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Investigating and modeling the effect of metal forming-related measures for damage-controlled hot forming
Untersuchung und Modellierung der Wirkung umformtechnischer Maßnahmen der schädigungskontrollierten Warmumformung
- Within the process chains of the semi-finished production, hot forming is used to eliminate pores and voids from the casting process under compressive stresses and to adjust the microstructure for further processing. In the case of caliber rolling process, tensile stresses occur at certain roll gap ratios which promote void formation (damage) on non-metallic inclusion. Decohesion of matrix and inclusion in void formation is determined by local flow stress. Since the process is carried out above recrystallization temperature, damage cannot only be controlled through stress state (stress triaxiality and Lode parameter) but also the softening processes like dynamic recovery (DRV) and recrystallization (DRX) which can relieve local stresses. Such processes can be used to delay or prevent the damage initiation and growth and hence the mechanical properties of components can be improved. In spite of this, the influence of DRX on damage development has not been quantified so far.
This study focuses on the understanding the interactionWithin the process chains of the semi-finished production, hot forming is used to eliminate pores and voids from the casting process under compressive stresses and to adjust the microstructure for further processing. In the case of caliber rolling process, tensile stresses occur at certain roll gap ratios which promote void formation (damage) on non-metallic inclusion. Decohesion of matrix and inclusion in void formation is determined by local flow stress. Since the process is carried out above recrystallization temperature, damage cannot only be controlled through stress state (stress triaxiality and Lode parameter) but also the softening processes like dynamic recovery (DRV) and recrystallization (DRX) which can relieve local stresses. Such processes can be used to delay or prevent the damage initiation and growth and hence the mechanical properties of components can be improved. In spite of this, the influence of DRX on damage development has not been quantified so far.
This study focuses on the understanding the interaction between softening processes and damage during hot forming and to derive a model for coupled microstructure and damage evolution. For precise damage modeling, in-depth damage characterization of the specimens deformed during hot tensile tests under different stress states and deformation conditions (temperature and strain rate) is conducted. The stress states are varied by designing the specimens with different notch radii. To model the influence of local stresses on damage, continuum-based damage modeling approach is adapted where a system of matrix-inclusion-interface is considered. The influence of different parameters such as DRX, stress state, temperature, strain rate, total strain, inclusion size and type (soft/hard) is analyzed.
Based on the damage quantification results, an extension to Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) damage model is devised where a new nucleation criterion couples the stress state and DRX to the void formation at inclusions. The extended GTN model is utilized to predict the internal damage during multi-step hot caliber rolling process and validated with experimentally observed damage at different locations of stress state and recrystallized volume fraction. Based on the model, a damage-controlled strategy is proposed by finding the solution of optimal control problem (OCP) to obtain an optimal variable deformation speed that can induce low damage as compared to constant speed while keeping the process time constant. To implement the damage-controlled strategy, an isothermal forming simulator is designed and manufactured that can replicate the real load paths during hot forming. It is suggested that damage can be controlled if material is allowed to recrystallize at low deformation speed without inducing damage and then, speed up the deformation after onset of recrystallization.…
- Innerhalb der Prozessketten der Halbzeugherstellung dient die Warmumformung dazu, Poren und Hohlräume aus dem Gießprozess unter Druckspannungen zu beseitigen und das Gefüge für die Weiterverarbeitung einzustellen. Beim Kaliberwalzen treten bei bestimmten Walzspaltverhältnissen Zugspannungen auf, die die Porenbildung (Schädigung) an nichtmetallischen Einschlüssen begünstigen. Die Dekohäsion von Matrix und Einschluss bei der Porenbildung wird durch lokale Fließspannungen bestimmt. Da der Prozess oberhalb der Rekristallisationstemperatur stattfindet, kann die Schädigung nicht nur durch den Spannungszustand kontrolliert werden, sondern auch durch Erweichungsprozesse wie dynamische Erholung (DRV) und Rekristallisation (DRX), die die lokalen Spannungen abbauen können. Solche Prozesse können genutzt werden, um die Schädigungsentstehung und das Schädigungswachstum zu verzögern oder zu verhindern und somit die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen zu verbessern.
