An improved dislocation density based work hardening model for al-alloys [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Gurla V.S.S. Prasad

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 32
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

AnImprovedDislocation
DensityBasedWorkHardening
ModelforAl-Alloys

VonderFakulta¨tfu¨rGeoressourcenundMaterialtechnik
derRheinisch-Westfa¨lischenTechnischenHochschuleAachen

zurErlangungdesakademischenGradeseines

DoktorsderIngenieurwissenschaften

genehmigteDissertation
vorgelegtvonMasterofScience

GurlaV.S.S.Prasad

ausIndien

Berichter:PDDr.rer.nat.VolkerMohles
Univ.-Prof.Dr.rer.nat.Gu¨nterGottstein

Tagdermu¨ndlichenPru¨fung:16.Februar2007
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonline
verfu¨gbar

Acknowledgements

IthankmyresearchsupervisorProf.rernatGu¨nterGottsteinforhisguid-
anceandencouragementduringtheproject.IamdeeplyindebtedtoPD
Dr.rer.nat.VolkerMohlesforhisinvaluableguidance,friendlynatureand
immensehelpespeciallyinpickingupsomekeyconceptswhichwillhelpme
nowandinmyfutureacademiccareer.

IwouldalsoliketothankSheilaBhaumikandTalalAlSammanfortheir
helpinconductingtheexperiments.IthankDavidBeckersforhelpingme
inthemetallographylabandThomasBurletforsettinguptheequipments
inthemechanicaltestinglab.IwouldliketothankMr.MatthiasLoeck
andSergejLaikofortheirhelpinsettingupmycomputerandperiodically
helpingmesolvesomeproblemsrelatedtocomputations.

Iwouldalsoliketothankmyfriends,Hannelinckens,ArndtZiemons,Luis
Barrales,BashirAhmed,MaheshDogga,DirkKirch,PrantikMukherjee,
SyedBadirujjaman,SatyamSuwas,EsraErdemandallothermembersof
theinstituteformakingmystayatIMMamemorableone.

Dedicated

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Master,

Swarna

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Mother,

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Kalpana

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daugh-

Zusammenfassung

DasAnliegenderaktuellenArbeitistdieEntwicklungeineseinheitlichen
VerfestigungsmodellszurVorhersagedesFliessverhaltensvonAluminium
undseinenLegierungen.EinbesondererVorteildesModells,welcherinder
aktuellenArbeitdargelegtwird,ist,dassderOutputdesModellsdirekt
alsInputfu¨ranschliessendeErholungs-undRekristallationsmodellegenutzt
werdenkann.InVerbindungmitFEM-CodeskanndasModelldazubenutzt
werden,komplexeUmformsimulationenwiedasWalzenauszufu¨hren.Das
gegenwa¨rtigeModellistidealzurEinbindunginGesamtprozessmodellierun-
.negBeidemModellhandeltessichumeinstatistisches,auf
VersetzungsdichtebasiertesVerfestigungsmodell,dasaufunseremheutigen
Versta¨ndnisderMikrostrukturbasiert.AllestatistischenModellewiedas
derzeitigemachenGebrauchvoneinemodermehrerenAnpassungsparame-
tern.EingenaueseinheitlichesVerfestigungsmodellsollteinderLagesein,
Fliesskurvenu¨bereinengrossenBereichanVerformungsbedingungenbei
BenutzungdesselbenSatzesvonAnpassungsparameternzubeschreiben.
Gegenwa¨rtiggibteseineReihevonVerfestigungsmodellen,diedasFliessver-
haltenvonAluminiumundseinenLegierungenbeschreibenko¨nnen.Jedoch
sinddieseModellefastimmeraufsehrengeTemperaturbereichebeschra¨nkt.
InderaktuellenArbeitbemu¨henwiruns,einvereinheitlichtesVerfestigungsmod-
ellzuliefern,umdasplastischeFliessverhaltenvonAluminium(99%Rein-
heit)u¨bereinengrossenBereichanTemperaturenundDehnratenzubeschreiben.

iii

DasKonzeptdesaktuellenModellsbasiertaufdem3IVM(3
InterneVariablenModell)[1].Das3IVMwurdehauptsa¨chlichentwickeltfu¨r
denHochtemperaturBereich.WieinKapitel3gezeigtwird,machtdas3IVM
hervorragendeAnpassungenbeiBeschra¨nkungaufdenHochtemperaturbere-
ich.BeiniedrigenTemperaturen,oderwenneinbreiterTemperaturbere-
ichbetrachtetwird,istdieQualita¨tderAnpassungenjedochnichtausre-
ichend.BeiniedrigenTemperaturenistdieAnwendbarkeitdes3IVMalso
sehrbeschra¨nkt.Das3IVMbetrachtetStufenversetzungenundentsprechend
nurVersetzungskletternalsmo¨glichenErholungsmechanismus.Jedochkann
QuergleitenderdominierendeErholungsprozesssein,besondersbeiniedrigen
Temperaturen.EinweitererMangeldesModellsistdieVernachla¨ssigungder
WechselwirkungbeweglicherVersetzungenmitunbeweglichenVersetzungen.
UnterBeru¨cksichtigungdieserMa¨ngelentwickeltenwirein
verbessertes3-Interne-Variablen-Modell,genannt3IVM+(miteinem+Ze-
ichenzurHervorhebungderVerbesserungen).UnserModellmachtdieAn-
nahmeeinerzellula¨renMikrostruktur[2]undbetrachtetentsprechenddrei
interneZustandsgro¨ssen,a¨hnlichdem3IVM.Das3IVM+verwendeteine
neuartigekinetischeZustandsgleichung,umdieSpannungzuermitteln,die
gebrauchtwird,umdiejeweiligeVerformungsgeschwindigkeitzuerreichen.
Gegenu¨berdem3IVMwurdenverschiedeneneueReaktionenindividueller
VersetzungenundderenEekteaufdieverschiedenenVersetzungspopulatio-
nenberu¨cksichtigt.DiesesModellwirdinKapitel4vorgestellt.
UmdieModellezuvalidieren,wurdenStauchversuchemit
fastreinemAluminium(99,9%Reinheit)u¨bereinenweitenBereichvon
TemperaturenundDehnratendurchgefu¨hrt.DieseexperimentellenErgeb-
nissewerdeninjedemFallmitdenModellanpassungenverglichen,umdie
Qualita¨tderModellezubeurteilen.Wievielestatistische,aufVersetzungs-

