TP3: Mikrostrukturbasierte Modellierung der adiabatischen Scherbandbildung beim HGSS

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alexander Butz; Professor Dr. Peter Gumbsch
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460484491

Dem TP3 liegt die Forschungshypothese zugrunde, dass die beim Hochgeschwindigkeits-scherschneiden (HGSS) experimentell beobachtbaren Wechselwirkungen zwischen dem HGSS-Prozess, der Mikrostruktur des Werkstoffs und der Bildung des adiabatischen Scherbands (ASB) durch mechanismen-basierte Modellierungsstrategien abgebildet werden können. Mit geeigneten numerischen Modellen sollen die bei der ASB-Bildung beobachtbaren Phänomene im Werkstoff auf Mikrostrukturebene beschrieben und besser verstanden werden. Aussagen über das sich bildende ASB und über die zu erwartenden Eigenschaften der Schnittkante werden dadurch ermöglicht. In Wechselwirkung mit den anderen Teilprojekten kann aus den erzielten Ergebnissen ein vertieftes Verständnis für die Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen beim HGSS-Prozess und damit für dessen werkstoffspezifische Auslegung entwickelt werden.Der Arbeitsschwerpunkt des TP3 liegt auf der mikrostrukturbasierten Modellierung und Simulation der ASB-Bildung beim HGSS. Unter Berücksichtigung von experimentellen Daten der untersuchten Werkstoffe wird durch die Verknüpfung thermomechanischer und mikrostrukturbasierter Simulationsansätze ein grundlegendes Verständnis der für die ASB-Bildung relevanten Mechanismen erarbeitet. Daraus wird für die betrachteten Werkstoffe ein Modell der ASB-Bildung beim HGSS entwickelt, implementiert, validiert und auf reale Prozesse angewendet. Die Modellbildung und systematische numerische Analyse der Wechsel-wirkungen zwischen Mikrostruktur und ASB-Bildung sind daher ein wesentliches Ziel des TP3.Die Modellbildung wird in drei aufeinander aufbauenden Arbeitspaketen vorgenommen: Zunächst werden ausgehend von experimentellen Daten die Initiierung und Ausbreitung von ASB analysiert und durch ein räumlich aufgelöstes Kristallplastizitätsmodell abgebildet. Darauf aufbauend wird ein Mean-Field-Modell für die Mikrostrukturentwicklung innerhalb des ASB entwickelt. Schließlich werden die Schädigungsentwicklung und die dadurch ausgelöste Materialtrennung modelliert. In einem weiteren Arbeitspaket erfolgt die Validierung und Bewertung der entwickelten Modellierungsansätze. Ergänzend zu den Arbeiten in TP2 wird in einem weiteren Arbeitspaket die Charakterisierung der ASB mittels Mikrozugversuchen so weiterentwickelt, dass die mechanischen Eigenschaften innerhalb des ASB und in seiner Umgebung voneinander unterschieden werden können.Die in TP3 entwickelten Modellierungsansätze leisten wichtige Beiträge für die Entwicklung einer TP-übergreifenden Modellvorstellung und unterstützen die werkstoffspezifische Auslegung des HGSS-Prozesses. Damit kann in Abhängigkeit vom Werkstoff, dessen Mikrostruktur und den Prozessparametern eine Vorhersage der ASB-Bildung und der damit verbundenen Veränderung der Mikrostruktur getroffen werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5380: Funktionsflächen durch adiabatische Hochgeschwindigkeitsprozesse: Mikrostruktur, Mechanismen und Modellentwicklung – FUNDAM³ENT
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Dirk Helm