In this study a new method is introduced to produce bimodal grain structures in low carbon steels. This method is based on cold rolling of dual phase structures and appropriate annealing treatments. The difference in the recrystallization behaviour of ferrite and martensite yields a heterogeneous microstructure with a distribution of coarse and fine grains. These types of microstructures are of interest for optimizing the balance of strength and uniform elongation in ultra-fine grained low carbon steels.

The objective of this study was to compare the microstructural response of various DP 600 products subjected to low velocity, dynamic impact tests, typically encountered in a car crash. Since the response of steel is sensitive to its microstructure as controlled by the alloying elements, phase content, and processing; various DP 600 products may respond differently to crashes. The microstructure before and after dynamic impact deformation at 5 and 10 mph was characterized with regards to grain size, morphology, and phase content among vendors A, B, and C to evaluate efficiency in absorbing energy mechanisms during a crash simulated by dynamic impact testing in a drop tower.

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Dual-phase (DP) advanced high-strength steels (AHSSs) are widely used in the automotive industry due to their excellent combination of strength, ductility, and work hardening properties. However, defects occurring during processing make these ferrous alloys expensive. Toward this ends, high-temperature tensile tests using a Gleeble thermomechanical simulator have been conducted to determine the stress/strain behaviour at temperatures between 1250 to 1480 C in order to quantify the tensile strength and ductility. The results of both as-cast and transfer-bar material will be presented as well as three different sample geometries in order to better understand the effects of starting microstructure, thermal gradient, and tress/strain distribution on the reproducibility of high temperature properties. Optical and scanning electron microscopy are then performed to further elucidate the structure/property relationships. The results show that the presence of preexisted prorosities in the as-cast structure decreases the high-temperature strength of the material, while the transfer-bar samples show lower ductility at ultra-high temperatures, (T 1450 C), due to their severe susceptibility to melting. In terms of the two mentioned thermomechanical characteristics, voids nucleation, growth, and coalescence initiated with porosity clustering are the main mechanisms behind the lower strength of the as-cast samples, whilst tearing apart of the melt plays an important role to drastically drop the ductility of transfer-bars at mentioned temperature interval. Moreover, the long-gauge-length (LGL) geometry proposes better reproducibility of data compared with the other geometries. This is attributed to a suitable combination between low stress localization and high thermal gradient during the Gleeble testing that provides a condition in which the samples experience sharp localized necking right on the hot-spot zone. The obtained data can be used as part of multi-physics process and microstructure continuous casting models. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les aciers Dual-Phase sont largement utilisés dans le secteur de l’automobile enraison de leurs propriétés mécaniques remarquables et du bon compromis résistanceductilité qui lui donne d’intéressante potentialités comme absorbeur d’énergiemécanique. Cependant, la recherche de bons compromis entre les propriétésmécaniques en traction et celles de formabilité nécessite une optimisation desparamètres microstructuraux. Ce travail de thèse s’inscrit dans cet optique. Dans unepremière partie, l’étude bibliographique proposée permet de mieux cerner lesparamètres influençant la formation des microstructures ainsi que les propriétés desaciers DP. Dans une seconde partie, nous proposons un travail expérimental originalpermettant de mieux comprendre la formation des microstructures des aciers DP etde découpler l’effet de certains paramètres microstructuraux sur les propriétés deces aciers. Enfin, la modélisation micromécanique proposée permet de compléter etd’interpréter les données expérimentales acquises. Ce travail ouvre des voiesintéressantes de « design » des microstructures des aciers DP en vue de développerdes aciers de nouvelles générations possédant des propriétés optimisées. / Ferrite-martensite dual-phase (DP) steels have been widely used in automotiveindustry due to their excellent mechanical properties, such as high work-hardeningrate and a good compromise between strength and ductility allowing high energyabsorbing performance. In order to fully exploit the potential of DP steels and extendthe application, the dual-phase microstructure has to be optimized for bettercombination of strength and formability that is characterized by uniform strainand/or fracture strain. As a starting point, detailed literature review is made on themicrostructure development and mechanical properties of DP steels, and the keyfactors controlling microstructural features and determining mechanical propertiesare identified. Through experimental investigation, microstructures are developed inorder to decouple the effects of various microstructural features, and themicrostructure—mechanical properties relationship is systematically studied.Micromechanical modeling is used to further understand the experimental resultswithin a quantitative framework, and to provide a support for microstructurerefinement of DP steels by parametric study. Strategies of designing DP steels tofulfill specific forming operation have been proposed, and the concept of DP steelswith graded martensite islands has been discussed with FEM analysis as a possibilityof improving strength—formability trade-off.

