Document
Modeling and Simulations of tarnsformation and twinning induced plasticity phenomena in austenite based steels using finite element method
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2014
Language
English
Subject
English abstract
Advancod high strength steels have expanded their application horizon from space to oil/gas industry. Their prominent characteristics of high strength and excellent formability make them an optimum choice for applications where large deformation of a material is desired along with its integrity. Among advanced steels, first generation ferrite based transformation induced plasticity and second generation austenite based twinning induced plasticity steels have excellent combination of strength and ductility. Due to many cost and manufacturing related constraints with second generation, the researchers are now focussing on steels which would have the combination of superior properties of both. These are placed in the third generation. To relate the effects of phases on the overall properties of these steels, it is necessary to understand the deformation and transformation behavior of phases once subjected to an external thermo-mechanical load. This thesis is aimed to develop a micromechanical model to combine transformation and twinning induced plasticity phenomena in an austenite based steel. First, an elastic-plastic deformation of austenite is modeled using crystal plasticity theory by considering slip only. The model is further extended to include twin deformation in the slip based crys. tal plasticity model. This model is used to predict elastic-plastic behavior of an austenite crystal which exhibits twinning induced plasticity phenomenon. Finally, the phase transformation mechanism is incorporated in the model to predict the deformation cum transformation characteristics of an austenite crystal subjected to thermo-mechanical load. Numerical integration algorithms are formulated for the developed models and implemented into a commercial finite element software ABAQUS through a user-defined material subroutine. Models are then validated through the published experimental and simulation results. Finite element simula tions are done for single and polycrystal austenite subjected to simple and complex loading conditions. The observations and analysis of results are expected to provide a meaningful understanding which could help in expanding the application envelop of 3rd generation advanced high strength steels and its specific application to expandable steel used in onshore and offshore oil and gas wells.
Description
Thesis
Member of
Resource URL
Arabic abstract
لقد إتسع أفق تطبيقات الفولاذ المطور العالي القوة ليشمل مجالات متعددة تمتد من تطبيقات الفضاء إلى تلك المستخدمة في باطن الأرض کتطبيقات قطاع النفط والغاز، حيث أن الخصائص الممتازة لهذا النوع من الفولاذ من حيث القوة العالية و قابلية التشكيل الجيدة جعله الخيار الأمثل للتطبيقات التي تتطلب قابلية تشكيل كيرة جنبا إلى جنب مع الحفاظ على متانة جيدة. ويمكن تقسيم أصناف الفولاذ المندرجة تحت هذا النوع إلى ثلاثة أجيال وذلك بحسب مراحل تطور هذه النوع، حيث يتكون الجيل الأول من قابلية التشكيل المستحثة بالتحول الناتج عن الفيرات (Ferrito)، في حين أن الجيل الثاني مبني على قابلية التشكيل المستحثة عن طريق ظاهرة التوأمة للأوستینیت (Austenite) والتي يسببها أكتسب الفولاذ قابلية تشكيل وقوة عاليتين. ولكن بسبب العديد من القيود المتعلقة بالتكلفة والتصنيع ذات الصلة الجيل الثاني، يسعى الباحثون في الوقت الراهن إلى تطوير جيل الث من الفولاذ المطور العالي القوة يهدف إلى جميع الخصائص المتفوقة من كلا الجيلين السابقين. ولربط تأثير اطوار الفولاذ على خصائصة العامة، فإنه من الضروري فهم سلوك التشوه والتحول في اطوار الفولاذ عندما تخضع لأحمال حرارية وميكانيكية خارجية. ومن هذا المنطلق نهدف هذه الأطروحة إلى تطوير نموذج مايكروميكانيكي لظاهرة المطاوعة (قابيلة التشكيل المستحثة بالتحول والتوأمة في الفولاذ المبني على الأوستينيت. وتضمنت مراحل تطوير النموذج ثلاث مراحل اساسية تمثل أولها في تطوير نموذج يتضمن التشوه المرن والدائم للأوستینیت وذلك باستخدام نظرية اللدونة البلورات والتي ترتكز على آلية انزلاق البلورات، ومن ثم تم تحديد النموذج وذلك بتضمين التشوه الناتج عن ظاهرة التوأمة إلى النشوة الناتج عن آلية انزلاق البلورات ،حيث تم إستخدام هذا النموذج التنبؤ بالسلوك المرن والدائم لبلورة من الأوسئینیت تسلك ظاهرة المطاوعة المستحثة بالتوأمة, وأخيرا تم تضمين آلية التحول في الاطوار إلى النموذج السابق وذلك بهدف التنبؤ خصائص التشوه والتحول لبلورة من الأوسئینیت تم تعريضها لاحوال حرارية وميكانيكية. ومن هنا فإن هذا النموذج يمكن أن يستخدم لتقدير آثار ظاهرة المطاوعة (قابيلة التشكيل المستحثة بالتحول والتوأمة على الخواص الميكانيكية للفولاذ المبني على الأوستينيت. وقد تم صياغة نظم الحلول الحسابية لعمليات التكامل للنموذج المطور وتم تنفيذها في النسخة التجارية لبرنامج العنصر المحدود ABAQUS وذلك من خلال خاصية النفط الحسابي المعرف من قبل المستخدم، وقد تم التحقق من صحة النموذج المطور من خلال المقارنة مع النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة المنشورة، تلى ذلك القائم بعمليات محاكاة لبلورات الأوسينيت عند تعرضها لظروف أحمال بسيطة ومعقدة، حيث تم تحليل سلوك الإجهاد والانفعال، ونشاط نظم الانزلاق، ومقدار المارتنسیت (Martensite) الناتج عن عملية التحول والتوأمة، ونسيج البلورات الناتج عن عملية التشكيل، بالإضافة إلى الطاقة المتجددة نتيجة عملية التشكيل ومن المتوقع أن فهم الملاحظات و تحليل النتائج المتولدة عن هذه التحليلات يمكن أن تساهم بشكل جيد في تكوين فهم افضل الظاهرة المطاوعة المستحثة بالتحول والتوأمة، الأمر الذي من شأنه أن يساهم في توسعة تطبيقات الجيل الثالث من الفولاذ المطور العالي القوة وبالأخص تطبيقاها في تكنولوجيا تمديد الأنابيب الصلبة المستخدمة في آبار البفط والغاز البرية والبحرية .
Category
Theses and Dissertations