Onderzoeksproject P6/24 (Onderzoeksactie P6)
Algemene Context
Sterkte en vervormbaarheid van polykristallijne metalen worden bepaald door fenomenen die zich manifesteren op verschillende lengteschalen. Op de schaal, die wij de “nanoscopische” zouden noemen, worden dislocaties gecreëerd en voortgestuwd door de aangelegde spanning om zo plastische vervorming op de nano-schaal te bewerkstelligen. Op de micro-schaal interageren grote aantallen dislocaties en deze herorganiseren zichzelf in complexe patronen. Op nog hogere schalen maakt massaal collectief gedrag van deze dislocaties en patronen de plastische vervorming van volledige korrels mogelijk. Op hun beurt interageren deze met elkaar wat uiteindelijk leidt tot een bepaalde mechanische respons van het materiaal op de macroscopische schaal (d.w.z., de kleinste schaal waarop ernaar kan worden gekeken als een continuüm). De respons van het materiaal op de aangelegde spanningen hangt van al deze fenomenen af. Gebeurtenissen op de verschillende lengteschalen kunnen ook belangrijke veranderingen in het materiaal veroorzaken, zoals de microstructuur, interne schade en mechanische eigenschappen (sterkte en ductiliteit). Merk op dat de rol van dislocaties gedeeltelijk kan worden overgenomen door mechanische tweelingsvorming of andere spannings-geïnduceerde fasetransformaties.
Dit alles is uitgebreid bestudeerd op al deze lengteschalen. Deze studies hebben zeker en vast hun verdienste, en hebben geleid tot belangrijke experimentele observaties en theoretisch begrip van het materiaalgedrag op deze lengteschalen. Maar in de voorbije jaren is het overduidelijk geworden dat de gebeurtenissen op iedere lengteschaal ook gebeurtenissen op andere lengteschalen beïnvloeden en dat een meer significante vooruitgang in het begrijpen (en modelleren) van materiaalgedrag kan worden bereikt door deze relaties te bestuderen in plaats van de kennis op elke relevante lengte schaal afzonderlijk verder te verfijnen. Tot slot treden er sterke afmetingseffecten op wanneer structurele dimensies, zoals bijvoorbeeld de filmdikte of de korrelgrootte, beginnen te interageren met de gemiddelde vrije weglengte van dislocaties of de dislocatiecelgrootte, wat een volledige nieuwe en bijna ononderzochte fysica met zich meebrengt.
Vanuit technologisch gezichtspunt omvat de motivatie om deze fenomenen nader te bekijken de mogelijkheid tot ontwikkeling van performantere materialen, de optimalisatie van fabricagetechnieken en een verbetering van inschattingsmethoden van de kwaliteit van ontwerp- en integriteit van zowel traditionele (transport, energie) als opkomende (MeMS, multifunctionele actieve panelen) structuren.
Tot zo ver de beschrijving van het gebied waartoe het voorliggende project wil bijdragen. Om dit te bereiken, werden volgende objectieven formeel gedefinieerd:
Objectieven
1. Begrijpen en modelleren van de twee-richtingsrelatie tussen de structuur van metalen op nano/ micro/ meso-schaal en het mechanische gedrag op de macro-schaal.
“Structuur” is een algemeen begrip dat dislocatie patronen, microstructuur, korrelstructuur, kristallografische textuur en schade omvat. “Mechanisch Gedrag” omvat vloeispanning, vervormingsversteviging en –verzachting, effecten van verandering van vervormingspad, ductiele breuk en plastische anisotropie. Aandacht moet uitgaan naar de koppeling tussen de lengteschalen. Dit laatste wordt geacht om een heel aantal fenomenen te beïnvloeden of erdoor te worden beïnvloed, waarvan de volgende in rekening zullen worden genomen : dislocaties, mechanisch tweelingsvorming, de competitie tussen deze twee, heterogene verdeling van spanning en vervorming, afmetingseffecten en ten slotte ook het vergelijken van gedrag bij lage en bij zeer hoge vervormingssnelheden.
2. Ontwikkeling van modellen voor het mechanisch materiaalgedrag op de macro-schaal om te gebruiken in eindige elementen simulaties op technische schaal.
Een essentieel aspect is het ontwikkelen van geschikte schema’s voor de identificatie van de parameters van deze macro-schaal modellen op basis van voorspellingen gemaakt door de multischaal-modellen. Dit laatste komt voort uit de verwezenlijking van het voorgaande objectief. Een uitdrukkelijke klemtoon zal worden gelegd op de numerieke stabiliteit en de efficiëntie van de eindige elementen codes voor de technische schaal na de implementatie van de macro-schaalmodellen, waarbij de noodzaak van het incorporeren van fysische lengteschalen in rekening zal worden gebracht.
