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000755595 001__ 755595 000755595 005__ 20230408005905.0 000755595 0247_ $$2HBZ$$aHT019985196 000755595 0247_ $$2Laufende Nummer$$a38003 000755595 0247_ $$2datacite_doi$$a10.18154/RWTH-2019-01925 000755595 037__ $$aRWTH-2019-01925 000755595 041__ $$aEnglish 000755595 082__ $$a620 000755595 1001_ $$0P:(DE-588)1179487753$$aWang, Ding$$b0$$urwth 000755595 245__ $$aDamage and strain patterning simulation of structural heterogeneity$$cvorgelegt von M.Sc. Ding Wang$$honline 000755595 260__ $$aAachen$$c2019 000755595 300__ $$a1 Online-Ressource (v, 131 Seiten) : Illustrationen, Diagramme 000755595 3367_ $$02$$2EndNote$$aThesis 000755595 3367_ $$0PUB:(DE-HGF)11$$2PUB:(DE-HGF)$$aDissertation / PhD Thesis$$bphd$$mphd 000755595 3367_ $$2BibTeX$$aPHDTHESIS 000755595 3367_ $$2DRIVER$$adoctoralThesis 000755595 3367_ $$2DataCite$$aOutput Types/Dissertation 000755595 3367_ $$2ORCID$$aDISSERTATION 000755595 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 000755595 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2019$$gFak05$$o2019-02-08 000755595 5203_ $$aStrukturelle 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.$$lger 000755595 520__ $$aStructural 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.$$leng 000755595 588__ $$aDataset connected to Lobid/HBZ 000755595 591__ $$aGermany 000755595 653_7 $$aFCC crystal 000755595 653_7 $$acollinear interaction 000755595 653_7 $$acrystal plasticity 000755595 653_7 $$adamage simulation 000755595 653_7 $$adeformation bands 000755595 653_7 $$ahigh modulus steel 000755595 653_7 $$alaminate structure 000755595 653_7 $$ametal matrix composites 000755595 653_7 $$aparticle damage 000755595 653_7 $$apatterning 000755595 653_7 $$aphase field method 000755595 653_7 $$aspectral method 000755595 7001_ $$0P:(DE-82)000488$$aRaabe, Dierk$$b1$$eThesis advisor$$urwth 000755595 7001_ $$0P:(DE-82)IDM00315$$aSvendsen, Bob$$b2$$eThesis advisor$$urwth 000755595 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595.pdf$$yOpenAccess 000755595 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595_source.docx$$yRestricted 000755595 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595.gif?subformat=icon$$xicon$$yOpenAccess 000755595 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595.jpg?subformat=icon-180$$xicon-180$$yOpenAccess 000755595 8564_ $$uhttps://publications.rwth-aachen.de/record/755595/files/755595.jpg?subformat=icon-700$$xicon-700$$yOpenAccess 000755595 909CO $$ooai:publications.rwth-aachen.de:755595$$popenaire$$popen_access$$pVDB$$pdriver$$pdnbdelivery 000755595 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-588)1179487753$$aRWTH Aachen$$b0$$kRWTH 000755595 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-82)000488$$aRWTH Aachen$$b1$$kRWTH 000755595 9101_ $$0I:(DE-588b)36225-6$$6P:(DE-82)IDM00315$$aRWTH Aachen$$b2$$kRWTH 000755595 9141_ $$y2019 000755595 915__ $$0StatID:(DE-HGF)0510$$2StatID$$aOpenAccess 000755595 9201_ $$0I:(DE-82)523110_20140620$$k523110$$lLehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Metallphysik$$x0 000755595 9201_ $$0I:(DE-82)520000_20140620$$k520000$$lFachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik$$x1 000755595 961__ $$c2019-03-28T11:57:20.381473$$x2019-02-21T10:54:41.476215$$z2019-03-28T11:57:20.381473 000755595 9801_ $$aFullTexts 000755595 980__ $$aI:(DE-82)520000_20140620 000755595 980__ $$aI:(DE-82)523110_20140620 000755595 980__ $$aUNRESTRICTED 000755595 980__ $$aVDB 000755595 980__ $$aphd