Modelling of static recrystallization kinetics by coupling crystal plasticity FEM and multiphase field calculations

• Autorzy: Güvenci O. , Henke T. , Laschet G. , Böttger B. , Apel M. , Bambach M. , Hirt G.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie kinetyki rekrystalizacji statycznej poprzez sprzężenie plastyczności kryształów mes z obliczeniami pól wielofazowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In multi-step hot forming processes, static recrystallization (SRX), which occurs in interpass times, influences the microstructure evolution, the flow stress and the final product properties. Static recrystallization is often simply modeled based on Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) equations which are linked to the visco-plastic flow behavior of the material. Such semi-empirical models are not able to predict the SRX grain microstructure. In this paper, an approach for the simulation of static recrystallization of austenitic grains is presented which is based on the coupling of a crystal plasticity method with a multiphase field approach. The microstructure is modeled by a representative volume element (RVE) of a homogeneous austenitic grain structure with periodic boundary conditions. The grain microstructure is generated via a Voronoi tessellation. The deformation of the RVE, considering the evolution of grain orientations and dislocation density, is calculated using a crystal plasticity finite element (CP-FEM) formulation, whose material parameters have been calibrated using experimental flow curves of the considered 25MoCrS4 steel. The deformed grain structure (dislocation density, orientation) is transferred to the FDM grid used in the multiphase field approach by a dedicated interpolation scheme. In the phase field calculation, driving forces for static recrystallization are calculated based on the mean energy per grain and the curvature of the grain boundaries. A simplified nucleation model at the grain level is used to initiate the recrystallization process. Under these assumptions, it is possible to approximate the SRX kinetics obtained from the stress relaxation test, but the grain morphology predicted by the 2d model still differs from experimental findings.

PL

W wielostopniowych procesach obróbki plastycznej, rekrystalizacja statyczna (ang. static recrystallization - SRX) występująca w czasach przerw między odkształceniami, wpływa na rozwój mikrostruktury, naprężenie uplastyczniające oraz właściwości gotowego produktu. Statyczna rekrystalizacja jest często modelowana korzystając z równania Johnson-Mehl- Avrami-Kolmogorov (JMAK), które jest powiązane z lepkoplastycznym płynięciem materiału. Taki pół-empiryczny model nie jest w stanie przewidzieć mikrostruktury ziaren dla SRX. W niniejszym artykule przedstawiono podejście do symulacji statycznej rekrystalizacji austenitu wykorzystujące połączenie plastyczności kryształów z metodą pola wielofazowego. Mikrostruktura jest modelowana za pomocą reprezentatywnych elementów objętości (ang: Representative Volume Element - RVE) jednorodnej struktury ziaren austenitu z okresowymi warunkami brzegowymi. Mikrostruktura jest generowana za pomocą wieloboków Voronoi. Obliczenia odkształcenia RVE są prowadzone połączonymi metodami plastyczności kryształów i MES, z uwzględnieniem rozwoju orientacji ziaren oraz gęstości dyslokacji. Parametry modelu materiału wyznaczono na podstawie doświadczalnych krzywych płynięcia dla stali 25MoCrS4. Odkształcona struktura ziaren (gęstość dyslokacji, orientacja) jest przekazywana do siatki różnic skończonych w modelu pola wielofazowego stosując metodę interpolacji. W obliczeniach pola faz, siły pędne dla statycznej rekrystalizacji są obliczane na podstawie średniej energii w ziarnie i krzywizny granic ziaren. W celu zainicjowania rekrystalizacji stosowany jest uproszczony model zarodkowania na poziomie ziarna. Przy tych założeniach możliwe było oszacowanie kinetyki SRX na podstawie badań relaksacji naprężeń. Z drugiej strony przewidywana w modelu 2D morfologia ziaren wciąż odbiega od wyników doświadczalnych.

Słowa kluczowe

EN

static recrystallization; crystal plasticity FEM; multi-phase field method; modeling; hot forming; periodic microstructure

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 368--374
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Güvenci O.

• Institute of Metal Forming, RWTH Aachen University, Intzestrasse 10, D-52056 Aachen, Germany

autor

Henke T.

