A thermodynamically consistent tensorial framework for strain induced damage and its application to the modeling of metal forming processes
Final Report Abstract
Hauptziel der Projektverlängerung war die Simulation des plastischen Metall-Umformprozesses mit Voraussage deformationsbedingter Schädigungen. Die Realisierung dieses Ziels und die Lösung der damit zusammenhängenden wissenschaftlichen Aufgaben beruhen auf dem modernen Stand der Schädigungsmechanik plastisch deformierbarer Metalle und auf vorangegangenen Arbeiten der Autoren zur Entwicklung einer thermodynamisch konsistenten tensoriellen Theorie der plastischen Schädigung. Gelöst wurden als wissenschaftliche Aufgaben: a) die experimentelle Erforschung und Simulation der Schädigung in den Prozessen in stufenweisen plastischen Deformationsprozessen mit rekristallisierendem, heilendem Zwischenglühen; b) die Simulation der nichtstationären plastischen Umformprozesse mit Prognostizierung der deformationsbedingten Schädigung. Die wissenschaftlichen Ergebnisse bestehen in Folgendem: a) Experimentelle Erforschung und Simulation der äquivalenten Schädigung (mit Berücksichtigung der Veränderungen sowohl des Umfanges als auch der Form der Defekte) in stufenweisen plastischen Deformationsprozessen mit Zwischenglühen für eine Reihe von gängigen Konstruktionsmetallen (Stahl, AlMg3, Kupfer) einschließlich Prognostizierung der Deformationsschädigung des Materials beim stufenweisen Tiefziehen; b) Aufstellung von experimentellen 3D-Flächendiagrammen der maximalen plastischen Umformung (Bruchdeformation) für die untersuchten Materialien und Simulation der indirekten Extrusion (instationärer Prozess) mit Nutzung des 3D-Flächendiagramms. Die meisten Schwierigkeiten ergaben sich bei der experimentellen Bestimmung der 3D-Flächendiagramme der Bruchdeformation. Diese Schwierigkeiten wurden durch zusätzliche Nutzung von veröffentlichten experimentellen Ergebnissen anderer Autoren überwunden. Festgestellt wurde der quantitative Einfluss des Zwischenglühens auf die Bruchdeformation der Proben. Hierbei hat die SEM-Analyse gezeigt, dass das rekristallisierende Glühen Großporen und große Fehlstellen, die sich durch Zusammenschluss von Voids (Koaleszenz) bildeten, nicht vollständig heilt. Dies führt zu einer bleibenden Schädigung. Hieraus ergibt sich die Forderung, dass das Stadium der aktiven Void-Koaleszenz bei Umformprozessen mit großen plastischen Deformationen vermieden werden muss. Es wurde festgestellt, dass die Nutzung einer Tiefziehmatrix mit einem Arbeitswinkel von 12° – 13° zu einer beachtlichen Absenkung der Spannungsmehrachsigkeit ST bis hin zu negativen Werten führt – im Unterschied zur Verwendung einer Matrix mit großem Arbeitswinkel von 15° – 18°. Erreicht wird so eine gleichmäßigerer Anstieg der Schädigung und allgemein die Absenkung des Schädigungsniveaus des fertigen Bauteils. Überdies wird das Stadium der Void-Kolaeszenz vollständig vermieden, was für die Herstellung von hoch- und höchstbelasteten Metallbauteilen eine wesentliche Bedingung ist. Die erzielten Ergebnisse sind also von praktischer Bedeutung und können bei der Projektierung von mehrstufigen Umformprozessen verwendet werden. Die durchgeführten Simulationen des Tiefziehprozesses und der indirekten Extrusion unter Nutzung des tensoriellen Schädigungsmodells gestatten Rückschlüsse auf den möglichen ökonomischen Nutzen der Projektergebnisse hinsichtlich deren Nutzung für die Entwicklung und Simulation von Herstellungsprozessen für hochund höchstbelastete Metallbauteile. Tensorielle Maße der plastischen Schädigung sind sehr nützlich für die Einschätzung der Qualität der Mesostruktur von Metallbauteilen, die durch plastisch umformenden Druck hergestellt werden. Eine hochqualitative Materialstruktur erhöht die Fähigkeit des Bauteils wesentlich, dynamische Stoßbelastungen und Wechselbeanspruchungen zu ertragen. Derartige Erzeugnisse und Bauteile werden u. a. in der Raumfahrttechnik, im Kraftfahrzeugbau und im Energiemaschinenbau verwendet.
Publications
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2012. Strain induced damage of ductile materials under compression. PAMM 12, 137–138
Zapara, M. A., Tutyshkin, N. D., Müller, W. H., Wille, R.
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2013. Growth and closure of voids in metals at negative stress triaxialities. Key Engineering Materials 554–557, 1125–1132
Zapara, M. A., Tutyshkin, N. D., Müller, W. H.
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Strain-induced damage of metals under large plastic deformation: theoretical framework and experiments. Int. J. Plasticity, Volume 59, August 2014, Pages 133-151
Tutyshkin, N. D., Müller, W. H., Wille, R., Zapara, M.
