Microscopic and Macroscopic Analysis of the anelastic behavior of steel with regard to springback prediction
Final Report Abstract
Es hat sich gezeigt, dass das tatsächliche elastisch-plastische Materialverhalten von klassischen Materialtheorien abweicht. Dabei handelt es sich um den Elastizitätsmodul, der nicht wie ursprünglich angenommen konstant ist, sondern mit zunehmender plastischer Formänderung abnimmt. Außerdem ist dessen Bestimmungsmethode abhängig vom Fließbeginn des Materials, welcher wiederum bei stetigem elastisch-plastischen Übergang nicht eindeutig bestimm werden kann. Der abnehmende E-Modul und das nichtlineare elastische Verhalten, vor allem bei Entlastung, wird auf anelastische Dehnung zurückgeführt. Als Gründe dafür werden mikrostrukturelle Vorgänge genannt, welche aber noch nicht nachgewiesen konnten. In diesem Forschungsprojekt wurden diese elastisch-plastischen Charakteristiken industrieller Stähle mikrostrukturell mittels Synchrotronbeugungsversuchen analysiert. Auf diese Weise konnte das mikrostrukturelle Verhalten mit dem makroskopischen Verhalten korreliert werden. Zur eindeutigen und physikalisch begründeten Bestimmung des Fließbeginns wurde der thermoelastische Effekt innerhalb dieser Forschungsarbeit umfangreich untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Temperaturminimum, das aufgrund des thermoelastischen Effekts und der Erwärmung durch plastische Formänderung auftritt, präzise und robust messbar ist. Außerdem konnte das Temperaturminimum mit dem mikrostrukturellen plastischen Fließbeginn korreliert werden. So war es möglich eine neue temperaturbasierte Bestimmungsmethode des Fließbeginns und des E-Moduls für die Materialcharakterisierung zu qualifizieren. Dafür wurden Gitterdehnungen für fünf Gitterebenen ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die Gitterebenen aufgrund unterschiedlicher Steifigkeiten nacheinander zu plastifizieren beginnen. Dies ist im Wesentlichen die Ursache für den stetigen elastisch-plastischen Übergang. Auf Basis dieser Auswertung war es möglich die temperaturbasierten Parameter für den Fließbeginn YS0 und YSTmin dem mikrostrukturellen Verhalten zuzuordnen. Der Spannungswert YS0 gab dabei den Zeitpunkt der Plastifizierung der ersten Gitterebene wieder. Bei YSTmin waren allen Gitterebenen plastifiziert. Das bestätigte bestehende Hypothesen und zeigte den genauen Zusammenhang des Temperaturminimums mit dem Fließbeginn auf. Durch die Auswertung der Versetzungsdichte konnte dieses Ergebnis mit einer weiteren mikrostrukturellen Größe bestätigt werden. Der Mehrwert der Parameter wurde anhand eines Ein-Element-Tests deutlich gemacht. Dazu wurden die Parameter in einem weit verbreiteten Verfestigungsmodell verwendet. Darüber hinaus war ein Ziel der Arbeit mehr Materialverständnis in Hinblick auf die elastischplastischen Phänomene aufzubauen. Dazu wurden ein einphasiger Umformstahl und ein hochfester Dualphasenstahl makroskopisch analysiert und deren anelastisches Verhalten gegenübergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der anelastische Anteil bei Entlastung des DP-Stahls deutlich ausgeprägter ist als beim rein ferritischen Stahl. Bei in-situ Untersuchung eines DP-Stahls ist das Problem, dass Martensit und Ferrit aufgrund der ähnlichen Gitterstruktur nur sehr schwierig separat voneinander auszuwerten sind. Innerhalb dieses Forschungsprojekts ist es auf Basis der Erkenntnisse mit dem einphasigen Material gelungen, eine Auswertemethodik für DP-Stahl zu entwickeln. Das heißt Gitterdehnungen und Phasenspannungen konnten für eine Gitterebene separat für Martensit und Ferrit ausgewertet werden. So konnte nachgewiesen werden, dass das härtere Martensit das Ferrit bei Entlastung zusammendrückt. Es kommt zu zunehmenden Interphasenspannungen, deren Verlauf bei zunehmender Formänderung mit dem Verlauf der Anelastizität übereinstimmt. Für zukünftige Forschungsarbeiten ist es notwendig die mikrostrukutrelle Auswertung des DP-Stahls für Beugungsversuche weiterzuentwickeln, so dass mehrere Gitterebenen und Versetzungsdichten ausgewertet werden können. So ist eine noch ganzheitlichere Analyse der Anelastizität möglich. Dies Ergebnisse in dieser Arbeit wurde in mehreren Journal- und Konferenzbeiträgen veröffentlicht.
Publications
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Experimental Investigation of Factors Influencing the Determination of the Onset of Yielding by Temperature Measurement. Key Engineering Materials, 926 (2022, 7, 22), 1021-1029.
Vitzthum, Simon; Gruber, Maximilian; Rebelo-Kornmeier, Joana; Hofmann, Michael & Volk, Wolfram
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Failure behaviour of various pre-formed steel sheets with respect to the mechanical grain boundary properties. International Journal of Material Forming, 15(4).
Norz, Roman; Vitzthum, Simon & Volk, Wolfram
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In-situ analysis of the elastic-plastic characteristics of high strength dual-phase steel. Materials Science and Engineering: A, 857 (2022, 11), 144097.
Vitzthum, Simon; Kornmeier, Joana Rebelo; Hofmann, Michael; Gruber, Maximilian; Norz, Roman; Maawad, Emad; Mendiguren, Joseba & Volk, Wolfram
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In-situ analysis of the thermoelastic effect and its relation to the onset of yielding of low carbon steel. Materials & Design, 219, 110753.
Vitzthum, Simon; Rebelo, Kornmeier Joana; Hofmann, Michael; Gruber, Maximilian; Maawad, Emad; Batista, António C.; Hartmann, Christoph & Volk, Wolfram