• Institute of Metal Forming, RWTH Aachen University, Intzestrasse 10, D-52056 Aachen, Germany

autor

Laschet G.

• ACCESS e.V., RWTH Aachen, Intzestrasse 5, D-52072 Aachen, Germany

autor

Böttger B.

• ACCESS e.V., RWTH Aachen, Intzestrasse 5, D-52072 Aachen, Germany

autor

Apel M.

• ACCESS e.V., RWTH Aachen, Intzestrasse 5, D-52072 Aachen, Germany

autor

Bambach M.

• Institute of Metal Forming, RWTH Aachen University, Intzestrasse 10, D-52056 Aachen, Germany

autor

Hirt G.

• Institute of Metal Forming, RWTH Aachen University, Intzestrasse 10, D-52056 Aachen, Germany

Bibliografia

• Berens, P., 2009, A MATLAB Toolbox for Circular Statistics. Journal of Stat. Software, 31, 1-21.
• Eiken, J., Böttger, B., Steinbach, I., 2006, Multiphase-field approach for multicomponent alloys with extrapolation scheme for numerical application, Physical Review E, 73, 1-9.
• Gawad, J., Madej, W., Kuziak, R., Pietrzyk, M., 2008, Multiscale model of dynamic recrystallization in hot rolling, International Journal of Material Forming, 1, 69-72.
• Gronostajski, J., Pulit, E., Ziemba, H., 1983, Recovery and recrystallization of Cu after hot deformation, Metal Science Journal , 17, 348-352.
• Henke, T., Bambach, M., Hirt, G., 2011, Experimental Uncertainties affecting the Accuracy of Stress-Strain Equations by the Example of a Hensel-Spittel Approach, 14th International ESAFORM Conference on Material Forming: ESAFORM 2011, Belfast, 71-77.
• Hutchinson, J.W., 1976, Bounds and Self-Consistent Estimates for Creep of Polycrystalline Materials. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 348, 101‐127.
• Kalidindi, S., Bronkhorst, C., Anand, L., 1992, Crystallographic texture evolution in bulk deformation processing of FCC metals, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 40, 537‐569.
• Piekos, K., Tarasiuk, J., Wierzbanowski, K., Bacroix, B., 2008. Use of stored energy distribution in stochastic vertex model, Materials Science Forum, 571-572, 231-236.
• Raabe, D., 1999, Introduction of a scalable three-dimensional cellular automaton with a probabilistic switching rule for the discrete mesoscale simulation of recrystallization phenomena, Philosophical magazine A-Physics of Condensed Matter Structure Defects and Mechanical Properties, 79, 2339‐2358.
• Roters, F., Eisenlohr, P., Hantcherli, L., Tjahjanto, D., Bieler, T., Raabe, D., 2010, Overview of constitutive laws, kinematics, homogenization and multiscale methods in crystal plasticity finite-element modeling: Theory, experiments, applications, Acta Materialia, 58, 1152-1211.
• Roters, F., Eisenlohr, P., Kords, C., Tjahjanto, D., Diehl, M., Raabe, D., 2012, DAMASK: the Düsseldorf Advanced MAterial Simulation Kit for studying crystal plasticity using an FE based or a spectral numerical solver, Procedia IUTAM, 3, 3-10.
• Sellars, C.M., 1990, Modelling Microstructural Development during Hot Rolling, Mats. Sci. Tech, 6, 1072-1081.
• Steinbach, I., 2009, Phase-field models in materials science, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 17, 1-31.
• Takaki, T., Tomita, Y., 2010, Static recrystallization simulations starting from predicted deformation microstructure by coupling multi-phase-field method and finite element method based on crystal plasticity, International Journal of Mechanical Sciences, 52, 320-328.
• Taylor, G.I., 1934, The Mechanism of Plastic Deformation of Crystals. Part I. Theoretical. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 145, 362-387.
• Taylor, G.I., 1938, Plastic Strain in Metals, J. Inst. Met, 62, 307-324.
• Xiong, W., Wietbrock, B., Saeed-Akbari, A., Bambach, M., 2011, Modeling the Flow Behavior of a High-Manganese Steel Fe-Mn23-C0.6 in Consideration of Dynamic Recrystallization, Steel Research International, 82, 127-136.