Damage and strain patterning simulation of structural heterogeneity

Wang, Ding; Raabe, Dierk; Svendsen, Bob

doi:10.18154/RWTH-2019-01925

Damage and strain patterning simulation of structural heterogeneity

Wang, Ding^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Ding Wang

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (v, 131 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Svendsen, Bob (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-01925
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FCC crystal (frei) ; collinear interaction (frei) ; crystal plasticity (frei) ; damage simulation (frei) ; deformation bands (frei) ; high modulus steel (frei) ; laminate structure (frei) ; metal matrix composites (frei) ; particle damage (frei) ; patterning (frei) ; phase field method (frei) ; spectral method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Strukturelle Heterogenitäten entstehen in den meisten metallischen Materialien auf den mikroskopischen Skalen vor oder nach der Verformung. Einerseits bieten solche Heterogenitäten ein großes Potenzial, um spezifische Eigenschaften für hochfeste und leichte Anwendungen zu erreichen, andererseits können aber die Duktilität und Zähigkeit von Materialien durch Schadensinitiierung, die durch solche Heterogenitäten begünstigt wird, entscheidend reduziert werden. In dieser Arbeit wurde der Einfluss einzelner Mikrostrukturmerkmale und zugrundeliegender Versetzungswechselwirkungen auf mechanische und/oder Schadensreaktionen von Materialien durch systematische Simulationsstudien untersucht. Kristallplastizität Fast-Fourier-Transformation Simulationen wurden durchgeführt, um tiefe Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen einzelnen mikrostrukturellen und mikromechanischen Mechanismen in heterogenen Strukturen zu gewinnen. In dieser Arbeit wurden zwei Materialsysteme und die damit verbundenen Eigenschaften untersucht: Die erste ist die partikelinduzierte Schädigung in Fe-TiB2-Metallmatrix-Verbundstählen und die zweite ist die Bildung einer Laminatverformungsstrukturierung in einem Nickeleinkristall. Fe- TiB2-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit als Stähle mit hohem Elastizitätsmodul bezeichnet werden, haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen. Die Zähigkeit dieser Stähle wird jedoch durch die Anwesenheit der spröden TiB2-Partikel entscheidend verringert. Aufgrund der Vielzahl von Parametern, die die Schädigung von Mikrostrukturen beeinflussen, sind experimentelle Studien komplex und ineffizient, um den Einfluss der Mikrostruktur von Partikeln auf die Bruchzähigkeit zu identifizieren. In dieser Arbeit wurde ein Berechnungssimulationsansatz zur Ableitung von Richtlinien zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Stählen mit hohem Modul durchgeführt. Wichtige mikrostrukturelle Parameter wie Partikelclustergrad, Größe und Volumenanteil wurden untersucht. Modellgeometrien wurden statistisch und systematisch mit unterschiedlichen Partikelkonfigurationen von zufälligen zu gruppierten Verteilungen erzeugt. Simulationen wurden dann unter Verwendung eines Kristallplastizitäts-Fast-Fourier-Transformations-Simulationsverfahrens in Verbindung mit einem neuartigen Phasenfeldschadensmodell durchgeführt. Die Wirkung einzelner Partikelparameter auf die Partikelschädigung zeigte, dass Mikrostrukturen mit homogenen Partikelverteilungen von 7 bis 15 Vol.-% TiB2 ohne große primäre TiB2-Partikel (die primären Niederschläge für die hypoeutektische Zusammensetzung) am günstigsten sind, um Stähle mit hohem Elastizitätsmodul mit erhöhter Zähigkeit zu erhalten. Deformationsmuster in Form von Deformationsbändern werden in Einkristallen unter geeigneten Belastungsbedingungen beobachtet. In dieser Arbeit wurden die Gründe für diese starke Deformationsstrukturierung durch Kristallplastizitätssimulationen untersucht. Ein fc-c-Nickel-Einkristall mit einer anfänglichen Nähe-Kupfer-Orientierung wurde in ebenen Spannungs-Kompressions-Randbedingungen deformiert. Es wurde festgestellt, dass die sich ergebende Dehnungsaufteilung in Form alternierender paralleler Bänder in einem sehr frühen Belastungsstadium initiiert wird und bei fortschreitender Verformung scharf wird. Es zeigte sich, dass die Mikrostrukturkaschierung das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von verfügbaren Deformationssystemen, Kaltverfestigung, Kinematik und Deformationsenergien ist: (i) Die dislozierende kollineare Wechselwirkung spielt eine wesentliche Rolle bei der Bildung der Deformationsbanden unter den auferlegten Randbedingungen ; (ii) der Laminatmusterfall minimiert den Energiebeitrag aufgrund der starken kollinearen Wechselwirkungsstärke durch Auswählen eines lokal vorherrschenden Gleitsystems. Dieses Verhalten erklärt sich durch die geringere globale Verformungsenergie im Vergleich zu einem homogenen Doppelschlupfverhalten. Es zeigte auch, dass nur die Werte der Wechselwirkungsstärke in dem Bereich, der durch dynamische Simulationen mit diskreter Versetzung vorhergesagt wird, zu Verformungsbändern führen. Insgesamt wurden in dieser Arbeit die Effektivität und Möglichkeiten systematischer Kristallplastizitätssimulationen vorgestellt und diskutiert. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen einzelnen mikrostrukturellen und mikromechanischen Mechanismen in Strukturheterogenitäten wurden identifiziert. Basierend auf der Wirkung einzelner mikrostruktureller Merkmale können die optimierte Mikrostruktur oder die schadenstoleranten Mikrostrukturen abgeleitet werden und mehr Erkenntnisse für die zugrunde liegenden Deformations- und Schädigungsmechanismen gewonnen werden.

