State parameter based modelling of stress-strain curves in aluminium alloys

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neues Modell zur Simulation von Spannungs-Dehnungs Diagrammen in Abhängigkeit von Temperatur, Dehnrate und Materialzustand in Aluminiumlegierungen beschrieben. Der Materialzustand wird dabei unter Zuhilfenahme der Simulationssoftware MatCalc in Abhängigkeit der thermo-mechanischen Vorgeschichte modelliert. Die Simulation des dehnungsabhängigen Spannungs-Anteils beruht auf einer Entwicklung der durchschnittlichen Versetzungsdichte als Funktion von Temperatur und Dehnrate. Zur Modellierung des dehnungsunabhängigen Spannungs-Anteils wird zuerst die Streckgrenze bei 0K berechnet, wobei unterschiedliche Verfestigungsmechanismen wie z.B. Mischkristall-, Ausscheidungs- oder Korngrenzenverfestigung berücksichtigt werden können. Ausgehend von der Streckgrenze bei 0K wird das Materialverhalten bei gegebener Temperatur und Dehnrate mithilfe eines physikalischen Modells zur thermischen Aktivierung beschrieben. Das beschriebene Modell wird mit experimentellen Daten, die zum Teil im Zuge dieser Arbeit entstanden sind, verglichen und kalibriert. Im Zuge dieser Arbeit sind auch mehrere Fachartikel in anerkannten wissenschaftlichen Journalen veröffentlicht worden.

A novel and comprehensive model addressing the stress strain response under uniaxial loading over a wide range of temperatures, strain rates and material states is developed and introduced. Temperature and strain rate dependence of the yield stress are derived on the basis of an idealized material concept of a box-shaped and periodical dislocation-obstacle interaction profile. The model for strain hardening is based on an extended Kocks-Mecking evolution equation for the average dislocation density and discussed in terms of the temperature- and strain rate-dependence of the initial strain hardening rate and the saturation stress for stage-III hardening. The model covers both, low temperature deformation due to dynamic recovery and vacancy-assisted climb leading to static recovery at elevated temperatures. The model is finally validated on experimental data for solid solutions and artificially aged aluminium alloys.