Modeling of the microstructural effects on the mechanical response of polycrystals

Motaman, Seyedamirhossein; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Raabe, Dierk (Thesis advisor); Prahl, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Die Modellierung und die gezielte Ausnutzung des Zusammenhangs zwischen Mikrostruktur und mechanischem Verhalten von Polykristallen ist eine bestehende Herausforderungen in den Werkstoffwissenschaften und der Metallurgie. Die makroskopische mechanische Reaktion polykristalliner Materialien wird auf komplizierte Weise durch die Mikromechanismen der Kristall-plastizität bestimmt, welche wiederum durch die ausgebildete hierarchische Mikrostruktur und deren Entwicklung gesteuert werden. Daher beeinflusst die Mikrostruktur fast ausschließlich die makroskopisch beobachtbare mechanische Reaktion von Polykristallen in Bezug auf die Spannungsantwort und ihrer Variation (Spannungsrate oder Verfestigung) während plastischer Verformung. In dieser Arbeit werden die mikrostrukturellen Effekte auf die mechanische Reaktion/Eigenschaften von Polykristallen eindeutig in vier Gruppen eingeteilt: Polaritäts-, Größen-, Komposit- und Porositätseffekte. Der historische Kontext und die fast einhundert Jahre andauernde Forschung und Entwicklung in der Modellierung der mikrostrukturellen Effekte werden kurz aufgearbeitet. Darüber hinaus werden die grundlegenden Mikrostruktureffekte, die Größen- und Polaritätseffekte, für verschiedene polykristalline metallische Werkstoffe auf verschiedenen Längenskalen modelliert. Zunächst wurde der Größeneffekt auf der Makroskala mithilfe eines nicht lokalen (physikbasierten) Mikrostrukturmodells für polykristalline Plastizität modelliert, um das Verhalten eines ferritisch-perlitischen Stahls bei großer Verformung in kalten und warmen Temperaturbereichen zu simulieren. Das Modell wurde angewandt, um industrielle Kalt- und Warmschmiedeprozesse einer Kegelradwelle zu simulieren und ihre endgültige Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften (Verbindung zwischen Prozess, Mikrostruktur und Eigenscha-ten) vorherzusagen. Zweitens wurde der Polaritätseffekt auf der Mesoskala mithilfe eines physikbasierten Kristallplastizitätsmodells modelliert, um die anisotrope mechanische Reaktion/Eigenschaften eines additiv hergestellten austenitischen Hochmanganstahls zu simulieren (Mikrostruktur-Eigenschaften-Korrelation). Anschließend wurde dargestellt, wie das mesoskalige Modell für ein optimales rechnerisches Design für die additive Herstellung von Metallen angewendet werden kann.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]