Deformation-induced damage investigated through deep learning and microscale observations

Kusche, Carl F.; Tekkaya, A. Erman; Korte-Kerzel, Sandra

doi:40336

Deformation-induced damage investigated through deep learning and microscale observations

Kusche, Carl F.^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Carl. F. Kusche

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource

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

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Tekkaya, A. Erman (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04742
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/818924/files/818924.pdf

Einrichtungen

Projekte

TRR 188 - Schädigungskontrollierte Umformprozesse (278868966) (278868966)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dualphasenstahl (frei) ; Elektronenmikroskopie (frei) ; Nanomechanik (frei) ; Schädigung (frei) ; Spannungszustand (frei) ; damage (frei) ; deep-learning (frei) ; dual-phase steel (frei) ; electron microscopy (frei) ; nanomechanics (frei) ; stress state (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Auftreten von mikrostruktureller Schädigung in Form von verformungsinduzierten Poren beeinflusst die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit eines Bauteils auf mehreren Skalen. Dieser Prozess beginnt mit der Bildung von mikroskaligen Poren und endet mit makroskopischem Versagen aufgrund akkumulierter Schädigung während der plastischen Verformung. Aufgrund dieses Multiskaleneffekts muss die Entstehung und Entwicklung dieser verformungsinduzierten Poren mit einem Multi-Skalen-Ansatz betrachtet und analysiert werden. Ein solcher Ansatz beginnt mit den Mechanismen der Plastizität in einer mechanisch heterogenen Mikrostruktur auf der Nanoskala und führt zu den Mechanismen der Schädigung. Um weitere Erkenntnisse über die Entstehung dieser Arten von verformungsinduzierter Schädigung zu gewinnen, muss der Blickwinkel auf diese kleinskaligen Ereignisse jedoch erweitert werden, indem Informationen über eine ganze Fülle von Schädigungsstellen gesammelt werden, um statistisch fundierte Aussagen zu erhalten. Im Idealfall kann die Skala so vergrößert werden, dass Korrelationen zu globalen Parametern des Verformungsprozesses möglich sind, was zu einer Überbrückung der Skalen von mikrostrukturellen Mechanismen bis hin zu der Größenordnung führt, die für die schädigungskontrollierte Auslegung vollständiger Umformprozesse erforderlich ist. Um diese Überbrückung der Skalen zwischen nanoskaligen Untersuchungen zu Schädigungsmechanismen und Schädigungsquantifizierung auf der Skala eines geformten Bauteils zu erreichen, wird in dieser Arbeit ein komplementärer Ansatz vorgestellt, der aus der Charakterisierung lokaler plastischer Eigenschaften mittels nanomechanischer Versuche und neuer Methoden zur automatisierten Charakterisierung und Quantifizierung von verformungsinduzierten Poren besteht, die im Rahmen dieser Dissertation unter Verwendung automatisierter REM-Bildgebung und neuronaler Netze entwickelt wurden. Diese Dissertation besteht aus vier Forschungspublikationen, von denen sich drei mit der Charakterisierung und Quantifizierung von mikrostrukturellen Poren und deren Mechanismen der Entstehung und Evolution in Dualphasenstahl DP800 befassen. In Publikation #1 wird eine skalenübergreifende Methode vorgestellt, die sich von der automatisierten Bildgebung über die Erkennung von Poren bis hin zur Klassifizierung der Mechanismen unter Verwendung von tiefen neuronalen Netzen erstreckt. Damit wird ein Ansatz vorgestellt, um statistisch relevante Informationen über Schädigung und deren Entstehungsmechanismen zu gewinnen, der die Lücke zwischen dem Mechanismus auf der Mikroskala und dem globalen Zustand und der Quantität der verformungsinduzierten Schädigung auf der Skala eines technologischen Bauteils überbrückt. Da eine solche Methode zur Quantifizierung des Schädigungsverhaltens auf Proben größeren Maßstabs angewendet werden kann, wird sie in Publikation #2 verwendet, um die Auswirkungen des global angelegten Spannungszustands in einer systematischen Studie über den Einfluss der Spannungsmehrachsigkeit auf die Schädigungsbildung zu entschlüsseln. Aufgrund des vergrößerten Sichtfeldes konnte die zuvor angenommene Abhängigkeit für ein reales, heterogenes Gefüge nachgewiesen werden, in dem die Entwicklung einer einzelnen Pore durch den lokalen Spannungszustand dominiert wird, der durch lokale Gefügeeigenschaften und Morphologie ausgeübt wird. Betrachtet man das mit diesem neuen Ansatz aufgenommene statistisch relevante Ensemble von Poren, wird die erwartete Abhängigkeit sichtbar. Nach der Anwendung des Ansatzes auf eine solche systematische Untersuchung wird er in der Publikation #3 auf den technologischen Umformprozess des Biegens von Blechen angewandt. Hier konnte die Auswirkung der reduzierten Spannungsmehrachsigkeit durch überlagerte Druckspannungen auf die Porenbildung durch die Messung einzelner Poren auf einer Fläche nachgewiesen werden, die groß genug ist, um für den Maßstab eines Blechumformprozesses relevant zu sein. Publikation #4 befasst sich thematisch mit der Charakterisierung der Plastizität von α-Mangansulfid (MnS) unter Anwendung nanomechanischer Methoden. Da in vielen Stählen außer Dualphasenstählen, Fremdphasen wie Einschlüsse eine Hauptursache für die Bildung von Schädigung sind, ist die Plastizität solcher Einschlüsse von hohem Interesse für die Erforschung und Modellierung dieses Schadensmechanismus. MnS ist eine häufige Einschlussphase in vielen Einsatzstählen, weshalb die in dieser Studie gesammelten quantitativen Daten zur Kristallplastizität eine wichtige Ergänzung für die Erforschung der Auswirkungen der Plastizität von Einschlüssen wie MnS auf die Schadensentstehung darstellen. Insgesamt stellt diese Arbeit einen Ansatz zur Quantifizierung verformungsinduzierter Schädigung auf allen Skalen vor, der durch seine erheblich gesteigerte Effizienz einen wissenschaftlichen Nutzen für die Erforschung der Schädigungsbildung und ihrer Mechanismen bringt. Sie ist für Forscher anwendbar, die an allen Schritten in der Prozesskette für schädigungstolerante Materialien und Prozesse arbeiten, und berücksichtigt alle Längenskalen von den Grundlagen der Plastizität bis hin zur Erforschung der Schädigungsmechanismen selbst - durch ihre Erkenntnisse über die Dominanz von Schädigungsmechanismen und die Beobachtungen zur Spannungs- und Dehnungsabhängigkeit von Initiierung und Wachstum. Auf der makroskopischen Skala geformter Bauteile schließlich kann dieser aus der Mikroskala stammende Ansatz angewandt werden, um die Quantifizierung von Schädigungen in diesen Bauteilen genauer und repräsentativer zu machen

