Microstructure modeling guided design of high-strength steels

Liu, Wenqi; Lian, Junhe; Bleck, Wolfgang; Münstermann, Sebastian

doi:HT021397927

Microstructure modeling guided design of high-strength steels

Liu, Wenqi^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Wenqi Liu, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Lian, Junhe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05871
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/848229/files/848229.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FEM simulation (frei) ; crash box (frei) ; crashworthiness (frei) ; crystal plasticity (frei) ; damage mechanism (frei) ; dimple fracture (frei) ; dual-phase steel (frei) ; ductile fracture model (frei) ; dynamic strain aging effect (frei) ; lode angle (frei) ; material design (frei) ; micromechanical modeling (frei) ; microstructure (frei) ; microstructure sensitivity (frei) ; nanoindentation (frei) ; representative volume element (frei) ; shear fracture (frei) ; stress triaxiality (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Mikrostruktur von Stählen entscheidet über deren mechanische Eigenschaften. Folglich gilt das Mikrostrukturdesign als Schlüsselfaktor für die Entwicklung moderner Stähle, insbesondere der modernen hochfesten Stähle. Um die mechanischen Eigenschaften und die Wettbewerbsfähigkeit neu entwickelter Stähle zu verbessern, wurden bewährte einheitliche Strategien wie die Korngrößenverfeinerung mehr oder weniger vollständig ausgeschöpft, und das konventionelle Verständnis der Beziehung zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften ist aufgrund der immer komplexeren Mikrostruktur möglicherweise nicht mehr zulässig. Darüber hinaus kann die Kombination und das Gleichgewicht zwischen verschiedenen Eigenschaftsprofilen notwendig sein, um die strukturelle Leistung für den Endnutzer zu optimieren. Daher sind neue, zuverlässige und effiziente Ansätze für das Materialdesign auf der Grundlage des Top-Bottom-Ansatzes erforderlich. In dieser Studie wird ein computergestütztes Simulations-Toolkit für das leistungsorientierte, mikrostrukturbasierte, hochfeste und schadenstolerante Materialdesign im Rahmen des Integrated Computational Materials Engineering (ICME) entwickelt. Das allgemeine Konzept des Design-Toolkits besteht darin, dass mit makromechanischen Modellen die angestrebte Bauteilleistung in die erforderlichen mechanischen Eigenschaftsprofile umgewandelt werden kann und anschließend mit mikromechanischen Modellen die maßgeschneiderte Mikrostruktur für die gewünschten mechanischen Eigenschaftsprofile ermittelt werden kann. Die Erstellung des Design-Toolkits umfasst die Auswahl und Entwicklung einzelner Mechanikmodelle sowie die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Modellen. Für den Aufbau des Simulationsbaukastens wird ein anschauliches Beispiel für das Mikrostrukturdesign von Dualphasenstahl (DP) für Crashboxen in der Automobilindustrie gewählt. Für diese spezifische Anwendung mit einer DP1000-Stahlsorte werden individuelle experimentelle und numerische Ansätze entwickelt und entsprechend validiert. Die Charakterisierung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften einschließlich der Schädigungsmechanismen und des Bauteilverhaltens des Referenzstahls DP1000 wurden untersucht, um die Auswahl, Entwicklung und Parameterkalibrierung der einzelnen Modelle zu unterstützen. Das erweiterte modifizierte Bai-Wierzbicki Schadensmechanikmodell, welches Temperatur, Dehnungsrate und Spannungszustand einbezieht, wurde eingesetzt, um einen Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Bauteilleistung zu erzeugen. Die fein aufgelösten, statistisch repräsentativen Volumenelemente, die auf dem vorgeschlagenen Kriterium zur Bewertung der Repräsentativität der Mikrostruktur basieren, wurden als künstliche Materialien erzeugt. Sowohl Kristallplastizität als auch versetzungsbasierte Plastizitätsmodelle wurden verwendet, um die Mikrostruktur mit den mechanischen Eigenschaften zu verbinden. Für jeden Modellierungsansatz wurden detaillierte Verfahren zur Parameterkalibrierung entwickelt. Mit dem auf Makro- und Mikroebene aufgebauten virtuellen Labor wurden parametrische Studien durchgeführt, um den Einfluss der Eingangsfaktoren auf die Ausgangsleistung und -eigenschaften auf der Grundlage eines quantitativen Sensitivitätsparameters zu bewerten, die erforderlichen Eigenschaftsprofile zu ermitteln und die gewünschte Mikrostruktur abzuleiten. Die gewünschten Gefügeeigenschaften können bei der anschließenden Produktionsvalidierung aufgrund der Einschränkungen bei realen Prozessverfahren nur teilweise erreicht werden. Dennoch hat die Leistungsfähigkeit des Tailored-DP-Materials, vor allem in Bezug auf die dissipierte Energie bei Crashtests, das gesteckte Ziel erreicht. Darüber hinaus wurden auf der Grundlage der Mikrostruktur- und Eigenschaftscharakterisierung mehrere wichtige Schlussfolgerungen aus dem Simulations-Toolkit durch die Produktionsvalidierung bestätigt. Das Konzept des Toolkits für das computergestützte mikrostrukturgeführte Materialdesign ist vielversprechend und könnte mit gewissen Modifikationen an einzelnen Modellen auf andere Anwendungsfälle ausgeweitet werden. Ein Ausblick auf Herausforderungen und mögliche Lösungen für die zukünftige Modellentwicklung im Rahmen von ICME wurde ebenfalls diskutiert.

