2015/17/N/ST8/01024

Wykorzystanie statystycznej reprezentacji mikrostruktury do modelowania przemian fazowych w stalach DP poprzez rozwiązanie równania dyfuzji

Application of statistical representation of the microstructure to modeling of phase transformations in DP steels by solution of the diffusion equation

Okres realizacji: 2016-2019

Hero image

Streszczenie projektu

Od lat prowadzone są badania nad rozwojem stali o strukturze wielofazowej. Badania doprowadziły do zaprojektowania zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS (ang. Advanced High Strength Steels), które znalazły szerokie zastosowanie głównie w przemyśle motoryzacyjnym. Obecnie prowadzone są prace nad rozwojem stali AHSS trzeciej generacji. Mają one na celu uzyskanie stali o wysokich własności wytrzymałościowych i bardzo dobrej plastyczności przy niskich kosztach produkcji. Aspekt bezpieczeństwa jest tutaj szczególnie istotny. Duża popularność stali AHSS (a szczególnie stali dwufazowych - DP) jako materiału na nadwozia samochodowe jest szczególnie związana z ich unikatowymi własnościami pochłaniania energii przy zderzeniu. Blachy ze stali AHSS mogą być otrzymywane zarówno w procesie walcowania na gorąco, jak i w późniejszym procesie walcowania na zimno i wyżarzaniu. Odpowiedni dobór cyklu zmian temperatury kształtuje stosunek faz ferrytu, martenzytu i bainitu w końcowej strukturze. Każda z tych faz posiada odmienne własności fizyczne i mechaniczne, jednak ich kompozycja pozwala na otrzymanie materiału łączącego wytrzymałość z plastycznością. Wyznaczenie optymalnych parametrów procesu, takich jak np.: temperatura i czas wyżarzania, oraz szybkość chłodzenia możliwe jest dzięki symulacjom numerycznym. Zachodzące podczas procesu przemiany fazowe mają kluczowe znaczenie dla własności otrzymanego wyrobu finalnego. Do wyznaczenia korelacji pomiędzy parametrami procesów technologicznych a zmianami mikrostruktury stali i jej własnościami służą modele numeryczne przemian fazowych zachodzących w stali podczas jej wytwarzania. W literaturze znaleźć można opisy wielu modeli pozwalających przewidzieć postać mikrostruktury stali poddanej cyklom nagrzewania i chłodzenia. Żaden z tych modeli nie oddaje jednak w pełni natury zachodzących zjawisk. Autor wierzy, że ciągle istnieje dalsza możliwość ich rozwoju pod kątem szybkości obliczeń i podwyższenia wiarygodności otrzymywanych wyników. Zaawansowane metody numeryczne szeroko stosowane w obliczeniach inżynierskich cechują się długimi czasami obliczeń i wysokimi wymaganiami na moc obliczeniową. Aspekty te praktycznie przekreślają wykorzystanie takich modeli w przemyśle, gdzie czas prowadzonych obliczeń jest równie ważny jak rzetelność otrzymywanych wyników. Próby poprawy efektywności numerycznej skoncentrowane są głównie na dwóch aspektach, tj. zrównoleglaniu/podziałowi procedur numerycznych oraz uproszczeniu wirtualnej reprezentacji materiału. Jednym z rozwiązań obejmujący oba wymienione obszary jest idea statystycznie podobnego reprezentatywnego elementu objętości (SSRVE). Jej celem jest zmniejszenie liczby elementów skończonych potrzebnych do dyskretyzacji obszaru w skali mikro, jak również zrównoleglenie obliczeń, poprzez wykonane niezależnych od siebie zadań w tym samym czasie. Uproszczenie domeny obliczeniowej jest realizowane dzięki przekształceniu skomplikowanych obrazów mikrostruktur materiałowych w prostsze obiekty charakteryzuje się podobnymi cechami jak ich oryginalne odpowiedniki. Połączenie metody SSRVE z modelowaniem przemian fazowych jest realną szansą na stworzenie rozwiązania pozwalającego na przewidywanie własności wyrobów stalowych z dużą dokładnością przy zachowaniu krótkich czasów obliczeniowych.

Zespół badawczy

dr inż. Krzysztof Bzowski

Kierownik Projektu

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

prof. dr hab. inż Maciej Pietrzyk

Opiekun Naukowy

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Zadania badawcze

  1. Rozwój metodyki statystycznego odwzorowania mikrostruktury materiału.
    Development of the methodology of statistical representation of material microstructure.
  2. Budowa SSRVE dla wybranych mikrostruktur stali dwufazowych.
    Construction of SSRVE for selected microstructures of dual phase steels.
  3. Rozwój modelowania numerycznego przemian fazowych w stalach dwufazowych.
    Development of numerical modelling of phase transformations in dual phase steels.
  4. Doświadczalne badania przemian fazowych w stalach dwufazowych.
    Experimental investigations of phase transformations in dual phase steels.
  5. Identyfikacja parametrów modelu przemian fazowych.
    Identification of parameters of phase transformation model.
  6. Dobór optymalnych parametrów obróbki cieplnej.
    Selection of optimum heat treatment parameters.

Publikacje

  1. Ivan Milenin, Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Sensitivity analysis and identification of the phase transformation model based on the control theory, Computer Methods in Materials Science, vol. 16 No. 4, pp. 204-212, 2016, Open Access
  2. Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, Application of statistical representation of the microstructure to modeling of phase transformations in DP steels by solution of the diffusion equation, Procedia Manufacturing, vol. 15, pp. 1847-1855, 2018, DOI: 10.1016/j.promfg.2018.07.205
  3. Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, Marcin Kwiecień, Krzysztof Muszka, Numerical modeling of phase transformation in dual phase steels using Level Set and SSRVE approach, Materials: Modeling of Materials Manufacturing Processes, In review

Osiągnięcia

  • Tytuł naukowy doktora nauk technicznych, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, 2019
    Tytuł pracy: Wykorzystanie statystycznej reprezentacji mikrostruktury do modelowania przemian fazowych w stalach DP poprzez rozwiązanie równania dyfuzji
    Promotor: dr hab. inż. Łukasz Rauch, prof. AGH
    Recenzenci: prof. dr hab. inż. Jerzy Rojek - IPPT PAN, dr hab. inż. Wacław Kuś, prof. PŚl - Politechnika Śląska
    Open Access

Upowszechnienie wyników podczas konferencji naukowych

  1. Krzysztof Bzowski, Roman Kuziak, Zofia Kania, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, Models of various complexity for description of mechanisms occurring during bainitic transformation in steels, KomPlasTech, 2017,
  2. Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, On application of SSRVE methodology to phase transformations modelling in steels, 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XIII), 2018,
  3. Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, On application of SSRVE and Multiple Levels Set method to phase transformations modelling in steels, KomPlasTech, 2019,
  4. Krzysztof Bzowski, Łukasz Rauch, Maciej Pietrzyk, Selection of the optimal heat treatment conditions using advanced phase transformation models, International Conference on Design and Manufacturing Engineering, 2019, DOI: 10.1088/1757-899X/627/1/012018

Finansowanie

NCN

Projekt realizowany w ramach konkursu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju: PRELUDIUM 9, grant nr: 2015/17/N/ST8/01024

Kontakt

Krzysztof Bzowski

Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH
Katedra Informatyki Stosowanej i Modelowania
aleja Adama Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
kbzowski@agh.edu.pl
This site has been designed using resources from Freepik.com created by stories.