vi

dichtebasierendeModellemacht3IVM+GebrauchvonmehrerenAnpas-
sungsparametern,derengenauerWertnichtbekanntist.Deshalbistdiesen
ParameterneinphysikalischsinnvollerWertebereichvorgegeben.EineOp-
timierungstechnikwirdangewendet,umdieParameterwertezuermitteln,
diedieSummederDierenzenzwischenexperimentellenundsimulierten
Fliesskurvenminimieren.MitdemgleichenSatzvonAnpassungsparametern
erfassenwirdaskompletteFliessfeldfu¨reinenBereichanTemperaturenund
Dehnraten.
Dasoriginale3IVMerreichtguteAnpassungen,wennwir
unsaufengeTemperaturbereichebeschra¨nken.DieAnpassungendieses
ModellssindbesondersgutbeihohenTemperaturen.Beirelativniedrigen
TemperaturenistdasModelljedochnichtausreichend.Wenneingrosser
BereichvonTemperaturengewa¨hltwird,erreichtdasModellkeinebrauch-
barenAnpassungen.Hingegenerzeugtdas3IVM+erfolgreichFliesskurven
nichtnurbeihohenundniedrigenTemperaturenseparat,sondernauchu¨ber
einenweitenBereichvonVerformungsbedingungen.
DieArbeitistfolgendermassenaufgebaut.Dieverschiede-
neninderLiteraturverfu¨gbarenVerfestigungsmodelleundihrespeziellen
EigenheitenundBeschra¨nkungenwerdenimLiteraturu¨berblick,Kapitel1,
behandelt.AnschliessendwerdenwirdieexperimentellenErgebnisse,die
SimulationsmethodikunddieOptimierungstechnikinKapitel2diskutieren.
Anschliessendwerdendas3IVMunddas3IVM+jeweilsinKapitel3und
Kapitel4gesondertbehandelt.SchliesslichwerdenwirinKapitel5einen
Ausblickgeben.

v

Abstract

Theobjectiveofthepresentworkistodevelopauniedworkhardening
modeltopredicttheowbehaviourofaluminiumanditsalloys.Aparticular
advantageofthemodelpresentedinthepresentworkisthattheoutput
fromthemodelcandirectlybeusedasinputforsubsequentrecoveryand
recrystallisationmodels.ThismodelinconjunctionwithFEMcodescanbe
usedtomodelthecomplexmetalformingoperationslikerolling.Thepresent
modelisidealtobeincludedinathroughprocessmodel.
Thepresentmodelisastatisticaldislocationdensitybased
workhardeningmodelbasedonourcontemporaryunderstandingofthemi-
crostrucature.Allthestatisticalmodelslikethepresentonemakeuseof
oneormoretparameters.Atrulyuniedworkhardeningmodelshouldbe
abletotowcurvesoveracompletedeformationconditionsrangeusing
thesamesetofttingparameters.Therearemanyworkhardeningmodels
availabletodayformodelingtheowbehaviourofAluminiumanditsalloys.
However,thesemodelsalmostalwaysrestrictthemselvestoverynarrowtem-
peratureranges.Inthepresentworkweendevourtoprovideauniedwork
hardeningmodel,todescribetheplasticowbehaviourofaluminium(99.9%
purity)overawiderangeoftemperaturesandstrainrates.
Theconceptsinthepresentmodelsareinspiredfromthe
3IVM(3internalvariablesmodel)[1].The3IVMwasdevelopedmainlyfor
thehightemperaturerange.Aswillbedemonstratedinchapter3the3IVM
makesexcellenttswhenconnedtoahightemperaturerange.Atlowtem-

vi

peraturesorwhenawidetemperaturerangeisconsideredthetsarenot
satisfactory.Ithaslimitedcapabilityatlowtemperatures.The3IVMconsid-
ersedgedislocations,andhenceonlydislocationclimbasapossiblerecovery
mechanism.However,crossslipcanbetherulingrecoveryprocessespecially
atlowtemperatures.Anothershortcomingofthemodelistheneglectionof
theinteractionofmobiledislocationswithimmobiledislocations.
Keepingthesede