The microstructure of steels determines their mechanical property profiles. Consequently, microstructure design has been understood to be the key factor for the development of modern steels, in particular, the advanced high strength steels. However, for the improvement of the mechanical property and competitiveness of newly developed steels, well-established unitary strategies like grain size refinement have been more or less fully exploited, and the conventional understanding of the microstructure and property relationship might be not reliable anymore due to the more and more complex microstructure. Besides, the combination and balance between varying property profiles might be necessary to optimize the end-user structural performance. Therefore, new, reliable, and efficient material design approaches are demanded based on the top-bottom approaches. A computer-assisted simulation toolkit for the performance-oriented microstructure-based high-strength damage-tolerant material design is developed in this study in the integrated computational materials engineering (ICME) framework. The general concept of the design toolkit is that with macromechanics models, the targeted component performance can be transformed to the required mechanical property profiles, then with micromechanics models, the tailored microstructure can be identified for the desired mechanical property profiles. The generation of the design toolkit includes the selection and development of individual mechanics models as well as the communication between different models. A demonstrative example of microstructure design of dual-phase (DP) steel for crash boxes in the automotive industry is chosen to build up the simulation toolkit. Individually experimental and numerical approaches are developed and validated correspondingly to this specific application with a DP1000 steel grade. The characterization of microstructure, mechanical properties including damage mechanisms, and component performance of the reference steel DP1000 have been investigated to support the selection, development, and parameter calibration of individual models. The extended modified Bai–Wierzbicki damage mechanics model involving temperature, strain rate, and stress state has been employed to bridge the mechanical property and component performance. The fine-resolution statistically representative volume elements based on the proposed microstructure representativeness assessment criterion have been generated as artificial materials. Both crystal plasticity and dislocation-based plasticity models have been utilized to connect the microstructure with mechanical properties. Detailed parameter calibration procedures have been developed for each modeling approach. With the constructed virtual laboratory on both macro and microscales, parametric studies have been carried out to evaluate the influence of input factors on output performance and properties based on a quantitative sensitivity parameter, and further identify the required property profiles and derive the desired microstructure. The delivered microstructural features can only be partially achieved in the followed production validation due to the restrictions in realistic process procedures. Although, the performance mainly in terms of the dissipated energy during crash testing of the tailored-DP material has reached the pre-defined target. Besides, based on the microstructure and property characterization, several main conclusions from the simulation toolkit have been supported by the production validation. The concept of the toolkit for the computer-assisted microstructure-guide material design approach is promising and could be extended to other application cases with certain modifications on individual models. The outlooks on challenges and possible solutions in future model development within the ICME framework have been discussed as well.

OpenAccess:
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