saving applications. It was reported that microstructure refinement during ECAP is controlled by dynamic recrystallization and the final mean grain size is dependent mainly on processing temperature. In this work, cellular automata finite element (CAFE) method was used to investigate microstructure evolution during four passes of ECAP and its incremental variant I-ECAP. The cellular automata space dynamics is determined by transition rules, whose parameters are strain, strain rate and temperature obtained from FE simulation. An internal state variable model describes total dislocation density evolution and transfers this information to the CA space. The developed CAFE model calculates the mean grain size and generates a digital microstructure prediction after processing, which could be useful to estimate mechanical properties of the produced UFG metal. Fitting and verification of the model was done using the experimental results obtained from I-ECAP of an AZ31B magnesium alloy and the data derived from literature. The CAFE simulation results were verified for the temperature range 200-250 °C and strain rate 0.01-0.5 s-1; good agreement with experimental data was achieved.
Author Lech Olejnik (FPE / IoMP)
Lech Olejnik,,
- The Institute of Manufacturing Processes
, Michal Gzyl
Michal Gzyl,,
-
, Andrzej Rosochowski
Andrzej Rosochowski,,
-
, Andrzej Milenin
Andrzej Milenin,,
-
Journal seriesComputer Methods in Materials Science, ISSN 1641-8581
Issue year2013
Vol13
Pages357-363
Keywords in Polishtechnika SPD, przeciskanie przez kanał kątowy ECAP, metale ultradrobnoziarniste, stopy magnezu, sprzężona metoda automatów komórkowych i elementów skończonych
Keywords in Englishsevere plastic deformation, equal channel angular pressing, ultrafine grained metals, magnesium alloys, cellular automata finite element method
Abstract in PolishPrzeciskanie przez kanał kątowy (equal channel angular pressing – ECAP) jest jedną z najpopularniejszych metod otrzymywania ultradrobnoziarnistych metali. Jednak z powodu dużych sił potrzebnych do przeprowadzenia operacji, tylko relatywnie krótkie wsady mogą być odkształcane. Rozwiązaniem problemu może być opracowany przyrostowy wariant tej operacji, tzw. I-ECAP. Ze względu na to, że sposobem przyrostowym jest możliwy przerób nieskończenie długich wsadów, może on znaleźć szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej. Mechanizm rozdrobnienia ziarna podczas przeróbki plastycznej stopów magnezu znacznie różni się od mechanizmu występującego przy przerobie plastycznym metali takich, jak aluminium lub miedź i ich stopy. Ostatnie wyniki wskazują, że mechanizm rozdrobnienia ziarna w operacji ECAP jest sterowany przez proces rekrystalizacji dynamicznej, a uzyskana średnia wielkość ziarna zależy głównie od temperatury procesu. W niniejszej pracy sprzężona metoda automatów komórkowych i elementów skończonych (cellular automata finite element – CAFE) została wykorzystana do opisu rozwoju mikrostruktury podczas czterech przepustów ECAP i jego przyrostowego wariantu I-ECAP. Dynamika zmian w przestrzeni automatów komórkowych jest determinowana przez reguły przejścia, których parametrami są odkształcenie, prędkość odkształcenia oraz temperatura – uzyskane z symulacji metodą elementów skończonych. Model zmiennej wewnętrznej opisuje wzrost całkowitej gęstości dyslokacji i przekazuje tę informację do przestrzeni automatów komórkowych. Opracowany model CAFE oblicza średnią wielkość ziarna oraz generuje cyfrowy obraz mikrostruktury, co może być przydatne w wyznaczaniu własności mechanicznych otrzymanego materiału. Dopasowanie oraz weryfikacja modelu zostały wykonane przy wykorzystaniu wyników uzyskanych z operacji ECAP przeprowadzonej sposobem przyrostowym dla stopu magnezu AZ31B oraz danych literaturowych. Wyniki symulacji metodą CAFE zostały zweryfikowane dla zakresu temperatur 200-250 °C oraz prędkości odkształcenia 0.01-0.5 s-1 . Uzyskano bardzo dobrą zgodność z wynikami doświadczalnymi.
Languageen angielski
Score (nominal)12
ScoreMinisterial score = 10.0, 05-09-2019, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 12.0, 05-09-2019, ArticleFromJournal
Citation count*3 (2015-01-27)
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?