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Introduction of multiple slip systems for anisotropic microstructure modelling in FEM-framework
Leo Schwarzmeier
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Claas Abert
DOI
10.25365/thesis.78459
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19688.81496.828082-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die innere Struktur eines Metalls ist das Ergebnis der durchlaufenen Prozesse und hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften eines Werkstoffes. Die Vorhersage der Mikrostruktur mithilfe von Umformsimulationen kann helfen, industrielle Prozessparameter anzupassen, um anwendungsfreundliche Materialeigenschaften zu erhalten. Da die Mikrostrukturentwicklung jedoch von der Temperatur, der Dehnung und der Dehnungsrate abhängt, kann sie bei großen Verformungen selbst bei einer isotropen Legierungszusammensetzung an Stellen unterschiedlicher Dehnungsraten variieren. Teilweise ist dies der Fall, weil die Verformung zu einer Erhöhung der Wärmeenergie im Kristallsystem führt, welche wiederum die Energieschwelle für eine Gleitsystemaktivierung senken kann. Die vorliegende Arbeit erklärt die physikalischen Effekte plastischer Verformung in polykristallinen Metallen isotroper chemischer Zusammensetzung und wendet einen mehrskaligen Simulationsansatz an, der die Mikrostrukturentwicklung über das Visco-Plastic Self-Consistent (VPSC)-Mittelfeldmodell für Textursimulationen mit einer kommerziellen Finite Element Method (FEM)-Software koppelt. Diese Methode ist weniger rechenaufwendig als typische Kristallplastizitäts-, eng. crystal plasticity (CP), CPFEM-Modelle und ermöglicht die Simulation industrierelevanter Metallumformungsprozesse zusammen mit ihrer Mikrostruktur. Über ein Optimierungsmodell werden die 4 Parameter pro Gleitsystem des erweiterten Voce’schen Verfestigungsgesetzes für eine EN AW-5754 (AlMg3) Legierung bei mehreren konstant gehaltenen Temperaturen bestimmt, indem Zugversuche simuliert und mit gemessenen Kraft-Weg-Kurven verglichen werden. Weiters wird eine Methode zur Abschätzung der Gleitsystemaktivierung bei Temperaturänderung vorgestellt. Das makroskopische Materialverhalten der untersuchten Legierung wurde durch das Anpassen der Verfestigungsparameter des Mikrostrukturmodells in gute Übereinstimmung mit den Messungen konstanter Temperatur gebracht. Das Ziel, ein Modell für die Simulation temperaturabhängiger industrieller Umformprozesse zu entwickeln, welches von nur wenigen, einfach zu bestimmenden Materialparametern abhängt, wurde erreicht und anhand experimenteller Ergebnisse evaluiert.
Abstract
(Englisch)
The history of a metal’s handling is imprinted on the material, due to the microstructure evolution happening inside, which is known to influence its macroscopic mechanical properties. Predicting the microstructure using forming simulations can help to adjust industrial process parameters to obtain application favourable material properties. However, due to the development of the microstructure being temperature, strain and strain-rate dependent, its evolution might vary at points of different strain rates during large deformations, even within an isotropic alloy composition. This is partly the case because the deformation leads to an increase in thermal energy in the crystal system, which in turn can lower the energy threshold for slip system activation. The presented work explains the physical effects of plastic deformation in polycrystalline metals of isotropic chemical composition and applies a multiscale simulation approach, that couples the evolution of the microstructure via the Visco-Plastic Self-Consistent (VPSC) mean-field model for texture simulations to a commercial Finite Element Method (FEM) software. This method is computationally less expensive than typical crystal plasticity (CP)FEM-models and allows simulating industrial scale metal forming processes together with the developing microstructure. An optimization model is used to determine the 4 parameters per slip mode of the extended Voce hardening law, which is done for an industrial EN AW-5754 (AlMg3) alloy at several constant temperatures by simulating tensile tests and comparing them with measured force-displacement curves. Furthermore, a method for estimating the slip system activation with temperature change is presented. The macroscopic material behaviour of the investigated alloy was brought into good agreement with the measurements of forces at constant temperatures by adjusting the hardening parameters of the microstructure model. The aim of developing a model for simulating temperature dependent industrial metal forming processes that depends on only a few, easily determined material parameters was achieved and evaluated against experimental results.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kristallplastizität Finite Elemente Gleitsysteme Aluminium Mikrostruktur VPSC
Schlagwörter
(Englisch)
crystal plasticity finite elements slip systems aluminium microstructure VPSC
Autor*innen
Leo Schwarzmeier 
Haupttitel (Englisch)
Introduction of multiple slip systems for anisotropic microstructure modelling in FEM-framework
Paralleltitel (Deutsch)
Berücksichtigung mehrerer Gleitsysteme für Mikrostrukturmodellierungen in einem FEM-Simulationsmodell
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xii, 76 Seiten
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Claas Abert
Klassifikationen
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,
33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften. akustische Eigenschaften. thermische Eigenschaften
AC Nummer
AC17537007
Utheses ID
75636
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |