Modeling of the microstructural effects on the mechanical response of polycrystals

Motaman, Seyedamirhossein; Raabe, Dierk; Bleck, Wolfgang; Prahl, Ulrich

doi:40063

Modeling of the microstructural effects on the mechanical response of polycrystals

Motaman, Seyedamirhossein^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Seyed Amir Hossein Motaman, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

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

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Prahl, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-01-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-01324
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/811655/files/811655.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
computational materials science (frei) ; constitutive modeling (frei) ; crystal plasticity (frei) ; microstructural effects (frei) ; microstructure (frei) ; polycrystal plasticity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The modeling and hence exploitation of the connection between the microstructure and the mechanical response of polycrystals is and continues to be at the forefront of the longstanding challenges in the materials science and metallurgical engineering. The macroscopic mechanical response of polycrystalline materials is intricately governed by the propensity of the micro-mechanisms of crystal plasticity, which are controlled by the instantaneous hierarchical microstructure and its evolution. Therefore, the microstructure almost exclusively controls the macroscopically observable mechanical response of polycrystalline aggregates in terms of the stress response and its variation (the stress rate or strain hardening). In this thesis, the microstructural effects on the mechanical response/properties of polycrystals are classified into four groups: the polarity, size, composite, and porosity effects. The historical background as well as the research on the modeling of the microstructural effects, which has so far lasted almost a century, are concisely reviewed. The primary microstructural effects, the size and polarity effects, are modeled for different polycrystalline metallic materials at various length scales. First, the size effect was modeled at the macro-scale using a nonlocal (physics-based) microstructural model for polycrystal plasticity to simulate the behavior of a ferritic-pearlitic steel during large deformation in the cold and warm regimes. Then, the model was applied to simulate industrial cold and warm forging processes of a bevel gear shaft and predict its final microstructure and properties (process-microstructure-properties linkage). Second, the polarity effect was modeled at the mesoscale using a physics-based crystal plasticity model to simulate the (macroscopic) anisotropic mechanical response of an additively manufactured austenitic high-Mn steel (microstructure-properties linkage). It was, then, demonstrated that the mesoscale model can be applied for the optimal computational design of an additively manufactured lattice structure.

OpenAccess:
PDF
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