The occurrence of microstructural damage in the form of deformation-induced voids affects the properties and performance of a formed part on multiple scales. This process begins with the formation of microscale voids and ends with macroscopic failure due to accumulated damage during plastic deformation. It is because of this multi-scale effect, that the initiation and evolution of these deformation-induced voids needs to be viewed and analysed from a multi-scale point of view. Such an approach is expected to start with the mechanisms of plasticity in a mechanically heterogeneous microstructure, at the nanoscale, leading to the mechanisms of damage formation. To gain further insights about the formation of these types of deformation-induced damage, however, the viewpoint on these microscale events needs to be enlarged, gathering information about a whole plethora of damage sites, in order to achieve statistically sound assertions. Ideally, the scale can be enlarged in such a way that correlations to global parameters of the deformation process are possible, leading to a bridging of the scales from microstructural mechanisms to the order of magnitude required to engineer complete forming processes with respect to damage formation. To achieve this bridging of scales between nanoscale investigations on damage mechanisms and damage quantification on the scale of a formed component, this work presents a complementary approach consisting of the characterisation of local plastic properties via nanomechanical experiments, and new methods for automated characterisation and quantification of deformation-induced voids, that has been developed as part of this dissertation, utilising automated SEM imaging and deep neural networks. This dissertation consists of four research publications, three of which are concerned with the characterisation and quantification of emerging microstructural voids and their mechanisms of initiation and evolution in dual-phase steel DP800. A scale-bridging experimental and computational method that spans from automated imaging, void detection and mechanism classification utilising deep neural networks is introduced in publication #1. It therefore presents an approach to gain statistically relevant information about damage incidents and their originating mechanisms in a way that bridges the gap between the microscale mechanism and the global state and quantity of deformation-induced damage on the scale of a formed part. As such a method can be applied to larger scale specimens to quantify damage behaviour, it is used in publication #2 to unravel the effects of the globally applied stress state in a systematic study on the influence of stress triaxiality on damage formation. Due to the large field of view, the previously assumed dependency could be proven for a real, heterogeneous microstructure, in which the evolution of a single void is dominated by the local stress state, exerted by local microstructural properties and morphology. Viewed in the statistically relevant ensemble of voids reached with this new approach, the expected dependency could be visualised. Having applied the approach to such a systematic study, it is applied to a technological forming process in publication #3, namely bending. Here, the effect of reduced triaxiality, due to superposed compressive stresses, on void formation could be proven due to the microscale measurements of single voids on an area large enough to be relevant to the scale of a sheet metal forming process. Publication #4 is thematically concerned with characterising the plasticity of α-manganese sulphide (MnS), by applying the methods of nanoindentation and micropillar compression. As in many steels besides dual-phase steels, foreign phases like inclusions are a major cause for damage formation, the plasticity of such inclusions is of high interest to research and modelling on this mechanism of damage. MnS is a common inclusion phase in many case-hardened steels, which is why the quantitative data on crystal plasticity gathered by this study is a vital addition to the research on how the plasticity of inclusions like MnS effect damage initiation. As a whole, this work presents an approach to quantify deformation-induced damage on all scales, bringing a scientific benefit to the research on damage formation and its mechanisms through its considerably increased efficiency. It is applicable for researchers working on all steps in the chain of development for damage-tolerant materials and processes, and considers all length scales from the fundamentals of plasticity, applicable for crystal-plasticity simulations ultimately simulating the process of damage formation, to the research on the damage mechanisms itself - through its findings on the dominance of damage mechanisms and the observations on stress and strain dependence of initiation and growth. Finally, on the macroscopic scale of formed components, this approach originating from the microscale can be applied to make the quantification of damage in these parts more accurate and representative

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