Previsão de tamanho de grão de aço bainítico forjado assistida por simulação numérica

Abstract

Aços bainíticos avançados de resfriamento contínuo podem substituir materiais que passam pelo processo de têmpera e revenimento (T&R) sendo, desta forma, econômicos e benéficos ao meio ambiente. No entanto, para se obter mais eficiência energética é necessário compreender a sinergia dos parâmetros de forjamento a quente, a qual trará como resposta diferentes microestruturas. Sendo uma delas, a evolução na estrutura dos grãos. Indubitavelmente, a predição das transformações microestruturais por tais parâmetros complexos é importantíssima para fabricação de produtos forjados de precisão. O modelo semi-empírico de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov JMAK é uma excelente ferramenta para a predição e o controle de grão austenítico durante o processamento termomecânico. Porém, a acuracidade dos resultados obtidos com modelos complexos é reduzida devido a suposições que levam a uma inadequada calibração, causada por gradientes de temperatura, diferentes sítios de nucleação, e devido à distribuição de deformações. Portanto, é um desafio em aplicações industriais a implementação da simulação de tamanho de grão austenítico. Este trabalho teve como objetivo desenvolver estratégias de calibração por simulação numérica computacional para o forjamento de um novo aço bainítico por resfriamento contínuo. De modo que seja permitido verificar a influência que diferentes parâmetros de forjamento a quente implicam no tamanho de grão austenítico. Na primeira parte, buscou-se investigar a aplicabilidade da simulação do grão, utilizando modelo de JMAK no forjamento em matriz aberta do aço DIN 20MnCr5. A seguir, foram modeladas matematicamente as curvas de escoamento plástico de um novo aço bainítico livre de carbonetos, denominado nesta tese como DIN 18MnCrSiMo6-4, para a futura implementação em software de simulação computacional. O êxito desta aquisição permitiu constituir um modelo reológico com o uso das equações cinéticas de Arrhenius e de JMAK, para o qual adquiriu-se os parâmetros de encruamento, recuperação e recristalização dinâmica dependentes das curvas de escoamento. Foram realizados testes industriais de forjamento em matriz fechada de uma pré-forma de engrenagem helicoidal em altas taxas de deformação e diferentes temperaturas. Criouse um modelo computacional para simular o processo industrial, mostrando que, as equações utilizadas, bem como a modificação realizada na dependência dos parâmetros de crescimento de grão mitigou a diferença entre valores experimentais e simulados. Com a caracterização microestrutural, avaliou-se a dependência da temperatura de forjamento, correlacionando o tamanho de grão com as propriedades mecânicas após o resfriamento contínuo.

Advanced continuous cooling bainitic steels can replace materials that go through the quenching and tempering (Q&T) process, thus being economical and beneficial to the environment. However, to obtain more energy efficiency it is necessary to understand the synergy of the hot forging parameters, which will bring different microstructures as a response. One of them is the evolution in the structure of the grains. Undoubtedly, the prediction of microstructural transformations by such complex parameters is very important for the manufacture of precision forged products. The Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov JMAK semi-empirical model is an excellent tool for predicting and controlling austenitic grain during thermomechanical processing. However, the accuracy of the results obtained with complex models is reduced due to assumptions that lead to an inadequate calibration caused by temperature gradients, different nucleation sites, and due to the distribution of strains. Therefore, it is challenging in industrial applications to implement austenitic grain size simulation. This work aimed to develop calibration strategies by computational numerical simulation to forging new bainitic steel by continuous cooling. So that it is possible to verify the influence that different hot forging parameters have on the austenitic grain size. In the first part, we sought to investigate the applicability of the grain simulation using a JMAK model in the open-die forging of a DIN 20MnCr5 steel. Next, the plastic flow curves of a new carbide-free bainitic steel, named in this thesis as DIN 18MnCrSiMo6-4, were mathematically modeled for future implementation in computer simulation software. The success of this acquisition allowed the construction of a rheological model using the Arrhenius and JMAK kinetic equations, for which the parameters of hardening, recovery, and dynamic recrystallization dependent on the flow curves were acquired. Industrial tests of closed die forging of a helical gear preform were carried out at high strain rates and different temperatures. A computational model was created to simulate the industrial process, showing that the equations used and the modification carried out depending on the grain growth parameters mitigated the difference between experimental and simulated values. With the microstructural characterization, the dependence of the forging temperature was evaluated, correlating the grain size with the mechanical properties after continuous cooling.