Huang, Z.

Ponge, D.

Raabe, D.

Roters, F.

MPG.PuRe

Grundlagen der gefügeabhängigen Modellierung von Warmumformprozessen

127.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungGrundlagen der gefügeabhängigen Modellierung von WarmumformprozessenD. Ponge, Z. Huang, F. Roters, D. RaabeMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH- l -I tit t f  i f  vorgetragen auf der VDI Tagung Massivumformung am 27. September 2007, Leonberg227.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungÜberblickli• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Beispiele• Zusammenfassung327.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Beispiele• ZusammenfassungMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH- l -I tit t f  i f  • Werkstoffe sind Nicht-Gleichgewichtsstrukturen bei denen Gefüge und Zusammensetzung die Eigenschaften bestimmen• Struktur-Eigenschaftsbeziehungen müssen daher auf Basis des Gefüges geschichtsabhängig modelliert werdenWas ist Modellierung mit inneren Variablen?527.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungProblematik bei empirischen Materialmodellenl ti  i i i  t i l ll¾ FEM Standardwerkzeug –konstitutive Modelle jedochungenau¾ Keine materialphysikalische Prozesssimulation(Materialbeschreibung empirisch, daher keine Vorhersagekraft außerhalb der angepassten Wertebereiche)¾ Keine Informationen über Gefügeentwicklungen (Gefüge bestimmt Eigenschaften)¾ Probleme bei komplexen Bauteilen und mehrstufigen Prozessen (empirische Modelle sind nicht geschichtsabhängig)¾ Hoher Versuchsaufwand627.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung-1,5-1-0,500,511,50 1 2 3 4 5 6 7xf(x), neuronal prediction-1,5-1-0,500,511,50 2 4 6 8 10 12 14xf(x), neuronal predictionSchwäche empirischer Modelle i i  ll727.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungAnwendung¾ Verkürzung der Prozesskette durch exaktere Simulation¾ Vorhersage lokaler Gefügeentwicklung¾ Erkennen von Gefahrenherden, Eliminierung von potentiellen Produktfehlern¾ Reduzierung von Versuchen ¾ Gezielte lokale Einstellung der Bauteileigenschaften (”local engineering“)¾ Einsparung von Produktgesamtkosten, Verringerung von Entwicklungskosten¾ Erhöhung/Optimierung der Werkstückqualität auch von bereits im Einsatz befindlichen Bauteilen aufgrund der Gefügekenntnisse aus der Simulation (Einflussnahme während der Simulation)827.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungTypische Einzelziele der Modellierungi  i l i l  lli1. Simulation der Evolution der Versetzungsdichten(Berücksichtigung Verfestigung, Entfestigung durch statische und dynamische Erholung und statische, dynamische und metadynamischeRekristallisation)2. Beschreibung der Evolution der Austenitkorngröße3. Beschreibung des Ausscheidungszustandes4. Bestimmung Fließspannung basierend auf 1-3927.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung¾ Versetzungsevolutionsgleichungen¾ Modell für statische Rekristallisation¾ Modell für Kornvergröberung¾ Modell für dynamische Rekristallisation¾ Modell für metadynamische Rekristallisation¾ Modell für Ausscheidungszustand¾ Berechnung der lokalen Fließspannung aus GefügezustandModulel( ),.....,., ngenAusscheiduKorngrsdVersetzungf=σ1027.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungHauptaspekte in der Massivumformungt t  i   i f¾Homogenisierungsgrad des konstitutiven Modells¾Wechselwirkung der Module 1127.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungHauptproblem in der Massivumformungt l  i   i fHomogenisierungsgrad des konstitutiven Modells am Beispiel der Plastizität1227.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungÜberblickli• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Beispiele• Zusammenfassung1327.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungThermodynamiki• Minimierung der Gibbs Energie (z.B. Thermo-Calc, MTDATA)• Datenbasis sehr wichtig• Meist Datenbasis direkt benutzt, sondern z.B. die treiben Kräfte für Umwandlungsreaktionen• Nicht-Gleichgewichts-Phänomene1427.