Projektbereich C: Modellierung

Teilprojekt C10:

Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Eigenschaften von austenitischen TRIP/TWIP-Stählen unter Berücksichtigung von Textureffekten

 

Inhalt

Das zentrale Ziel des TP C10 ist die Etablierung eines Modellierungswerkzeugs, welches die Anisotropie des Materialverhaltens der TRIP/TWIP-Stahl-Matrixphase längenskalenübergreifend unter beliebiger thermomechanischer Belastung abbildet. Auf der Einkristall- bzw. Kornebene werden sowohl die elastische Anisotropie, als auch die Orientierungsabhängigkeit der inelastischen Eigenschaften berücksichtigt. Das effektive Antwortverhalten des mehrkörnigen Werkstoffes wird durch Finite-Elemente-Simulationen der ortsaufgelösten Kornstruktur auf der Makroskala (Oligokristall) bzw. durch eine direkte numerische Homogenisierung mit Rechnungen am repräsentativen Volumenelement (Polykristall) vorhergesagt. Dieses Vorgehen ermöglicht auch die Berücksichtigung von Textur-, Einschlussphasen- sowie Korngrenzeneffekten. Das TP C10 stellt somit das werkstoffmechanische Bindeglied zwischen den im TP C5 entwickelten rein makroskopischen Modellen und den im TP C9 geplanten Mikroskalenmodellen sowie den in den TP B2 und B5 experimentell untersuchten und analytisch beschriebenen Werkstoffeigenschaften her.

Ausgangspunkt für die Modellentwicklung ist ein Mehrskalenmodell für Austenit-Martensit-Phasentransformationen im Einkristall, welches auf einer thermodynamisch konsistenten Theorie finiter Deformationen aufbaut und die Transformationssysteme der diffusionslosen Phasenumwandlung explizit berücksichtigt. Bei dem geplanten Modellierungsansatz wird die Mikrostruktur nicht räumlich aufgelöst, der Einfluss der einzelnen Phasenbeiträge auf das effektive Einkristall-Verhalten wird vielmehr über angemessene Homogenisierungskonzepte berücksichtigt. Neben der theoretischen Modellbildung steht auch deren algorithmische Umsetzung und FE-Implementierung im Fokus, für welche die User-Material-Schnittstelle in ABAQUS genutzt wird. In einem zweiten Entwicklungsschritt erfolgt die Berücksichtigung plastischer Deformationen, deren Wechselwirkung mit der Austenit-Martensit-Phasentransformation die technologisch attraktiven TRIP/TWIP-Stahl-Eigenschaften erst ermöglicht. Diese Erweiterung soll zunächst rein phänomenologisch, dann durch die explizite Berücksichtigung plastischer Gleitsysteme erfolgen. Hierbei stellt die Formulierung adäquater Vererbungsregeln — d. h. die Frage, welche mikrostrukturellen Eigenschaften (Versetzungen) der Ausgangsphase in die Produktphase übergehen — einen wichtigen neuen Beitrag dar, der auch mit Hilfe von ortsaufgelösten Mikroskalen-Simulationen des TP C9 erforscht werden soll. Numerisch wird die erforderliche Einhaltung der zahlreichen Ungleichheitsnebenbedingungen (Kuhn-Tucker-Bedingungen der Phasenumwandlung und Plastizität, Beschränkungen der Volumenfraktionen, ...) durch eine Komplimentaritätsfunktionen-Methode umgesetzt.

Als Vergleichswerkstoff dient der Stahl CrMnNi 16-7-6, der sowohl TRIP- als auch TWIP-Effekte aufweist. Zur Kalibrierung des Modells werden die lokalen Eigenschaften der einzelnen Phasen benötigt, welche in mehreren Kooperation mit dem Projektbereich B experimentell bestimmt werden (Pico-Indentation im REM, TEM- und Röntgenbeugungsversuche). Um die angestrebte quantitative Vorhersagegenauigkeit des entwickelten Modells zu erreichen, ist außerdem vorgesehen, experimentelle Validierungen des Mehrskalen-Modells auf Einkristall-, Vielkristall- und Polykristallebene durchzuführen. Zur Charakterisierung der Mikro-und Mesostruktur-Entwicklung stehen im SFB u. a. (Mikro-)Digital-Image-Correlation- und Interrupted-Monitoring-Verformungsversuche (mit EBSD und ECCI) zur Verfügung, die in situ im Licht- oder Rasterelektronen-Mikroskop durchgeführt werden können.

 

Wissenschaftliches Poster

 

Die wichtigsten Publikationen

S. Prüger, B. Kiefer (2019) On the robustness of stress integration algorithms for finite single crystal (visco)‐plasticity. Proc. Appl. Math. Mech., 19: e201900129, DOI:10.1002/pamm.201900129

S. Prüger, B. Kiefer (2020) A comparative study of integration algorithms for finite single crystal (visco-)plasticity, International Journal of Mechanical Sciences, 180, pp. 1-47, DOI:10.1016/j.ijmecsci.2020.105740

S. Prüger, B. Kiefer (2020) Towards the Crystal Plasticity based Modeling of TRIP-Steels – From Material Point to Structural Simulations, In: Biermann H., Aneziris, C. (eds) Austenitic TRIP/TWIP Steels and Steel-Zirconia Composites, pp. 793-823, Springer

F. Qayyum, S. Guk, S. Prüger, M. Schmidt, I. Saenko, B. Kiefer, R. Kawalla, U. Prahl (2020) Investigating the Local Deformation and Transformation Behavior of Sintered X3CrMnNi16-7-6 TRIP Steel Using a Tuned Crystal Plasticity-Based Numerical Simulation Model, Zeitschrift für Metallkunde: International Journal of Materials Research, 111-5, pp. 392-404, DOI: 10.3139/146.111900