Modelling and simulation of plastic deformation in aluminium alloys

Abstract

In this work, mechanical properties of aluminium alloys are described based on the current microstructure. Physically based models are combined with semi-empirical creep models to describe the plastic material behavior over an extended temperature and strain rate range. To integrate these models into a commercial FEA-Software, they are suitably simplified to ensure acceptable computational times for the description of complex components. These models are denoted in the work as ́Simple MicroStructure Evolution (sMSE) model ́ and can be used as an underlying material model in, e.g., Abaqus and Ansys to calculate residual stresses in Al-cast alloys, for example. Another focus of this work is the investigation of the deformation characteristics of binary Al-Mn, Al-Cu and Al-Zn alloys. The influence of the dissolved atoms on the yield stress and on the plastic deformation behavior is investigated. An advanced 3-Internal-Variables-Model (3IVM) is used to model the evolution of dislocation densities in the cell interior and cell wall. The model calibration is based on experimentally determined flow curves.

In dieser Arbeit werden mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen mit den vorliegenden Mikrostrukturzuständen verknüpft. Physikalisch basierte Modelle werden mit teils empirischen Kriechmodellen kombiniert, um plastisches Materialverhalten in einem erweiterten Temperatur- und Dehnratenbereich beschreiben zu können. Um diese Modelle in eine kommerzielle FEA-Software integrieren zu können, werden sie geeignet vereinfacht, um eine akzeptable Rechenzeiten für die Beschreibung komplexer Bauteile gewährleisten zu können. Diese Modelle werden in der Arbeit als Simple MicroStructure Evolution (sMSE) model ́ zusammengefasst und dieses kann als zugrundeliegendes Materialmodell in Abaqus verwendet werden, um beispielsweise Eigenspannungen in Al-Gusslegierungen berechnen zu können. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von binären Al-Mn, Al-Cu und Al-Zn Legierungen. Dabei wird der Einfluss der gelösten Atome auf die Streckgrenze und auf die plastische Verformung untersucht. Ein erweitertes 3-Internal-Variables-Model (3IVM) wird verwendet, um die Entwicklung der Versetzungsstrukturen im Zellinneren und in der Zellwand zu modellieren. Die Materialkalibrierung erfolgt durch experimentell ermittelte Fließkurven.