An improved dislocation density based work hardening model for Al-Alloys

Prasad, Gurla V. S. S.; Mohles, Volker

doi:HT015351354

An improved dislocation density based work hardening model for Al-Alloys = Ein verbessertes versetzungsdichtebasiertes Verfestigungsmodell für Aluminiumlegierungen

Prasad, Gurla V. S. S.

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gurla V. S. S. Prasad

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangXIII, 86 Bl. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Mohles, Volker (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-02-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19271
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62515/files/Gurla_Prasad.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aluminiumlegierung (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Dislocation density (frei) ; Aluminium alloys (frei) ; Work hardening model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Das Anliegen der aktuellen Arbeit ist die Entwicklung eines einheitlichen Verfestigungsmodells zur Vorhersage des Fliessverhaltens von Aluminium und seinen Legierungen. Ein besonderer Vorteil des Modells, welcher in der aktuellen Arbeit dargelegt wird, ist, dass der Output des Modells direkt als Input für anschliessende Erholungs- und Rekristallationsmodelle genutzt werden kann. In Verbindung mit FEM-Codes kann das Modell dazu benutzt werden, komplexe Umformsimulationen wie das Walzen auszuführen. Das gegenwärtige Modell ist ideal zur Einbindung in Gesamtprozessmodellierungen. Bei dem Modell handelt es sich um ein statistisches, auf Versetzungsdichte basiertes Verfestigungsmodell, das auf unserem heutigen Verständnis der Mikrostruktur basiert. Alle statistischen Modelle wie das derzeitige machen Gebrauch von einem oder mehreren Anpassungsparametern. Ein genaues einheitliches Verfestigungsmodell sollte in der Lage sein, Fliesskurven über einen grossen Bereich an Verformungsbedingungen bei Benutzung des selben Satzes von Anpassungsparametern zu beschreiben. Gegenwärtig gibt es eine Reihe von Verfestigungsmodellen, die das Fliessverhalten von Aluminium und seinen Legierungen beschreiben können. Jedoch sind diese Modelle fast immer auf sehr enge Temperaturbereiche beschränkt. In der aktuellen Arbeit bemühen wir uns, ein vereinheitlichtes Verfestigungsmodell zu liefern, um das plastische Fliessverhalten von Aluminium (99% Reinheit) über einen grossen Bereich an Temperaturen und Dehnraten zu beschreiben. Das Konzept des aktuellen Modells basiert auf dem 3IVM (3 Interne Variablen Modell). Das 3IVM wurde hauptsächlich entwickelt für den Hochtemperatur Bereich. Wie in Kapitel 3 gezeigt wird, macht das 3IVM hervorragende Anpassungen bei Beschränkung auf den Hochtemperaturbereich. Bei niedrigen Temperaturen, oder wenn ein breiter Temperaturbereich betrachtet wird, ist die Qualität der Anpassungen jedoch nicht ausreichend. Bei niedrigen Temperaturen ist die Anwendbarkeit des 3IVM also sehr beschränkt. Das 3IVM betrachtet Stufenversetzungen und entsprechend nur Versetzungsklettern als möglichen Erholungsmechanismus. Jedoch kann Quergleiten der dominierende Erholungsprozess sein, besonders bei niedrigen Temperaturen. Ein weiterer Mangel des Modells ist die Vernachlässigung der Wechselwirkung beweglicher Versetzungen mit unbeweglichen Versetzungen. Unter Berücksichtigung dieser Mängel entwickelten wir ein verbessertes 3-Interne-Variablen-Modell, genannt 3IVM+ (mit einem + Zeichen zur Hervorhebung der Verbesserungen). Unser Modell macht die Annahme einer zellulären Mikrostruktur und betrachtet entsprechend drei interne Zustandsgrössen, ähnlich dem 3IVM. Das 3IVM+ verwendet eine neuartige kinetische Zustandsgleichung, um die Spannung zu ermitteln, die gebraucht wird, um die jeweilige Verformungsgeschwindigkeit zu erreichen. Gegenüber dem 3IVM wurden verschiedene neue Reaktionen individueller Versetzungen und deren Effekte auf die verschiedenen Versetzungspopulationen berücksichtigt. Um die Modelle zu validieren, wurden Stauchversuche mit fast reinem Aluminium (99,9% Reinheit) über einen weiten Bereich von Temperaturen und Dehnraten durchgeführt. Diese experimentellen Ergebnisse werden in jedem Fall mit den Modellanpassungen verglichen, um die Qualität der Modelle zu beurteilen. Wie viele statistische, auf Versetzungsdichte basierende Modelle macht 3IVM+ Gebrauch von mehreren Anpassungsparametern, deren genauer Wert nicht bekannt ist. Deshalb ist diesen Parametern ein physikalisch sinnvoller Wertebereich vorgegeben. Eine Optimierungstechnik wird angewendet, um die Parameterwerte zu ermitteln, die die Summe der Differenzen zwischen experimentellen und simulierten Fliesskurven minimieren. Mit dem gleichen Satz von Anpassungsparametern erfassen wir das komplette Fliessfeld für einen Bereich an Temperaturen und Dehnraten. Das originale 3IVM erreicht gute Anpassungen, wenn wir uns auf enge Temperaturbereiche beschränken. Die Anpassungen dieses Modells sind besonders gut bei hohen Temperaturen. Bei relativ niedrigen Temperaturen ist das Modell jedoch nicht ausreichend. Wenn ein grosser Bereich von Temperaturen gewählt wird, erreicht das Modell keine brauchbaren Anpassungen. Hingegen erzeugt das 3IVM+ erfolgreich Fliesskurven nicht nur bei hohen und niedrigen Temperaturen separat, sondern auch über einen weiten Bereich von Verformungsbedingungen.

