Thermomechanische Analyse des PLC-Effekts
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde die Bildung und Ausbreitung von Portevin-LeChâtelier (PLC)-Bändern in der Al-Legierung AA5754 experimentell untersucht, in einem 3-dimensionalen thermomechanischen Modell abgebildet und auf Basis dieses Modells simuliert. Für die experimentellen Untersuchungen wurden kurze Flachzugproben unter Aufzeichnung von Kraft und Dehnung sowie von Bildern der Probenoberfläche bei unterschiedlichen Dehnraten verformt. Die Aufzeichnung der Bilder erfolgte entweder mit einer Hochgeschwindigkeits-IR- oder mit einer Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera, um die Bandbildung und -ausbreitung mit einer ausreichend hohen Zeitauflösung verfolgen zu können. Für die Auswertung der aufgenommenen Bildserien wurde Software entwickelt, mit der Bandtrajektorien erstellt und die Bandgeschwindigkeiten ermittelt werden können. Für die Simulation der experimentellen Ergebnisse wurde ein Materialmodell entwickelt und implementiert, das auf einem von Böhlke et al. (2009) modifizierten Estrin-McCormick-Modell basiert. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Sättigungswert des Cottrell-Bilby-Louat-Anteils zur Fließspannung bei der DSA nicht konstant ist, sondern von der akkumulierten effektiven inelastischen Dehnung abhängt. Die für die Simulation des PLC-Bandverhaltens der Legierung AA5754 erforderlichen Werkstoffkennwerte wurden teils der Literatur entnommen und sonst im Rahmen eines Parameteridentifizierungsprozesses, dem die Resultate von ausgewählten Experimenten der Antragsteller bei unterschiedlicher Dehnrate zugrunde lagen, ermittelt. In Experiment und Simulation wurde übereinstimmend festgestellt, dass Beginn, Ort und Verlauf der Bandbildung von der Dehnrate und der Dehnung abhängen. Die experimentell ermittelte und die simulierte Kurve, die den Zusammenhang zwischen der kritischen Dehnung und Spannung für das Einsetzen der Bandbildung und der Dehnrate beschreiben, bestehen aus dem auch von anderen Werkstoffen bekannten normalen und inversen Zweig. Die bei den hohen Dehnraten des normalen Zweigs entstehenden Bänder des Typs A werden bei Experiment und Simulation vorwiegend am Übergang zwischen Steg und Kopf der Proben an einer Probenkante ausgelöst und breiten sich in der Entstehungsphase simultan quer zur und längs der Probenlängsachse aus. Typ-B-Bänder, die sich vorwiegend im Übergangsbereich zwischen dem normalen und dem inversen Zweig bilden, werden sowohl am Übergang zwischen Kopf und Steg der Probe als auch im Steg – in diesem Fall in der Nähe zuvor aktiver Typ-B-Bänder – ausgelöst. Bänder des Typs C entstehen bei den Dehnraten des inversen Zweigs der Dehnratenabhängkeit statistisch verteilt im Probensteg. Eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ergab sich auch bei der Analyse des Einflusses von Spannungsgradienten auf die Wahrscheinlichkeit der PLC-Bandbildung. Unerwartet ist die Wahrscheinlichkeit nicht am Ort des höchsten Spannungsgradienten am größten, was darauf hinweist, dass noch andere Faktoren das Nukleationsverhalten beeinflussen. Auch die experimentell ermittelte Spannungs-, Dehnungs- und Temperaturentwicklung und Spezifika des Bandausbreitungsverhaltens wie der Orientierungswechsel werden gut in der Simulation abgebildet. Die Simulationsergebnisse bestätigen qualitativ die experimentell ermittelte Abnahme der Bandgeschwindigkeit bei zunehmender Dehnung, die Beobachtung, dass sich die Dehnratenabhängigkeit der Bandgeschwindigkeit mit einem Potenzgesetz beschreiben lässt, und die gemessene Abhängigkeit des Dehnungssprungs von der Dehnung. Die Vergleiche zwischen Experiment und Simulation zeigen, dass das formulierte Modell in der Lage ist, den PLC-Effekt stets qualitative und in den meisten Fällen auch quantitativ für die Legierung AA5754 abzubilden. Es ist davon auszugehen, dass das Modell auch auf andere Legierungen anwendbar ist, nachdem deren Materialparameter identifiziert sind.
Publications
- Thermographic study of nucleation and propagation of Portevin-Le Chatelier bands. Quantitative Infra Red Thermography (QIRT) Journal, 2008 (5) 2, 231 - 249
R. Zielke, H.-A. Crostack, X. Feng, G. Fischer, B. Svendsen
(See online at https://doi.org/10.3166/qirt.5.231-248) - Untersuchungen zur Bildung und Ausbreitung von Verformungsbändern und ihre Simulation. Dissertation. Fakultät Maschinenbau der TU Dortmund
X. Feng
- Investigation of PLC band nucleation in AA5754. Materials Science and Engineering, A 539 (2012) 205-210
X. Feng, G. Fischer, R. Zielke, B. Svendsen, W. Tillmann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.01.082) - Ortsaufgelöste Untersuchung des PLC-Effekts mit Hilfe der Nanoindentation. Tagung Werkstoffprüfung 2014. Berlin 04./05.12.2014
R. Zielke, W. Tillmann, G. Fischer
