Investigation of microstructural and mechanical properties of hot forged 31Mn4 dual phase steel with computer-aided simulations

ABSTRACT

In this study, it is aimed to realise the hot forging process design and prototype production of the steel yielding support connection clamp, the critical safety element of underground mining ground support systems, by using 31Mn4 dual phase steel. In this context, at the end of the forging and deburring processes, air cooling was designed, simulated and cooling rates were obtained. The cooling curve was integrated into the continuous cooling transformation diagram and phase formation was predicted. The distribution of pearlitic, ferritic, bainitic structures and formation rates, hardness distributions, strength data were also obtained. The hardness and tensile strength calculations, microstructural examinations and SEM analysis were carried out for validation. It has been determined that pearlitic-ferritic microstructures are formed in regions where the cooling rate is slow. In thinner sections where the cooling rate is around 1.2°C/sec, ferritic structures become smaller and bainite phase was observed. As a result, the average tensile strength in 1st and 2nd regions were recorded as 684.5, 690 MPa in simulation, while these values were recorded as 688.45 and 694.15 MPa in tensile tests. It has been determined that this result corresponds to the 99.4% accuracy rate of the prototype obtained by simulation-supported and real productions.

Dans cette étude, on vise à réaliser la conception du procédé de forgeage à chaud et la production de prototypes de la bride d’accouplement de support flexible en acier, qui est l’élément critique de sécurité des systèmes de soutènement miniers souterrains en utilisant des matériaux bruts en acier biphasé 31Mn4. On étudie le procédé de refroidissement de la pièce en acier. Dans ce contexte, à la fin des procédés de forgeage et d’ébavurage, on a conçu et simulé un refroidissement par air par des simulations basées sur la méthode des éléments finis et l’on a obtenu des vitesses de refroidissement. On a intégré la courbe de refroidissement dans le diagramme de transformation de refroidissement continu et l’on a prédit la formation de phase en utilisant les vitesses de refroidissement obtenues par analyse de simulation. De plus, on a obtenu virtuellement la distribution des structures perlitiques, ferritiques, bainitiques et les taux de formation, les distributions de dureté, les données de résistance mécanique. Les calculs de dureté et de résistance à la traction, les examens microstructuraux et l’analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) ont été effectués sur des échantillons prototypes pour la validation des données de simulation. On a déterminé que les microstructures perlitiques-ferritiques se formaient dans des régions où la vitesse de refroidissement est lente. Dans les sections plus minces où la vitesse de refroidissement est d’environ 1.2°C/sec, les structures ferritiques deviennent plus petites et l’on a observé la formation d’une phase bainitique. À la fin des études, on a enregistré les valeurs moyennes de résistance à la traction dans les 1^ère et 2^ème régions à 684.5 MPa, 690 MPa dans les études de simulation de la bride de soutènement minier, alors que ces valeurs ont été enregistrées à 688.45 MPa et 694.15 MPa dans les essais de traction. On a déterminé que ce résultat correspondait au taux de précision de 99.4% du prototype obtenu à la fin des simulations supportées et des productions réelles.

KEYWORDS:

• Hot forging
• cooling
• finite element method
• simulation
• microstructural characterisation
• mechanical properties

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No potential conflict of interest was reported by the author(s).