Les aciers Dual-Phase (DP) sont des aciers à très haute résistance mécanique (AHSS) fortement utilisés pour des applications automobiles en raison de leur très bon compromis résistance mécanique/ductilité ainsi que par leur habilité à répondre aux multiples exigences industrielles (bas prix, assemblage, revêtement etc.). A l'heure actuelle, le développement d'aciers DP apparait durable pour la caisse-en-blanc des structures automobiles. La microstructure ferrite-martensite, caractéristique des aciers DP, est obtenue par un traitement thermique complexe composé de différentes étapes au cours desquelles différents mécanismes métallurgiques entrent en jeux. Les principales difficultés de production sont liées au fait (i)que les évolutions microstructurales sont influencées par les différents paramètres de traitement thermique (vitesse de chauffe, température ...), (ii) que les différentes étapes de traitement sont interconnectées et que (iii) les évolutions microstructurales peuvent se chevaucher et, part conséquent, interagir entre elles. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension des évolutions métallurgiques entrant en jeux lors des traitements thermiques des aciers DP, et notamment d'améliorer la compréhension de l'influence des paramètres de traitement. Les différentes évolutions métallurgiques ont été, dans un premier temps, caractérisées en couplant un ensemble de techniques expérimentales (dilatométrie, dureté, TPE ...) et grâce à un protocole assurant de décorréler les mécanismes se superposant et interconnectés. A titre d'exemple, les deux principaux mécanismes entrant en jeux lors de l'étape de recuit intercritique ont été, dans un premier temps, étudiés séparément ((1) la recristallisation a été étudié en dessous de la température de formation d'austénite et (2) la formation d'austénite a été étudié sur un acier pré-recristallisé) avant de se concentrer sur le cas des aciers laminés à froid où la recristallisation et formation d'austénite se superposent. Le projet avait également pour objectif de développer des outils de prédictions permettant de décrire les évolutions microstructurales basés sur des approches empiriques (loi de JMAK) ainsi que vers des modèles à base plus physique (mixed-mode modèle et modèle diffusif). Une attention particulière a été dédié à discuter de la fiabilité, l'adaptabilité, des forces et limitations des différentes approches développées. / Dual-Phase steels (DP) are one of the most used Advanced High Strength Steels (AHSS) for automotive applications because they present good strength/ductility compromise and they adapt to number of industrial constraints (low price, shaping, welding, coating etc.). Nowadays, the development of DP steels seems to be promising and sustainable for the body-in-white structure. The typical ferrite-martensite microstructure, characteristic of DP steels, are obtained by a thermal treatment composed of different stages during which metallurgical evolutions occur. Major difficulties of their processing are due to the fact that (i) microstructural evolution kinetics are influenced by cycle parameters (heating rate, annealing temperature etc.), (ii) different stages are interconnected and (iii) some microstructural evolutions may overlap and, therefore, interact. This PhD-work aimed at getting a better understanding of microstructural evolutions during the thermal cycle of DP steel and, namely, the influence of cycle parameters. Different microstructural evolutions occurring during the thermal cycle were first characterized coupling different experimental techniques (dilatometry, hardness, TPE