Modeling of microstructure evolution in aluminum alloys during hot extrusion

Abstract

Die Modellierung und Simulation der Mikrostrukturentwicklung von Aluminiumlegierungen in Warmumformverfahren liefern einen Einblick in die Materialeigenschaften des Endproduktes und ermöglichen die Optimierung und Anpassung des Materialverhaltens dieses Endproduktes durch die Steuerung der Mikrostrukturentwicklungen während und nach dem Umformprozess. Für die präzise und stabile Simulation der Mikrostruktur und des Materialverhaltens während Warmumformungsprozessen müssen zahlreiche numerische und strukturelle Aspekte berücksichtigt, sowie ein passendes Materialmodell gewählt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich einerseits mit den numerischen Aspekten der Simulation von Warmumformungsprozessen, andererseits mit der Material- und Mikrostrukturmodellierung solcher Prozesse. Das erste Kapitel gibt einen Überblick über diese Arbeit und ihr verwandte Forschungsgebiete. Hier werden die verschiedenen Aspekte der Modellierung und Simulation des Strangpressprozesses diskutiert. Im Übrigen umfasst dieses Kapitel eine Zusammenstellung der aktuellen Modelle zur Mikrostrukturentwicklung beim Warmumformungsprozess, ebenso wie die neuesten Bemühungen zur Modellierung dieser. Im zweiten Kapitel dieser Doktorarbeit liegt das Augenmerk auf den Aluminiumlegierungen der Serien 6000 (Al-Mg-Si) und 7000 (Al-Zn-Mg). Es wird eine Reihe von Aspekten der Struktursimulation sowie des Strangpressens als thermomechanischen Prozess berücksichtigt. Diese Gesichtspunkte beinhalten den Kontakt, die adaptive Netzverfeinerung, die Wärmeübertragung im Inneren des Walzblocks, den Wärmeaustausch zwischen dem Werkstück und dem Behälter, den Reibungsverlust, die mechanische Energie und die Oberflächenstrahlung. Im dritten Kapitel werden allgemeine Rahmenbedingungen für die Modellierung des Materialverhaltens von Metallen in Umformprozessen dargestellt. Ferner wird, um Simulationsprobleme von Umformprozessen zu überwinden, ein neues Modell zur Neuvernetzung präsentiert. Hier wird die im zweiten Kapitel dargestellte Netzverfeinerung durch die neue Vernetzung der deformierten Geometrie ersetzt. Die Anwendung der Grundstruktur und der entwickelten Simulationstechniken auf zwei Umformprozesse wird präsentiert. Um die numerischen Kosten zu reduzieren und die Ergebnisgenauigkeit zu verbessern, wird die Qualität des Netzes während der Simulation kontrolliert und die Simulation angehalten, falls die Netzqualität einen erlaubten Wert unterschreitet. Die Simulationsergebnisse für die Mikrostrukturentwicklung als Funktion der Prozessbedingungen demonstrieren die Empfindlichkeit der Mikrostrukturentwicklung gegenüber diesen Bedingungen. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse für die Mikrostrukturentwicklung mit den jeweiligen experimentellen Werten zeigt gute qualitative Übereinstimmungen. Im vierten Kapitel liegt der Fokus auf dem Vergleich der Ergebnisse aus Experiment und Simulation. Weiterhin wird ein Modell zur Vorhersage und Simulation der Mikrostrukturentwicklung, insbesondere der Kornentwicklung der Aluminiumlegierung EN AW-6082 während Warmumformprozessen kurz beschrieben. Dieses Modell ist ein physikalisch motiviertes phänomenologisches Modell, welches auf vom inneren Zustand abhängigen Variablen basiert. Die Mikrostrukturentwicklung ist ein temperaturabhängiger Prozess und wird mit Hilfe der Finite Elemente Software Abaqus in einem vollständig gekoppelten thermomechanischen Verfahren simuliert. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Werten, bestimmt mit Hilfe einer EBSD Messung eines kleinmaßstäbigen Strangpressungsprozesses, der sich für wissenschaftliche Zwecke etabliert hat, abgeglichen und verifiziert. Die Simulationsergebnisse weisen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Experimentalergebnissen auf. Im letzten Kapitel werden für das thermoelastische, viskoplastische Verhalten von Aluminiumlegierungen zwei Modelle formuliert und auf den Fall der Strangpressung angewendet. Das erste Modell basiert auf einer gängigen semiempirischen Form der (skalaren) Fließregel der Strangpressgemeinde und vernachlässigt alle Effekte der Mikrostruktur auf das Aushärtungsverhalten. Dies resultiert in einem idealen viskoplastischen Modell. Im zweiten Modell wird eine skalare Fließregel basierend auf der Taylorannahme formuliert, außerdem werden der Einfluss der Subkornstrukturentwicklung auf die freie inelastische Energie sowie die Fließspannung berücksichtigt. Die Vorhersagen dieser beiden Modelle für einfache Benchmarkprobleme aus der Materialprüfung und der Strangpressung werden verglichen.

