Modeling of material behavior in metal forming

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Datorbaserade beräknings- och simuleringsmodeller har under de senaste två decennierna kommit att utgöra ett viktigt verktyg i industriella produktutvecklingsprocesser. Med sådana modeller och metoder kan utvecklingstiden kortas och kostnaderna minskas, till exempel genom att färre prototyper behöver framställas och genom att mängden kostsam provning kan reduceras. Bra simuleringsverktyg tillåter också att tillverkningsmetoderna förfinas samtidigt som materialutnyttjandet förbättras och mängden spillmaterial och kasserade produkter minskas. Detta leder till både ekonomiska och miljömässiga fördelar. För att kunna formulera pålitliga simuleringsverktyg är en korrekt beskrivning av materialbeteendet avgörande. Sådana konstitutiva modeller är ämnet för föreliggande avhandling. Med fokus på material och processer relaterade till metallformning presenterar avhandlingen olika konstitutiva modeller som beskriver några viktiga aspekter av materialbeteendet under dessa betingelser. Vid formulerandet av konstitutiva beräkningsmodeller är valet av modelleringsnivå första steget. Traditionellt är kontinuummekaniska formuleringar vanliga där fenomen på mikronivå medelvärdesbildas eller homogeniseras för att ge en motsvarande makroskopisk beskrivning av beteendet. Dessa formuleringar tillåter etablerandet av beräkningsmässigt effektiva datormodeller som passar simulering av industriella processer. Med ökande tillgång på datorkapacitet har det på senare år blivit allt vanligare med konstitutiva modeller formulerade på mikronivå eller med ännu finare längdskalor. Sådana beräkningsmodeller gör det möjligt att analysera enskilda korn i metallen eller till och med enskilda atomer. Dessa formuleringar lämpar sig i nuläget inte för simuleringar av processer av industriell skala men väl för detaljstudier av enskilda metallurgiska fenomen. Dessa studier kan sedan ligga till grund för exempelvis förbättrade kontinuummekaniska modeller och för ökat metallurgiskt kunnande. Som en medelväg kan modeller på en mesoskala användas där vissa inslag utgår från mikromekanisk bas medan huvuddelen av analysen sker på en makroskopisk nivå. Fem artiklar, A-E, ingår i denna avhandling. Artikel A beskriver martensitisk fasomvandling i rostfria stål utsatta för stora deformationer. Omvandlingen av det rostfria stålets initialt austenitiska mikrostruktur till en martensitisk sker oberoende av långsamma diffusionsprocesser och är i princip ögonblicklig. Eftersom materialegenskaperna skiljer stort mellan den austenitiska och den martensitiska mikrostrukturen är denna typ av fastransformation viktig att kunna kontrollera - och utnyttja - vid till exempel plåtpressning. I artikel B formuleras en konstitutiv modell som förutom stora deformationer också tar hänsyn till beroendet av deformationshastighet och temperatur. När en metall belastas så att permanenta deformationer uppstår sker den inelastiska deformationen genom att dislokationer - imperfektioner i atomstrukturen - ökar i antal, kommer i rörelse och länkas samman. Detta leder till en energiuppbyggnad internt i materialet. En stor del av denna energi avgår som värme medan en mindre del lagras i mikrostrukturen och ger ett makroskopiskt hårdare material. Denna termomekaniska koppling inkluderas i modellen. Många metalliska material har ett beteende som starkt beror av belastningshastigheten som därför är en viktig processparameter i exempelvis industriella smidesoperationer. Konstitutiva modeller som tar hänsyn till inelastiska och tidsberoende - viskösa - effekter benämns ofta som viskoplastiska. En sådan modell formuleras i artikel B. Metallformning utförs ofta vid förhöjda temperaturer för att öka materialets formbarhet. Temperaturökningen, som även sker på grund av deformationen själv, ökar dock också risken för oönskad deformationslokalisering och sprickbildning. Kopplingen mellan temperatur och deformationsbeteende studeras i artikel B. Den interna energiupplagringen på grund av inelastisk deformation av materialet kan som nämnts reduceras genom energiavgång i form av värme. Energireduktionen kan samtidigt också ske genom förändringar i metallens kornstruktur på mikronivå. Ny korn som innehåller en betydligt mindre volymsandel dislokationer än de befintliga kornen kan bildas och därmed minska den upplagrade energin. Denna så kallade rekristallisering kan ske genom ett antal olika typer av processer. Dynamisk kontinuerlig rekristallisering studeras i artikel C. Kornstorleken har stor inverkan på materialegenskaperna, inte minst i fråga om materialets formbarhet. Genom att i en metallformningsprocess kunna kontrollera olika parametrar och därigenom också styra rekristalliseringen, kan slutproduktens egenskaper optimeras. Modellen av martensitisk fastransformation som formulerades i artikel A vidareutvecklas i artikel D för att även ta hänsyn till temperaturberoenden. Både effekterna av varierande processtemperatur och av den inre uppvärmningen på grund av materialdeformationen beaktas. Det visar sig att temperaturinflytandet har mycket stor betydelse för hur fastransformationen fortlöper och påverkar det makroskopiska materialbeteendet. Modellerna i artiklarna A-D är alla kontinuummekaniska formuleringar, om än med varierande grad av mikromekaniska inslag. Den konstitutiva modell som formuleras i den sista artikeln, E, är en renodlat mikromekanisk modell av rekristalliseringsförlopp vid förhöjda temperaturer. Till skillnad från i artikel C sker rekristalliseringen här genom en diskontinuerlig dynamisk process. Modellen används i artikeln för att studera förändringar i kornstrukturen hos koppar under en formningssprocess.