Versetzungsdichtebasiertes konstitutives Modell für die Umformsimulation

 

Versetzungsdichtebasierte basierte Modelle für die Umformsimulation zeichnen sich durch geringe Rechenzeiten aus, berücksichtigen die Umformhistorie und können bei verschiedenen Prozessparametern wie Dehnrate und Temperatur unterschiedliche Spannungszustände abbilden. Neben der Bauteilumformung können auch Effekte wie Kriechen, Relaxation, Gefügeentwicklung die chemische Zusammensetzung berücksichtigt.

Versetzungsdichtebasierte Modelle beschreiben mittels internen Variablen die der Umformung zugrundeliegenden Mechanismen auf Gefüheskala und bieten damit eine sehr Allgemeine Gültigkeit und Anwendbarkeit. Damit sind dann auch durchgängige Prozesskettensimulation möglich, da der Einfluss verschiedener Prozessschritte auf die Gefügeentwicklung abgebildet wird und die Materialeigenschaften auch in den Pausenzeiten sowie die finalen Produkteigenschaften enthalten sind.

Das hier vorgestellte physikalisch-basierte Model kann das Materialverhalten von polykristalinem Werkstoffen während der Kaltumformung abbilden und nutzt dabei die interne Variablen wie die Versetzungsdichte und die effektive Korngröße.

Die Entwicklung der internen Variablen wird durch Ratengleichungen beschrieben, die die dominanten physikalischen Prozesse während der Kaltumformung wiedergeben. Das Modell wurde als implizit isotropes elastisch-viscoplastisches Materialmodell in die FEM-Software ABAQUS/Standard implementiert und dazu verwendet Stauchversuche sowie den gesamten Schmiedezyklus eines Kegelrades für verschiedene MnCr-Einsatzstähle abzubilden.

Als Anwendung wurde ein industrieller Schmiedezyklus eines Kegelrades bestehend aus vier Prozessschritten definiert: Fließpressstufe, Pausenzeit, finales Umformen und Abkühlung an der Luft. Diese vier Prozessschritte wurden mithilfe der in ABAQUS/Standard implementierten UMAT thermo-mechanisch simuliert.

Die mit dem Modell durchgeführten vollständig thermo-mechanisch gekoppelten FE-Simulationen haben gezeigt, dass das entwickelte Modell folgende Vorteile bietet:

  • Im Gegensatz zu den meisten thermo-mechanischen empirischen Modellen zur Beschreibung der Metallplastizität, welche die akkumulierte äquivalente plastische Dehnung als interne Variable verwenden, wird in dem aktuell vorgestellten Modell die Versetzungsdichte in Abhängigkeit von der Dehnrate und Temperatur beschrieben.
  • Der Vergleich zwischen den FE-Simulationen und Experimenten zum Kaltumformprozess zeigt eine gute Übereinstimmung für unterschiedliche Belastungsfälle bei geringen Rechenzeiten. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit den der empirischen Modelle.
  • Die Versetzungsdichte wird in jedem Zeitschritt des Produktionsprozesses berechnet. Dadurch kann das Modell auf natürliche Weise für die durchgängige Prozesskettensimulation verwendet werden.
  • Das Modell berücksichtigt statische Erholung während der Relaxation in der Pausenzeit. Wohingegen die meisten empirischen Modelle zur Beschreibung des kontinuierlichen Umformverhalten das Materialverhalten in der Pausenzeit nicht abbilden können.
  • Der Vergleich zwischen FE-Simulation und Experimenten zeigt eine gute Übereinstimmung für unterschiedliche Bellastungsfälle. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit denen für klassische empirische Modelle.
  • Das Materialmodell kann für Stähle unterschiedlicher Zusammensetzung innerhalb einer Legierungsfamilie verwendet werden.
  • Die wesentliche interne Variable des physikalischen Modells, die Versetzungsdichte, kann dazu verwendet werden andere nützliche physikalische Größen abzuleiten, wie zum Beispiel die im Material gespeicherte Energie, Schädigung und der Vickers Härte.
  • Die gespeicherte Versetzungsdichte zeigte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen geometrisch notwendigen Versetzungen und der nachfolgenden Gefügeentwicklung bei der Wärmebehandlung. Bauteilbereiche mit einer hohen Versetzungsdichte sind feinkörnig wohingegen Bauteilbereiche mit einer niedrigen Versetzungsdichte abnormales Kornwachstum gezeigt haben.
  Verteilung der Versetzungsdichte [1014 m-2] am Ende des Umformprozesses, gemessene geometrisch notwendige Versetzungen (GNV) und Gefügeentwicklung (lokale ehemalige Austenitkorngrenzen) bei nachfolgender Wärmebehandlung eines Kegelrades. Urheberrecht: IEHK Abbildung: Verteilung der Versetzungsdichte [1014 m-2] am Ende des Umformprozesses, gemessene geometrisch notwendige Versetzungen (GNV) und Gefügeentwicklung (lokale ehemalige Austenitkorngrenzen) bei nachfolgender Wärmebehandlung eines Kegelrades.