Diese Studie konzentriert sich auf das Verständnis der WechselwirkungInnerhalb der Prozessketten der Halbzeugherstellung dient die Warmumformung dazu, Poren und Hohlräume aus dem Gießprozess unter Druckspannungen zu beseitigen und das Gefüge für die Weiterverarbeitung einzustellen. Beim Kaliberwalzen treten bei bestimmten Walzspaltverhältnissen Zugspannungen auf, die die Porenbildung (Schädigung) an nichtmetallischen Einschlüssen begünstigen. Die Dekohäsion von Matrix und Einschluss bei der Porenbildung wird durch lokale Fließspannungen bestimmt. Da der Prozess oberhalb der Rekristallisationstemperatur stattfindet, kann die Schädigung nicht nur durch den Spannungszustand kontrolliert werden, sondern auch durch Erweichungsprozesse wie dynamische Erholung (DRV) und Rekristallisation (DRX), die die lokalen Spannungen abbauen können. Solche Prozesse können genutzt werden, um die Schädigungsentstehung und das Schädigungswachstum zu verzögern oder zu verhindern und somit die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen zu verbessern.
Diese Studie konzentriert sich auf das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Erweichungsprozessen und Schädigung während der Warmumformung und auf die Ableitung eines Modells für die gekoppelte Entwicklung von Mikrostruktur und Schädigung. Zur präzisen Schädigungsmodellierung wird eine eingehende Schädigungscharakterisierung der im Warmzugversuch verformten Proben unter verschiedenen Spannungszuständen und Verformungsbedingungen durchgeführt. Zur Modellierung des Einflusses lokaler Spannungen auf die Schädigungsentstehung wird ein kontinuumsbasierter Schädigungsmodellierungsansatz verwendet und der Einfluss verschiedener Parameter wird analysiert.
Auf der Grundlage der Ergebnisse der Schädigungsquantifizierung wird eine Erweiterung des Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) Schädigungsmodells entwickelt, bei dem ein neues Keimbildungskriterium den Spannungszustand und die DRX mit der Hohlraumbildung an Einschlüssen verbindet. Das erweiterte GTN-Modell wird zur Vorhersage der inneren Schädigung beim mehrstufigen Warmkaliberwalzen verwendet und mit experimentell beobachteten Schädigung an verschiedenen Stellen des Spannungszustands und des rekristallisierten Volumenanteils validiert. Auf der Grundlage des Modells wird eine schädigungskontrollierte Strategie vorgeschlagen, indem die Lösung eines optimalen Regelungsproblems (OCP) gefunden wird, um eine optimale variable Verformungsgeschwindigkeit zu erhalten, die im Vergleich zu einer konstanten Geschwindigkeit einen geringen Schaden hervorruft, während die Prozesszeit konstant bleibt. Zur Umsetzung der schädigungskontrollierten Strategie wird ein isothermischer Umformsimulator entworfen und hergestellt, der die realen Belastungspfade während der Warmumformung nachbilden kann. Es wird angenommen, dass die Schädigung kontrolliert werden kann, wenn das Material bei niedriger Verformungsgeschwindigkeit ohne weitere Schädigungssentstehung rekristallisieren kann und dann die Verformung nach Beginn der Rekristallisation beschleunigt wird.…
Author: | Muhammad Imran |
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URN: | urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-57105 |
DOI: | https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5710 |
Referee / Advisor: | Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Bambach, Prof. Dr.-Ing. Sebastian Münstermann |
Document Type: | Doctoral thesis |
Language: | English |
Year of Completion: | 2021 |
Date of final exam: | 2021/11/24 |
Release Date: | 2022/01/10 |
Tag: | Dynamische Rekristallisation; Schädigungskontrolle; Schädigungsmodellierung; Spannungszustand; Warmumformung Damage; Damage modeling; Dynamic recrystallization; Hot caliber rolling; Hot forming |
GND Keyword: | Warmumformen; Werkstoffschädigung; Schadensanalyse |
Institutes: | Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Hybride Fertigung |
Licence (German): | ![]() |