Analysis of cavity formation in polycrystalline materials at elevated temperatures

Abstract

Niedrigduktiles interkristallines Versagen bei erhöhten Temperaturen ist oft die Folge einer übermäßigen Porenbildung an der Korngrenze. Um einen umfassenden Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen auf mikrostruktureller Ebene zu erhalten untersuchten wir eine Stahlgüte mit Heißzugversuchen, Materialsimulationen sowie mittels einer benutzerdefinierten Subroutine für Finite-Elemente-Analysen. Durchgeführte Heißzugversuche mit Stahlproben unterschiedlichen Nenndurchmessers deuten auf eine Größenabhängigkeit innerhalb des Temperaturbereichs 850 ◦C bis 950 ◦C hin. Im Gegensatz dazu führt der Übergang von einer Abkühlrate zu einem realitätsgetreuen Abkühlzeitregime zu keiner erhöhten Sprödbruchanfälligkeit, was auch mit MatCalc Ausscheidungskinetiksimulationen nachgewiesen werden kann. Die Verformungseigenschaften sowie das Keimbildungspotenzial wurden anhand einer Finite-Elemente-Analyse mit Austenit in einem Temperaturbereich von 800 ◦C bis 1200 ◦C und einem Dehnratenbereich von 1 × 10−6 s−1 bis 1 × 102 s−1 untersucht. Hierfür wurden das Materialmodell als auch das Nukleationsmodell über frei programmierbare Benutzersubroutinen in Ansys Mechanical implementiert. Ersteres wurde nach dem zustandsparametrischen konstitutiven Modell für die dehnungsratenabhängige Plastizität nach Kreyca-Kozeschnik implementiert. Die Entwicklung des Werkstoffmodells erfolgte an einem einzelnen Element und wurde mit thermokinetischen MatCalc-Simulationen validiert. Computersimulationen mit unserem einfachen Mikrostrukturmodell wurden verwendet, um die Verformungseigenschaften in Verbindung mit verschiedenen Korngrenzenreibungskoeffizienten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannungsüberhöhung in Richtung hoher Temperaturen und Dehnraten abnimmt und, dass das Korngrenzenmodell für hohe Dehnraten verbessert werden muss. Das Nukleationsmodell basiert auf Gleixner et al. und Svoboda-Sklenička. Die verwendete Triebkraft setzt sich aus der hydrostatischen Spannung und einer chemischen Spannungskomponente, welche von den Überschussleerstellen stammt, zusammen. Für letztere wurde das Tang-Plumtree Modell anhand der neuesten Informationen von Ungár et al. adaptiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Nukleation in reinem Austenit vorzugsweise bei einer Temperatur von 900 ◦C bis 1100 ◦C innerhalb eines Dehnratenbereichs von 1×10−2 s−1 bis 1×10−1 s−1 stattfindet.

Low-ductility intergranular fracture at elevated temperatures is often a result of excessive pore formation at the grain boundary. This thesis analyses a steel grade with hot tensile tests, material simulations, and a custom finite element user-material subroutine to gain a comprehensive insight into the underlying mechanisms at a microstructural level. Conducted hot tensile tests with steel samples of different nominal diameters indicate a size dependence within the temperature range 850 ◦C to 950 ◦C. In contrast, the transition from a cooling rate to a realistic cooling time regime does not cause increased susceptibility to brittle fracture, which can also be demonstrated with MatCalc precipitation kinetics simulations. The deformation characteristics, and the nucleation potential of austenite, were investigated with finite element analyses in a temperature range of 800 ◦C to 1200◦C and a strain rate range of 1 × 10−6 s−1 to 1 × 102 s−1. For this purpose, the material model and the nucleation model were implemented in Ansys Mechanical via user-programmable features. The former was implemented using the Kreyca-Kozeschnik state parameter constitutive model for strain-rate dependent plastic deformation. The material model was developed with a single element and validated with MatCalc thermokinetic simulations. Computer simulations on the introduced simple microstructure model helped study the deformation characteristics in conjunction with different grain boundary friction coefficients. The results show that the stress exaggeration decreases toward high temperatures and strain rates. However, the grain boundary model needs to be improved for high strain rates. The implemented void nucleation model is based on Gleixner et al. and Svoboda-Sklenička. The utilized driving force comprises hydrostatic stress and a chemical stress component arising from excess vacancies. The Tang-Plumtree model was adapted with state-of-the-art information from Ungár et al. for the latter. The results show that void nucleation in austenite preferably occurs between 900 ◦C and 1100 ◦C within a strain rate range of 1 × 10−2 s−1 to 1 × 10−1 s−1.