etc.) and with a particular protocol in order to decorrelate overlapping and interconnected phenomena. As example, two major evolutions occurring during the intercritical annealing were first studied individually ((1) recrystallization was investigated below austenite formation temperature and (2) austenite formation was investigated on prior recrystallized steels) before investigated cold-rolled steel case where recrystallization and austenite formation overlap. The study was then attached to develop some predictive tools to describe microstructural evolutions based on phenomenological approaches (JMAK law) towards more physical based models (mixed-mode, diffusive models). A particular care was attached to discuss on model reliability, versatility, strengths and limitations.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Emerson Bertaglia de Paula.pdf: 2673349 bytes, checksum: 7ced38cf4db0e9c40ec1a57cbdf6bf07 (MD5) Previous issue date: 2014-02-13 / Universidade Presbiteriana Mackenzie / McPherson shock absorber is a metallic structure that is used to link body to wheels of vehicles, most part of shock absorbers are produced using carbon steel low alloy of medium strength, because in this way it has a lowest cost. Due to the continuous change of market requirement, it is necessary that it be created an alternative to performance improvement and reduce fuel consumption and one possibility, it is reduce the weight of shock absorbers. There are many type of materials, metallic and no metallic that can reduce the weigh, however, dual phase steel shows an interesting alternative to substitute carbon steels, because dual phase steel does not change or demand new investments to current production process. Dual-phase steel has high mechanical properties that allow significant weight reductions. In this study there is a comparison between carbon steel and dual-phase steels, performed with current loads case used for approve McPherson shock absorbers and components. Components of shock absorber was analyzed by analytical and finite element methods. Result of this study showed that it is possible use dual-phase steel with a weight reduction of 10% to 24% for each component studied and a reduction of 7,23% for strut shock absorber. / Amortecedores McPherson são estruturas metálicas que servem de ligação entre a carroceria e as rodas do veículo e a grande maioria dos amortecedores produzidos mundialmente utilizam aço carbono de baixa liga e média resistência, pois desta forma apresentam um menor custo. Com as contínuas mudanças das exigências do mercado consumidor, é necessário que seja apresentado uma alternativa para a redução de massa dos amortecedores, pois somente desta forma tem-se um melhor desempenho com uma redução no consumo de combustíveis. Há diversos tipos de materiais metálicos e não metálicos que podem proporcionar esta redução de massa, porém o aço dual-phase apresenta uma interessante alternativa para substituição dos aços carbono, pois não gera modificações e investimentos significativos no atual processo produtivo. O aço dual-phase possui elevadas propriedades mecânicas possibilitando reduções significativas de massa. Neste estudo foi realizado um comparativo entre os aços carbono e o aço dual-phase em condições de carregamento normalmente utilizada para aprovação dos amortecedores McPherson. Os componentes estudados, foram analisados pelos métodos analítico e de elementos finitos, o resultado deste estudo mostra que é possível utilizar o aço dual-phase com uma redução de massa de 10% a 24% para cada componente estudado e uma redução no amortecedor estrutural de 7,23%.