Modeling and simulation of microstructure evolution of aluminum alloys in hot forming processes give an insight into the material properties of the final product and enable us to optimize or customize the material behavior of the final product by controlling the microstructure evolutions during and after forming process. An accurate and robust simulation of microstructure and material behavior during hot large deformation processes requires consideration of several numerical and structural aspects as well as an appropriate material model. The current work deals with the numerical aspects of the simulation of hot forming processes on the one hand, and with the material and microstructure modeling of such processes on the other. The first chapter gives an overview of this work and related researches. Here the different aspects of modeling and simulation of the extrusion processes are discussed. Furthermore a summary of the recent models and efforts for modeling the microstructure evolution in hot forming processes is given in this chapter. In the second chapter of this thesis attention is focused on aluminum alloys of the 6000 series (Al-Mg-Si) and 7000 series (Al-Zn-Mg). Here, a number of aspects of the structural simulation as well as that of extrusion as a thermomechanical process are considered. These aspects include contact and adaptive mesh refinement, heat transfer inside the billet, heat transfer between the workpiece and the container, frictional dissipation, mechanical energy and surface radiation. The third chapter presents a general framework for modeling the material behavior of metals in forming processes. Moreover, to overcome the problems of simulation of large forming processes a new remeshing scheme is presented. Here the mesh refinement applied in the second chapter is replaced by the new remeshing of the deformed geometry. The application of the framework and developed simulation techniques in two forming processes is set out. In the new meshing scheme, in order to reduce the numeric costs and increase the accuracy of the results, the mesh quality is controlled during the simulation and the simulation is stopped when the quality of mesh is less than the allowed value. Simulation results for the microstructure development as a function of process conditions demonstrate the sensitivity of microstructure development to these conditions. Comparison of the simulation results for the microstructure evolution with corresponding experimental results show good qualitative agreement. Chapter four focuses on the comparison of experimental and simulation results as well as a brief description of the applied model for prediction and simulation of the evolution of microstructure, in particular the evolution of grains, during hot forming processes of aluminum alloy EN AW–6082. The model is a physically motivated phenomenological model based on internal state dependent variables. The microstructure evolution is a temperature dependent process and is simulated in a fully-coupled thermomechanical process by help of the Finite Element software Abaqus. The results are compared and verified with experimental results obtained by the EBSD measurement of a small-scale extrusion process established for scientific purposes. The simulation results are in reasonable agreement with the experimental ones. In the final chapter two models are formulated for the thermoelastic, viscoplastic behavior of aluminum alloys and applied to the case of extrusion. The first model is based on a common semi-empirical form of the (scalar) flow rule in the extrusion community and neglects all effects of the microstructure on the hardening behavior. This results in an ideal viscoplasticmodel. The second model formulates a scalar flow rule as based on the Taylor assumption. Furthermore the effect of the subgrain structure development on the inelastic free energy and the flow stress are considered. The predictions of both of these models for simple benchmark problems involving material testing and extrusion are compared.