TOOLKIT für schädigungstolerantes Mikrostruktur Design

  Toolkit Urheberrecht: IEHK Bild 1: “TOOLKIT” – ein skalenübergreifender Modellierungsansatz zur Überführung einer gewünschten Bauteilleistungsfähigkeit in eine maßgeschneiderte Mikrostruktur und zugehörige Prozessparameter

Die Beobachtung, dass das Potenzial vieler konventioneller Maßnahmen zur Eigenschaftsverbesserung bei Stählen für Anwendungen in der Infrastruktur, der Energie- und der Automobiltechnik bereits erheblich ausgeschöpft ist, führt zur Forderung nach neuen Methoden des Werkstoffdesigns. Im Rahmen des Forschungsprojekts „TOOLKIT“ wird ein Simulationskonzept für das simulationsgestützte Design schädigungstoleranter Mikrostrukturen entwickelt. Bild 1 veranschaulicht den gewählten Ansatz, um durch Bauteilsimulationen identifizierte mechanische Eigenschaftsprofile in zugehörige, optimierte Mikrostrukturen zu überführen und die zu deren Einstellung benötigten Prozessparameter zu benennen.

 
 

Das Projekt adressiert beispielhaft zwei Demonstratoren. Hierbei handelt es sich um Dualphasenstahl für den Einsatz in einer Crashbox sowie einen Rohrleitungsstahl für den Einsatz im Großrohr für den Öl- und Gastransport. Die benötigten mechanischen Eigenschaftsprofile zur Einstellung einer gewünschten Leistungsfähigkeit werden durch makroskopische Simulationen von Fallgewichtsversuchen an Vierkantprofilen (Crashbox) und Battelleproben (Großrohr) identifiziert. Zum Nachweis einer ausreichenden Aussagekraft dieser Berechnungen werden dabei zunächst Referenzwerkstoffe eingesetzt, für die realistische Materialparameter auf Basis umfangreicher Versuchsserien bestimmt werden. Diese werden an Proben durchgeführt, an denen durch entsprechende Geometrievorgaben gezielt Spannungszustände eingestellt werden (Bild 2). Weiterhin werden die Dehnraten- und Temperatureinflüsse auf die Verfestigung und die Schädigung im Bereich von Dehnraten bis zu 2500/s aufgeklärt. Für die makroskopische Modellierung wird das modifizierte Bai-Wierzbicki-Modell in nichtlokaler Formulierung eingesetzt (Bild 3).

  Kalibrierung des spannungszustandsabhängigen MBW-Schädigungsmodells Urheberrecht: IEHK Bild 2: Versuchsprogramm zur Kalibrierung des spannungszustandsabhängigen MBW-Schädigungsmodells [1].
 
  Schematische Darstellung des MBW-Modells Urheberrecht: IEHK Bild 3: Schematische Darstellung des MBW-Modells zur Beschreibung von Spalt- und Gleitbruch [2].
 
  Volumenelement Urheberrecht: IEHK Bild 4: Repräsentatives Volumenelement eines Stahls der Sorte DP100 unter Berücksichtigung statistischer Verteilungsfunktionen.

Die Identifizierung der maßgeschneiderten Mikrostrukturen erfolgt auf Basis von virtuellen Experimenten an statistisch repräsentativen, künstlichen Mikrostrukturmodellen. Zur Beschreibung des anisotropen Verfestigungsverhaltens kommen dabei Methoden der Kristallplastizität zum Einsatz. In den Mikrostrukturmodellen werden Phasenanteile, Korngrößenverteilungen, Kornorientierungsverteilungen, Kornformverteilungen sowie Misorientierungen systematisch modifiziert (Bild 4). Zur Validierung der Ansätze werden zudem die Werkstoffe entsprechend der simulativ ermittelten Prozessparameter behandelt und zu den genannten bauteilähnlichen Proben weiterverarbeitet, die anschließend den Versuchen unterzogen werden.

 

[1] Lian J., A generalised hybrid damage mechanics model for high-strength steel sheets and heavy plates, PhD Thesis, RWTH Aachen University, 2015, DOI: 10.2370/9783844040630.

[2] Lian J., Wu J., Münstermann S., Evaluation of the cold formability of high-strength low-alloy steel plates with the modified Bai-Wierzbicki damage model, Int. J. Damage Mech. 2015; 24(3):383-417.