Crystal Plasticity Simulation of the Thermo-mechanical Behavior in Polycrystalline Metals

Li, Jifeng (2019). Crystal Plasticity Simulation of the Thermo-mechanical Behavior in Polycrystalline Metals. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57634.

Description

Title: Crystal Plasticity Simulation of the Thermo-mechanical Behavior in Polycrystalline Metals
Author/s:
  • Li, Jifeng
Contributor/s:
  • Segurado Escudero, Javier
  • Romero Olleros, Ignacio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los metales y sus aleaciones juegan un papel importante en nuestra sociedad por lo que la comprensión y la predicción de su comportamiento, y en particular en los procesos de mecanizado, es de interés tanto científico como industrial. El resultado en este último caso debe conducir a la optimización del proceso, y en última instancia a una reducción de costes y aumento de productividad. En los procesos termo-mecánicos que tienen lugar durante el mecanizado de metales, estos experimentan grandes deformaciones, altas velocidades de deformación y temperaturas. La respuesta de los metales en estas condiciones es muy compleja y se complica aún más debido al fuerte acoplamiento entre los fenómenos mecánicos y térmicos. Para simular con precisión dicha respuesta es necesario un entorno de simulación multi-campo que represente fielmente la respuesta mecánica, la térmica y también su interacción. Tal entorno se puede construir empleando el método de los elementos finitos (MEF). Cuando se emplea el MEF, la precisión depende en gran medida del modelo constitutive empleado. De hecho, los modelos constitutivos habitualmente empleados para modelar la respuesta de metales son, a menudo, fenomenológicos, ignorando la anisotropía propia de la plasticidad y la heterogeniedad debida a la microestructura de los policristales. Estas simplificaciones limitan, a priori, la precisión de las simulaciones que los emplean. Para subsanar estas limitaciones, en esta tesis se desarrolla un modelo termo-elasto-visco-plástico basado en plasticidad cristalina de metales. Con este modelo, formulado para monocristales, se podrá relacionar la deformación macroscópica con los procesos microscópicos de deslizamiento de dislocaciones y de reorientación cristalográfica. Los metales y aleaciones que se usan habitualmente en ingeniería son materiales policristalinos, formados por numerosos cristales. Cada punto macroscópico puede representar un gran número de granos cristalinos, del orden de un millón. Es difícil representar la compleja geometría de estos granos y su orientación, incluso para un único punto macroscópico, así que su modelado preciso mediante el MEF es imposible. Para relacionar la respuesta macroscópica de un punto material y su comportamiento microestructural han de emplearse técnicas de homogeneización. En este trabajo se desarrollan modelos homogeneizados computacionalmente. En ellos, cada punto material macroscópico se simula con un elemento de volumen representativo (RVE) de la microestructura. En este elemento, que incluye un gran número de granos cristalinos, se resuelve un problema de valores de contorno y se obtiene tanto la respuesta global como la de los campos microscópicos. El modelo empleado tiene en cuenta los fenómenos mecánicos y también las deformaciones de origen térmico, el calor generado por la plasticidad, la conducción en la micro-escala y los efectos que la temperatura tiene sobre las propiedades plásticas de los cristales. El mecanizado es una de las técnicas de fabricación más comunes. Debido a su importancia crucial en la industria moderna, es interesante conocer con profundidad los mecanismos de deformación que ocurren en las piezas que son mecanizadas y, para ello, construir un entorno de simulación predictivo, capaz de relacionar parámetros materiales con propiedades finales. Si esto se lograra, se podría emplear para optimizar las condiciones del mecanizado, mejorar la calidad de las piezas fabricadas de esta manera y, en última instancia, lograr reducción de costes. Sin embargo, el proceso de mecanizado es extremadamente complejo, y desde el punto de vista de simulación involucra el modelado del contacto, de grandes deformaciones, de fractura, plasticidad y de calor generado por deformación plástica. Usando las técnicas desarrolladas en la primera parte de la tesis doctoral y el MEF se estudiará en la parte final el corte ortogonal de un acero ferrítico-perlítico C45 con bajo contenido de carbono. Para describir este acero se desarrollará un modelo constitutivo específico que tendrá en cuenta las heterogeneidades microestructurales del mismo, y se integrará en una subrutina VUMAT de Abaqus/Explicit. Empleando una discretización puramente Lagrangiana con eliminación de elementos e integración explícita se simulará el proceso de corte. Los resultados numéricos obtenidos muestran una concordancia aceptable con medidas experimentales del proceso y además proporcionan información microestructural (de tensiones, deformación plástica, etc.) que no pueden analizarse