Microstructure modeling guided design of high-strength steels

Liu, Wenqi; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor); Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Lian, Junhe (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die Mikrostruktur von Stählen entscheidet über deren mechanische Eigenschaften. Folglich gilt das Mikrostrukturdesign als Schlüsselfaktor für die Entwicklung moderner Stähle, insbesondere der modernen hochfesten Stähle. Um die mechanischen Eigenschaften und die Wettbewerbsfähigkeit neu entwickelter Stähle zu verbessern, wurden bewährte einheitliche Strategien wie die Korngrößenverfeinerung mehr oder weniger vollständig ausgeschöpft, und das konventionelle Verständnis der Beziehung zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften ist aufgrund der immer komplexeren Mikrostruktur möglicherweise nicht mehr zulässig. Darüber hinaus kann die Kombination und das Gleichgewicht zwischen verschiedenen Eigenschaftsprofilen notwendig sein, um die strukturelle Leistung für den Endnutzer zu optimieren. Daher sind neue, zuverlässige und effiziente Ansätze für das Materialdesign auf der Grundlage des Top-Bottom-Ansatzes erforderlich. In dieser Studie wird ein computergestütztes Simulations-Toolkit für das leistungsorientierte, mikrostrukturbasierte, hochfeste und schadenstolerante Materialdesign im Rahmen des Integrated Computational Materials Engineering (ICME) entwickelt. Das allgemeine Konzept des Design-Toolkits besteht darin, dass mit makromechanischen Modellen die angestrebte Bauteilleistung in die erforderlichen mechanischen Eigenschaftsprofile umgewandelt werden kann und anschließend mit mikromechanischen Modellen die maßgeschneiderte Mikrostruktur für die gewünschten mechanischen Eigenschaftsprofile ermittelt werden kann. Die Erstellung des Design-Toolkits umfasst die Auswahl und Entwicklung einzelner Mechanikmodelle sowie die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Modellen. Für den Aufbau des Simulationsbaukastens wird ein anschauliches Beispiel für das Mikrostrukturdesign von Dualphasenstahl (DP) für Crashboxen in der Automobilindustrie gewählt. Für diese spezifische Anwendung mit einer DP1000-Stahlsorte werden individuelle experimentelle und numerische Ansätze entwickelt und entsprechend validiert. Die Charakterisierung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften einschließlich der Schädigungsmechanismen und des Bauteilverhaltens des Referenzstahls DP1000 wurden untersucht, um die Auswahl, Entwicklung und Parameterkalibrierung der einzelnen Modelle zu unterstützen. Das erweiterte modifizierte Bai-Wierzbicki Schadensmechanikmodell, welches Temperatur, Dehnungsrate und Spannungszustand einbezieht, wurde eingesetzt, um einen Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Bauteilleistung zu erzeugen. Die fein aufgelösten, statistisch repräsentativen Volumenelemente, die auf dem vorgeschlagenen Kriterium zur Bewertung der Repräsentativität der Mikrostruktur basieren, wurden als künstliche Materialien erzeugt. Sowohl Kristallplastizität als auch versetzungsbasierte Plastizitätsmodelle wurden verwendet, um die Mikrostruktur mit den mechanischen Eigenschaften zu verbinden. Für jeden Modellierungsansatz wurden detaillierte Verfahren zur Parameterkalibrierung entwickelt. Mit dem auf Makro- und Mikroebene aufgebauten virtuellen Labor wurden parametrische Studien durchgeführt, um den Einfluss der Eingangsfaktoren auf die Ausgangsleistung und -eigenschaften auf der Grundlage eines quantitativen Sensitivitätsparameters zu bewerten, die erforderlichen Eigenschaftsprofile zu ermitteln und die gewünschte Mikrostruktur abzuleiten. Die gewünschten Gefügeeigenschaften können bei der anschließenden Produktionsvalidierung aufgrund der Einschränkungen bei realen Prozessverfahren nur teilweise erreicht werden. Dennoch hat die Leistungsfähigkeit des Tailored-DP-Materials, vor allem in Bezug auf die dissipierte Energie bei Crashtests, das gesteckte Ziel erreicht. Darüber hinaus wurden auf der Grundlage der Mikrostruktur- und Eigenschaftscharakterisierung mehrere wichtige Schlussfolgerungen aus dem Simulations-Toolkit durch die Produktionsvalidierung bestätigt. Das Konzept des Toolkits für das computergestützte mikrostrukturgeführte Materialdesign ist vielversprechend und könnte mit gewissen Modifikationen an einzelnen Modellen auf andere Anwendungsfälle ausgeweitet werden. Ein Ausblick auf Herausforderungen und mögliche Lösungen für die zukünftige Modellentwicklung im Rahmen von ICME wurde ebenfalls diskutiert.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehr- und Forschungsgebiet für Werkstoff- und Bauteilintegrität [522520]