http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png

Scale-bridging investigation into edge cracking of multiphase steels

Habibi, Niloufar^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Niloufar Habibi, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07145
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/990110/files/990110.pdf

Einrichtungen

1. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)
2. Lehrstuhl für Werkstoffmodellierung in der Umformtechnik (522520 ; 522510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Kantenrissbildung ist eine der größten Herausforderungen bei der Anwendung von Dualphasen-Stahlblechen (DP). Sie schränkt nicht nur die Umformbarkeit an den Bauteilkanten während des Umformprozesses ein, sondern kann auch nicht durch die konventionellen Umformgrenzen antizipiert werden, so dass die Gestaltung eines erfolgreichen Umformprozesses nur durch Trail-and-error möglich ist. Um dieses Problem zu überwinden, ist ein gründliches Verständnis dieses Phänomens erforderlich. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit eine skalenübergreifende Untersuchung durchgeführt, um die Gründe für die Kantenrisse zu untersuchen, wie z. B. Materialeigenschaften, Kantenqualität und Kantenumformverfahren. Alle diese Gründe können jedoch als Schädigungsentwicklung im Material unter den angewandten komplizierten Verformungsbedingungen zusammengefasst werden. Für die Makroskala-Studie wurde ein phänomenologisches ungekoppeltes Schädigungskriterium zusammen mit einem kinematischen Verfestigungsmodell entwickelt, um das Plastizitäts- und Bruchverhalten der untersuchten Stähle zu beschreiben. Um ein breites Spektrum an Spannungszuständen abzudecken, wurden verschiedene Experimente konzipiert, die überwiegend proportional belastet wurden. Für die Mesoskala wurde das Tresca-Versagensmodell mit maximaler Scherspannung angewandt, um die Schädigungsinitierung in den erzeugten repräsentativen Volumenelementen (RVEs) vorherzusagen. Diese RVEs wurden entsprechend den tatsächlichen mikrostrukturellen Merkmalen wie Korngröße, Phasenanteil und Textur sowie den mechanischen Eigenschaften der einzelnen Phasen konstruiert, die mithilfe von Nanoindentation und einem invers kalibrierten Kristallplastizitätsmodell abgeleitet wurden. Die Ergebnisse beider Skalen zeigten, dass sich die Verformung homogener über das gesamte Material verteilt, wenn die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der Ferrit- und Martensitphasen in einem DP-Stahl ähnlich sind. Dies führt zu einer Erhöhung der lokalen Verformbarkeit, einer Verzögerung der Schädigungsinitierung und folglich zu einer Verringerung der Kantenrissempfindlichkeit. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Daten verfügbarer experimenteller Methoden zur Bewertung der Kantenrisse bei komplexen Kantenumformprozessen nicht direkt verwendet werden können. Beim Lochaufweitungsversuch (HET) treten an verschiedenen Stellen der Probe unterschiedliche Spannungszustände auf, was dazu führen kann, dass der Riss auch weit entfernt von den Kanten beginnt. Das EFTT-verfahren könnte sich für den Vergleich der Kantenrissbeständigkeit verschiedener Werkstoffe eignen, berücksichtigt jedoch nur einen Spannungszustand an der Kante. Die Finite-Elemente-Modellierung der Kantenherstellung und des anschließenden Kantenverformungsprozesses in Verbindung mit einem geeigneten Plastizitäts-Schadensmodell wurde als vielversprechende Methode zur Untersuchung der Kantenrisse in verschiedenen Materialien und Verformungsprozessen beschrieben.

Edge cracking is one of the main challenges in widespread applications of dual-phase (DP) steel sheets. It does not only restrict the formability at component edges during forming processes but also cannot be anticipated by the conventional forming limits, which makes the design of a successful forming process possible only by trial and error approaches. To overcome this issue, a thorough understanding of this phenomenon is required. Therefore, a scale-bridging investigation was conducted in the present dissertation to study the potential reasons for edge cracking, such as materials properties, edge quality, and edge forming processes. However, all these reasons could be summed up as damage evolution in the material throughout the applied complicated deformation condition. For the macro-scale study, a phenomenological uncoupled damage criterion along with a kinematic hardening model was developed to describe the plasticity and fracture behavior of the examined steels. To cover a wide range of stress states, various experiments were designed, which underwent mostly proportional loading. For the meso-scale, Tresca fracture model, maximum shear stress, was applied to predict the damage initiation in the generated representative volume elements (RVEs). These RVEs were constructed according to the actual microstructural features, like grain size, phase fraction, and texture, as well as mechanical properties of individual phases, which were derived using nano-indentation and an inversely calibrated crystal plasticity model. The results of both scales showed that when microstructural and mechanical properties of the ferrite and martensite phases are more similar in a DP steel, the deformation is distributed more homogenously throughout the material, which leads the local formability to increase, damage initiation to be retarded, and consequently edge cracking sensitivity to decrease. Moreover, it was revealed that the data of available experimental methods for edge cracking evaluation cannot be directly used in complex edge forming processes. The hole expansion test (HET) applies distinct stress states at different locations on the specimen, which could cause crack initiation was even far from the edges. Edge-fracture-tensile testing (EFTT) method could be successful for the comparison of edge crack resistance between different materials, however it considers only one stress state at the edge. While finite element modeling of edge manufacturing and the subsequent edge deforming process along with a proper plasticity-damage model was reported as a promising method for investigation of edge cracking in different materials and deformation processes.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030813565

Interne Identnummern
RWTH-2024-07145
Datensatz-ID: 990110

Beteiligte Länder
Germany