Keuze van Gevallenstudies
Om dit te bereiken werden verscheidene uitdagende gevallenstudies geselecteerd die zullen worden uitgevoerd in het kader van de Work Packages (Ned.: takenpaketten) zoals hieronder beschreven. Deze omvatten krg, kvg en hdp metalen, zowel éénfasig als tweefasig.
Work Packages
WP1: “Multischaal aanpak van dislociatie gedomineerde plasticiteit” (P1,P2,P3,P4,P6,EU1,EU2,EU3)
Experimenteel en theoretische studie van plastische vervorming van Al, Nb, Fe, Ta, tweefase staal, dunne filmen. Aandacht voor (waar van toepassing) dislocatie interacties, korrel fragmentatie, textuur, vervormingversteviging/verzachting, alsook voor verandering van vervormingpad, vervorminggradiënten, afmetingeffecten. Experimentele technieken omvatten sterke plastische vervorming, macro- en micro-mechanisch testen, nano-indentatie, TEM, SEM en EBSD. De theoretische aanpak omvat dislocatietheorie, kristalplasticiteit en macroscopische plasticiteittheorie, multischaalmodelleren met inbegrip van kristalplasticiteits eindige-elementenmodellen (CPFEM).
WP2: “Multischaal aanpak van tweelingvorming-gedomineerde plasticiteit” (P1,P2,P3,P4,P5,P6,EU2,EU3)
Experimentele en theoretische studie van de plastische vervorming van Ti, Zr en TWIP-staal. De focus zal liggen op de competitie tussen dislocatieglijding en mechanische tweelingvorming, textuur, vervormingversteviging/verzachting, vervorminggradiënten, afmetingeffecten. Experimentele technieken omvatten mechanische testen, nano-indentatie, TEM, SEM en EBSD. De theoretische aanpak omvat dislocatietheorie, theorie van tweelingvorming, kristalplasticiteit en macroscopische plasticiteittheorie, multischaalmodelleren met inbegrip van CPFEM.
WP3: “Multischaal aanpak van de nucleatie en de verdere ontwikkeling van schade” (P1,P3,P4,P5,P6,EU1,EU2)
Experimenteel en theoretische studie van de plastische vervorming van “generische metalen”, dual-phase en TWIP staal, en Ti legeringen. De focus zal liggen op de interactie tussen de nucleatie en de verdere ontwikkeling van holtes en scheuren, op de anisotropie, vervormingversteviging, -verzachting en viskeuze effecten geassocieerd met de matrix, alsook op de mogelijke afmetingeffecten die optreden bij zeer kleine schaal schadefenomenen. Experimentele technieken omvatten mechanische testen, ook bij zeer hoge vervormingssnelheden, TEM, SEM en EBSD. De theoretische aanpak omvat kristalplasticiteit en macroscopische plasticiteittheorie, breukmechanica, schadetheorie, multischaalmodelleren met inbegrip van de kristalplasticiteit eindige elementen methode.
WP4: “Hiërarchische multischaalmodellering van mechanisch gedrag” (P1,P3,P4,P6,EU2)
Ontwikkeling van een modelleerstrategie voor het begin van plasticiteit bij multi-axiale belastingscondities waarbij de parameters van het model op de macro-schaal worden geïdentificeerd door gebruik te maken van voorspellingen van de multischaalmodellen. Aandacht voor de speciale vereisten van HDP metalen (verschillende vloeispanning in trek en in druk), als ook voor de evolutie van textuur/microstructuur/schade tijdens vervorming. Experimentele technieken omvatten vormgeving en mechanische testen. Theoretisch werk zal ook de implementatie van de macro-schaalmodellen in technische eindige elementen modellen omvatten, waaronder het ontwikkelen van nieuwe elementtypes.
Interacties tussen Work Packages.
- WP1 en WP2 hebben veel gemeenschappelijke gebieden: dislocatie glijden, afmetingeffecten, interacties tussen korrels, verscheidene experimentele technieken, multischaalmodelleren. Transversale samenwerking tussen de work packages zal worden georganiseerd op deze gebieden.
- WP3 zal steunen op de vorderingen geboekt in WP1 en WP2 op het vlak van de beschrijving van het plastische vervorminggedrag.
- WP1, WP2 en WP3 moeten de multischaalmodellen aanleveren die WP4 nodig heeft om zijn macroscopische modellen te identificeren, zowel voor het genereren van de spanningstoestanden waarbij de start van plasticiteit of schade plaatsvindt, als voor de evolutie van textuur/microstructuur/schade bij bijkomende vervorming. Deze twee toepassingen vereisen verschillende multischaal modellen van verschillende types.