Le procédé de soudage laser est largement utilisé dans les travaux d'assemblage, en particulier, dans ledomaine de l'industrie automobile. L'acier dual phase DP600 est un acier à haute résistance qui permet deréduire le poids de l'automobile dans le cadre de l'allègement des structures. Notre travail s' estessentiellement basé sur l'évaluation des contraintes résiduelles générées dans l'acier DP600 lors du soudagepar laser. Deux approches ont été réalisées. L'approche expérimentale a été réalisée à l'aide de méthodes derayon X et par neutrons pour calculer les contraintes résiduelles. L'approche de simulation a été réalisée parcouplage de différentes formulations numériques.Numériquement, le formalisme de la mécanique continue a été utilisé par des simulations par éléments finis(FEM) pour analyser et évaluer les contraintes résiduelles. Sur la base de tests de traction expérimentaux, lemodèle constitutif élasto-thermo-plastique de l'acier DP600 a été identifié. L'écrouissage du matériau a étéétudié par la loi de Ludwik et de Voce. A partir de résultats experimentaux, un modèle a été proposé et lesrésultats analysés en utilisant une loi de mélange martensite (écrouissage Ludwik) et ferrite (adoucissementde Voce). De même, nous avons étudié la sensibilité à la température en utilisant plusieurs modèles :Johnson-Cook, Khan, Chen. A partir de cette étude, nous avons proposé un modèle de sensibilité à tatempérature. Enfin, un modèle de sensibilité à la déformation plastique, à la vitesse de déformation issu destravaux d'A.Gavrus et un modèle d'anisotropie planaire définit par la théorie de Hill ont été ajoutés.Une méthode d'automate cellulaire (CA) 2D a été programmée pour simuler l'évolution de la microstructurelors de la solification liée au processus de soudage laser. Dans ce modèle, les phénomènes de nucléationavec prise en compte de l'orientation de la croissance, de la concentration et de la vitesse de croissance àl'interface solide/liquide, l'anisotropie de la tension de surface, de la diffusion, ainsi que la fraction desphases en présence ont été pris en compte. De plus, les équations de conservation ont été étudiées en détail etanalysés. Les résultats ainsi que le champ de température issu du modèle FEM ont été importés dans lemodèle CA. En comparant la simulation et les résultats expérimentaux, de bonnes concordances ont ététrouvées.Par la suite, nous avons réalisés un couplage des deux modèles CA et FEM. Concernant le procédé laser, lesrésultats du modèle par éléments finis ont été analysés. La géométrie de l'échantillon, la source de chaleur,les conditions aux limites, le comportement thermo-mécanique de l'acier dual phase DP600 telles que laconductivité, la densité, la chaleur spécifique, l'expansion, l'élasticité et la plasticité sont introduites. Lesmodèles d'analyse du terme d'écrouissage, de la sensibilité à la vitesse de déformation, de la sensibilité à latempérature, de l'anisotropie plastique et de l'anisotropie élastique ont été simulés. Les fractions volumiquesconcernant ta nature des deux phases en présence ont été également étudiées.Les résultats numériques finaux tes contraintes résiduelles ont été étudiées. Les comparaisons avec desmesures experimentales ont montré à la fois quels phénomènes étudiés sont prépondérants et tes effets moinsinfluents sur l'évaluation des contraintes résiduelles. Les résultats tes plus probants ont montré des bonnesconvergences entre l'approche numérique et expérimentale. Ces résultats confortent la robustesse du modèlenumérique developpé. / Laser welding process is widely used in assembly work of automobi le industry. DP600 dual phase steeis a high strength steel to reduce automobile weight. Residual stresses are produced during laser weldingDP600. Continuum mechanics is used for analyzing res idual stresses by finite element simulation.Based on experimental tensile tests, the DP600 steel constitutive model are identified. The hardening termaccording to Ludwik law, Voce law and a proposed synthesis model are studied. The temperature sensitivityof Johnson-Cook, Khan, Chen and a proposed temperature sensitivity model are investigated. The strain ratesensitivity model proposed by A. Gavrus and planar anisotropy defined by Hi ll theory are also used.Cellul ar Automaton (CA) 20 method are programed for the simulation of solidification microstructureevolution during laser welding process. The temperature field of CA are imported from finite element analysimodel. The analysis function of nucleation, solid fraction, interface concentration, surface tension an isotropy,diffusion, interface growth ve locity and conservation equations are presented in detail. By comparing thesimulation and experimental results, good accordances are found.Modelling by a finite element method of laser welding process are presented. Geometry of specimen, heatsource, boundary conditions, DP600 dual phase steel material properties such as conductivity, density, specifiheat, expansion, elasticity and plasticity are introduced. Models analyzing hardening term, strain ratesensitivity, temperature sensitivity, plastic an isotropy and elastic an isotropy are simulated.The numerical results of laser welding DP600 steel process are presented. The influence of hardening term,strain rate sensitivity, temperature sensitivity and anisotropy on residual stresses are analyzed. Comparisonwith experimental data show good numerical accuracy.Keywords: Laser Welding, DP600, Residual Stress, Cellular Automaton, Hardening, Temperature sensitivity,Strain Rate Sensitivity, Anisotropy, Mixture dual phase law.