Structural heterogeneities arise in most metallic materials on the microscopic scale prior or after deformation. On the one hand such heterogeneities have great potential to achieve specific properties for high strength and lightweight applications, but on the other hand the ductility and toughness of materials could be critically reduced by damage initiation which is promoted by such heterogeneities. In this thesis, the effect of individual microstructure features and underlying dislocation interactions on mechanical and/or damage responses of materials were investigated by systematic simulation studies. Crystal plasticity Fast Fourier transformation simulations were conducted to gain deep insights into the complex interactions between individual microstructural and micromechanical mechanisms in heterogeneous structures. Two subjects were studied in this thesis: the first is the particle-induced damage in Fe - TiB2 metal matrix composites steels and the second is the formation of laminate deformation patterning in nickel single crystal. Fe - TiB2 metal matrix composites, termed high modulus steels due to their high specific stiffness, have great potential for lightweight design applications. However, the toughness of these steels is critically reduced by the presence of the brittle TiB2 particles. Due to the multitude of parameters affecting microstructural damage, experimental studies are complex and inefficient to identify the impact of particle microstructure on fracture toughness. In this thesis, a computational simulation approach to derive guidelines for optimizing the mechanical properties of high modulus steels was conducted. Key microstructural parameters such as particle clustering degree, size and volume fraction were investigated. Model geometries were statistically and systematically generated with varied particle configurations from random to clustered distributions. Simulations were then performed using a crystal plasticity Fast Fourier Transformation simulation method coupled with a novel phase field damage model. The effect of individual particle parameters on particle damage revealed that microstructures with homogeneous particle distributions of 7~15% volume fraction TiB2 devoid of large primary TiB2 particles (the primary precipitates for hypo-eutectic composition), are most favorable for obtaining high modulus steels with increased toughness. Deformation patterning in the form of deformation bands is observed in single crystals under suitable loading conditions. In this thesis, the reasons for this severe deformation patterning were investigated through crystal plasticity simulations. An f.c.c nickel single crystal with initial near-Copper orientation was deformed in plane strain compression boundary conditions. It was found the resulting strain partitioning in the form of alternating parallel bands initiates at a very early loading stage and sharpens with ongoing deformation. It revealed that the microstructure lamination is the result of a complex interplay between available deformation systems, strain hardening, kinematics, and deformation energetics: (i) the dislocation collinear interaction plays an essential role in the formation of the deformation bands under the imposed boundary conditions; (ii) the laminate patterning case minimizes the energy contribution due to strong collinear interaction strength by selecting a locally prevalent slip system. This behaviour is explained by the lower global deformation energy in comparison to a homogeneous double slip behaviour. It also demonstrated that only interaction strength values in the range predicted by discrete dislocation dynamic simulations result in deformation bands. Altogether, the effectiveness and possibilities of systematic crystal plasticity simulations were presented and discussed in this thesis. The complex interactions between individual microstructural and micromechanical mechanisms in structure heterogeneities were identified. Based on the effect of individual microstructural factors, the optimized microstructure or damage tolerant microstructures can be derived, and deeper insights can be gained for the underlying deformation and damage mechanisms.

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