con modelos fenomenológicos habituales (por ejemplo, el modelo de Johnson-Cook). ----------ABSTRACT---------- Metals and alloys play an important role in our society. Hence, understanding and further predicting their behavior, and in particular under machining processes, is of great scientific and industrial interest. Such an understanding will prove instrumental for the optimization of machining conditions, which will further lead to a reduction of cost and an increase of productivity. Under thermomechanical processes including the machining process, polycrystalline metals usually undergo large deformations, high strain rates and high temperatures. The response of metals in these processes is very complex since their mechanical behavior is often strongly coupled with thermal phenomena. Accurate simulations of such processes require a fully coupled modeling framework that can accurately describe both the mechanical and the thermal behavior of the material, as well as their interaction. Such a complex multi-physics nonlinear framework could be established with the commonly used finite element method (FEM). In FEM, the simulation accuracy is largely dependent on the constitutive model employed. Conventional constitutive models are usually phenomenological and lack the description of the plasticity anisotropy and microstructure heterogeneity that polycrystalline metals exhibit, limiting their simulation accuracy. To address this issue, in this research an elasto-visco-thermo-plastic constitutive model based on crystal plasticity theory is developed for single crystals, which could connect the macroscopic plastic deformation behavior with the dislocation glide along slip systems and crystal reorientation. Actual engineering metals and alloys are usually polycrystalline materials, made of numerous single crystals. Each macroscopic material point may represent a huge amount of grains, up to millions. For this reason it is difficult to precisely capture the detailed shapes and orientations of all the grains in a macroscopic point, and even more difficult to reproduce this microstructure in a finite element simulation due to the prohibitively computational cost. To link the macroscopic response of a material point and the underlying microstructure, homogenization approaches need to be constructed. In this research, the computational homogenization approach, which represents a macroscopic material point with a representative element volume (RVE) of the microstructure and obtains the macroscopic response and microscopic field distribution solving a boundary value problem on the RVE, is employed to study the response of polycrystalline metals during deformation. The modeling approach accounts for thermal strains, heat generation and conduction at the microscale, and the effect that this microscopic temperature field has on the crystal response through a temperature dependent crystal plasticity model. Machining is one of the most commonly used manufacturing operations. Due to its crucial importance in modern industry, an in-depth understanding of the mechanisms and an accurate predictive simulation framework that could link the machining parameters with output variables could optimize the machining conditions and finally lead to notable enhancement of product quality, improvement of manufacturing productivity and reduction of economical cost. A machining process is a complicated nonlinear multiphysics problem as it usually involves contact, large deformations, fracture, as well as heat generation and conduction. Such a complex problem is usually resolved with the finite element method. In this study, the orthogonal cutting process of low carbon steel C45, a typical ferrite-pearlite steel, under various machining conditions is simulated. As the accuracy of a finite element analysis is mainly dependent on the constitutive relation employed, to better describe the material behavior of ferrite-pearlite steel subjected to large strain, high strain rate and high temperature and account for its plastic anisotropy and microstructure heterogeneity features, a microstructure informed elasto-visco-thermo-plastic constitute model based on the crystal plasticity model is proposed and integrated into ABAQUS/Explicit as a user defined subroutine VUMAT. A pure Lagrangian method with element deletion technique is adopted. The numerical results show acceptable agreement with experimental data and it could also capture the heterogeneous distribution of stress in the contact face due to the use of microstructure based constitutive model, which could not be observed with other conventionally used models, such as Jonhson-Cook’s.

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Item ID: 57634
DC Identifier: http://oa.upm.es/57634/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57634
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57634
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 15 Jan 2020 07:32
Last Modified: 15 Jul 2020 22:30
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