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung10-4.001.01.11  NP(*)200 400 600 800 1000 1200 1400 1600  TEMPERATURE_KELVIN THERMO-CALC (2007.09.24:14.23) :1  1:T,NP(FCC_A1#1)2  2:T,NP(FCC_A1#4)3  3:T,NP(MNS)1231  4:T,NP(FCC_A1#2)23123  5:T,NP(BCC_A2)1235  6:T,NP(CEMENTITE)123562356235627  7:T,NP(M7C3)3562  8:T,NP(M3C2)73562873561273Thermodynamiki1527.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung• Scheil Modell (worst case Seigerung)• Nicht-GG• Konstitutionelle UnterkühlungCS CLC0TCLSC0TCLSCL,1CL,2CL,3CS,1 CS,2 CS,3Seigerungi1627.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Beispiele• ZusammenfassungMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH- l -I tit t f  i f  17D. Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, GermanyMotivation: Fundamentals of mesoscale crystal mechanicsone dislocationparallel loopsreactionsspin (orientation change)mesoscopic boundary conditions(grain / orientation neighborhood)1827.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung( ) aaaa tbF vvv ×= →allσxBFv&v =123Diskrete Modellierungi t  lli1927.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung• Kinetische Zustandsgleichung• Strukturevolutionsgleichungen• Kopplung an UmformkinematikHomogenisierung, Plastizitäti i , l ti it t2027.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungKinetische Zustandsgleichungi ti  t l i2127.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschungρππτ 22GbaGb ==21a=ρKinetische Zustandsgleichungi ti  t l i2227.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung−+ += ρργρ BAddStrukturevolutionsgleichungent t l ti l i2327.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungSSDIISSDISSDIISSDISSD )()()()(−−++ +++= ρρρρρ &&&&&Beispiel: Immobile Versetzungen4 Mechanismen1 :  lock-Bildung2 : Dipole3 : Athermische Annihilation4 : Thermische Annihilation durch KletternMa, Roters, Raabe: Acta Materialia 54 (2006) 2169 – 2179 and 2181 – 2194Strukturevolutionsgleichungent t l ti l i2427.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschungλρρ1mI ⋅⋅∝+ v&dipolemmII dv ⋅⋅⋅∝+ ρρρ&γρρ && mdipole6II dc=+...111otherdis++= λλλγρρ && ⋅=+ F4I cτυπ1)1(163dipole ⋅−=Gbd8climbcBKDSv γτθ &∝82BBbulk7II )exp(cKKQc γρθτθρ && −−=−dv ⋅⋅⋅∝− climbII ρρρ&dv ⋅⋅⋅∝− ρρρ mI&constd =γρρ && ⋅−=− 5I cStrukturevolutionsgleichungent t l ti l i1 :  lock-Bildung2 :  Dipole3 :  Athermische Annihilation4 :  Thermische Annihilation durch Klettern2527.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungKopplung an Umformkinematikl   f i tibvtZbXxnt md1ddd ργγ ===&2627.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Beispiele• ZusammenfassungMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH- l -I tit t f  i f  2727.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungBeispiele, unterschiedlicher Homogenisierungsgradi i l , t i li  i i¾Plastizität¾RekristallisationBeispiele2827.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungExperimentSimulationAl Einkristalle, Scherversuchl i i t ll , 2927.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung7.4°v. MisesKorngrenzenmechanikGNDSSDBikristallei i t ll30D. Raabe, lecture, London, Young Centre, 17. April 2007Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, GermanyCrystal Mechanics FEM, grain scale mechanics (2D)Experiment (DIC, EBSD)v Mises strainSimulation (CP-FEM)v Mises strainD. Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, Germany1mm21mm8mm5mm5mmMises strainexperimental simulationD. Raabe, lecture, Akademie Mainz, 9. März 2007Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, GermanyCrystal Mechanics FEM, grain scale mechanics (3D)TTmap texture functions into FEMCrystal Plasticity FEMCrystal Plasticity FEMCrystal Plasticity FEM0 15 30 45 60 75 900,950,960,970,980,991,001,011,021,031,041,05SimulationExperimentrelative ear hight [1]angle to rolling direction [°]36Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, GermanyFallbeispiel: Automobil3727.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschungrolling directionnormal directionDrei-Parameter-Modellrolling directionnormal directionempirisches Modell2128364452606821283644526068[MPa][MPa]Walzsimulation, v. Mises Spannungl i l ti , . i  3827.