Les exigences d'allègement des pièces structurales automobiles ont conduit au développement de nouvelles nuances d'aciers aux propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Parmi ces nuances dites Très Haute Résistance (THR), les aciers dual phase, avec leur microstructure composite ferritemartensite, offrent un très bon équilibre entre résistance mécanique et formabilité. Cependant, des observations récentes ont montré que l'étape de découpe avait tendance à altérer ces bonnes propriétés. L'objectif de la présente étude est d'améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de la découpe afin de pouvoir les prendre en compte pour le développement des futures nuances.<br /><br />Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.<br /><br />La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de<br />l'état de triaxialité des contraintes.<br /><br />L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.<br /><br />Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.

The current research has considered the characterization of the high strain rate constitutive response of three steels: a drawing quality steel (DDQ), a high strength low alloy steel (HSLA350), and a dual phase steel (DP600). The stress-strain response of these steels were measured at seven strain rates between 0. 003 s^-1 and 1500 s^-1 (0. 003, 0. 1, 30, 100, 500, 1000, and 1500 s^-1) and temperatures of 21, 150, and 300 ??C. In addition, the steels were tested in both the undeformed sheet condition and the as-formed tube condition, so that tube forming effects could be identified. After the experiments were performed, the parameters of the Johnson-Cook and Zerilli-Armstrong constitutive models were fit to the results. <br /><br /> In order to determine the response of the steels at strain rates of 30 and 100 s^-1, an intermediate rate tensile experiment was developed as part of this research using an instrumented falling weight impact facility (IFWI). An Instron tensile apparatus was used to perform the experiments at lower strain rates and a tensile split-Hopkinson bar was used to perform the experiments at strain rates above 500 s^-1 <br /><br /> A positive strain rate sensitivity was observed for each of the steels. It was found that, as the nominal strength of the steel increased, the strain rate sensitivity decreased. For an increase in strain rate from 0. 003 to 100 s^-1, the corresponding increase in strength at 10% strain was found to be approximately 170, 130, and 110 MPa for DDQ, HSLA350, and DP600, respectively. <br /><br /> The thermal sensitivity was obtained for each steel as well, however no correlation was seen between strength and thermal sensitivity. For a rise in temperature from 21 to 300 ??C, the loss in strength at 10% strain was found to be 200, 225, and 195 MPa for DDQ, HSLA350, and DP600, respectively for the 6 o?clock tube specimens. <br /><br /> For all of the alloys, a difference in the stress ? strain behaviour was seen between the sheet and tube specimens due to the plastic work that was imparted during forming of the tube. For the DP600, the plastic work only affected the work-hardening response. <br /><br /> It was found that both the HSLA350 and DDQ sheet specimens exhibited an upper/lower yield stress that was amplified as the strain rate increased. Consequently the actual strength at 30 and 100 s^-1 was obscured and the data at strain rates above 500 s^-1 to be unusable for constitutive modeling. This effect was not observed in any of the tube specimens or the DP600 sheet specimens <br /><br /> For each of the steels, both the Johnson-Cook and Zerilli-Armstrong models fit the experimental data well; however, the Zerilli-Armstrong fit was slightly more accurate. Numerical models of the IFWI and the TSHB tests were created to assess whether the experimental results could be reproduced using the constitutive fits. Both numerical models confirmed that the constitutive fits were applied correctly.