The objective of the present work is to develop a unified work hardening model to predict the flow behaviour of aluminium and its alloys. A particular advantage of the model presented in the present work is that the output from the model can directly be used as input for subsequent recovery and recrystallisation models. This model in conjunction with FEM codes can be used to model the complex metal forming operations like rolling. The present model is ideal to be included in a through process model. The present model is a statistical dislocation density based work hardening model based on our contemporary understanding of the microstrucature. All the statistical models like the present one make use of one or more fit parameters. A truly unified work hardening model should be able to fit flow curves over a complete deformation conditions range using the same set of fitting parameters. There are many work hardening models available today for modeling the flow behaviour of Aluminium and its alloys. However, these models almost always restrict themselves to very narrow temperature ranges. In the present work we endevour to provide a unified work hardening model, to describe the plastic flow behaviour of aluminium (99.9% purity) over a wide range of temperatures and strain rates. The concepts in the present models are inspired from the 3IVM (3 internal variables model). The 3IVM was developed mainly for the high temperature range. As will be demonstrated in chapter 3 the 3IVM makes excellent fits when confined to a high temperature range. At low temperatures or when a wide temperature range is considered the fits are not satisfactory. It has limited capability at low temperatures. The 3IVM considers edge dislocations, and hence only dislocation climb as a possible recovery mechanism. However, cross slip can be the ruling recovery process especially at low temperatures. Another shortcoming of the model is the neglection of the interaction of mobile dislocations with immobile dislocations. Keeping these deficiencies in mind, we developed an improved 3 internal variables model called the 3IVM+ (with a + sign indicating an improved version). Our model makes an inherent assumption of a cellular microstructure, hence consider 3 internal state variables similar to the 3IVM. The 3IVM+ introduces a novel kinetic equation of state to calculate the total stress needed to accommodate a particular strain rate. Various new reactions of individual dislocations and hence their effect on the various dislocation populations is considered as compared to the 3IVM. To validate the models, compression tests were performed on rather pure aluminium (99.9% purity) over a wide range of temperatures and strain rates. These experimental results were compared to the model fits in each case to judge the ability of the models. Like many statistical dislocation density based models, our model also makes use of many fitting parameters whose exact values are not known. Hence, these fitting parameters are given a physically viable range of values. An optimisation technique is used to determine the values of these parameters that minimise the sum of the differences between the experimental and simulated flow curves. For the same set of optimising parameters, we fit the complete flow field for a range of temperatures and strain rates. The original 3IVM makes good fits when we confine ourselves to a narrow temperature range. The fits from this model are especially good at high temperatures. At relatively low temperatures the model is unsatisfactory. When a wide range of temperatures is choosen, the model fails to make reasonable fits. The 3IVM+ on the other hand successfully fits the flow curves not only at high and low temperatures separately but also over a wide range of deformation conditions.

Fulltext:
PDF