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung483481478476473471468rolling directionnormal directionDrei-Parameter-Modellrolling directionnormal directionempirisches Modell483481478476473471468[°C][°C]Walzsimulation, Temperaturl i l ti , t3927.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschungrolling directionnormal directionDrei-Parameter-Modellrolling directionnormal directionempirisches Modell.25.22.19.16.12.09.06.25.22.19.16.12.09.06[1][1]Walzsimulation, Vergleichsdehnungl i l ti , l i4027.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für Eisenforschung.25.22.19.16.12.09.06rolling directionnormal directionVersetzungsdichterolling directionnormal directionVergleichsdehnung0.53.15.78.211.013.016.019.021.024.026.029.031.0[1013 m-2][1]Walzsimulation, Vergleichsdehnung u. Versetzungenl i l ti , l i  . t4127.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungGrundlagen der Rekristallisationl   i t lli tiKinetiken1) Keimentstehung2) Keimwachstum3) ErholungAktivierungsenergie1) hoch (starke Variation)2) mittel (starke Variation)3) niedrig (geringe Variation)4227.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungSimulationen, ortsdiskreti l ti , t i t4327.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungNDRDTD• beginnende RekristallisationKeimbildungi il4427.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungTextur im TEM und Simulation der Keimbildungt  i    i l ti   i il4527.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungGrundlagen der Rekristallisation, MC - Pottsl   i t lli ti ,  - tt4627.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungTexture component-Avrami machine for recrystallizationStatistisches Modell der Rekristallisationt ti ti  ll  i t lli tipTkQmpm ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−==Bmob0expvGrain boundary velocityfree and corrected volumefor homogeneous microstructurefree and corrected volumefor heterogeneous microstructure*) ( )ω~cosexp)( ccc SNgf =)2/cos(12lnccbS −=*))S(I)S(I1N c1c0c−=( ) trtNNrrrNV ijijijijijijijijij ∆=∆∆=⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −∆+=∆ v,,34 33exp & π( )( )33exp34 rrrNV −∆+=∆  π tNN ∆= & tr ∆=∆ v( ) expRXexpdefRX 1 VXVXV ∆−=∆=∆  ( )( )      ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=−−=nttNKX τexp1vexp143RX &exp1RXdef0RXmaxijnnnjjij VXXV ∆⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ −=∆ ∑=  47Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, Germany• Einleitung, Konzept der inneren Variablen• Thermodynamik• Plastizität• Rekristallisation• Beispiele• ZusammenfassungMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH- l -I tit t f  i f  4827.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungZusammenfassungf• Materialmodelle auf Basis innerer Variablen • Gefügesimulation• Nutzung von Beziehungen zwischen Gefüge und Eigenschaften• Geschichtsabhängigkeit / Gedächtnis des Werkstoffs• Grad der Homogenisierung metallkundlich entscheiden• Numerische Experimente• Vorhersage auch außerhalb des Anpassungsbereiches• Kopplung an andere Modelle auf der Basis von Gefügeparametern• Konstantenfit über Datenfelder physikalisch sinnvoll• Experimentelle Überprüfbarkeit durch Gefügebeobachtung• Lokales Engineering• Schädigung• Kopplung mehrere Modelle nötig: Thermodynamik / Kinetik + Plastizität +  RX / KW4927.09.2007 VDI Tagung Massivumformung 27. September 2007, LeonbergProfessor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Max-Planck-Institut für EisenforschungDanksagung und Verbundpartner  t¾ Hirschvogel Umformtechnik GmbH (HiVo)¾ Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE)¾ Georgsmarienhütte GmbH (GMH)¾ CDP Bharat Forge GmbH (CDP)¾ CPM Gesellschaft für Computeranwendung Prozess- und Materialtechnik mbH (CPM)¾ Industrieverband Massivumformung e.V. (IMU)¾ BMBF

Grundlagen der gefügeabhängigen Modellierung von Warmumformprozessen

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