Introduction of multiple slip systems for anisotropic microstructure modelling in FEM-framework

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.