Modelování globálních mechanických vlastností na základě experimentálního stanovení vlastností lokálních

Ing. Peter Burik, Ph.D.

Doctoral thesis

Modeling of global mechanical properties based on the experimental determination of local mechanical properties

Abstract:

Kombináciou chemického zloženia a podmienok spracovania môžeme vytvoriť širokú škálu ocelí s rôznou mikroštruktúrou, ktoré majú rôzne mechanické vlastnosti. Nízkouhlíková oceľ patrí medzi najpoužívanejšiu oceľ pre jej priemernú pevnosť, húževnatosť, zvariteľnosť a pod.. V súčasnosti sa však zvyšuje dopyt pre ocele, ktoré majú vysokú pevnosť a lepšie plastické vlastnosti ako má nízkouhlíková oceľ. Aby sme zlepšili mechanické vlastnosti ocelí s konvenčným chemickým zložením, je potrebné vytvárať ocele so zložitejšou mikroštruktúrou. Optimálnu mikroštruktúru s požadovanými pevnostnými a plastickými vlastnosťmi je možné dosiahnuť pomocou viacerých materiálových variant, ktoré sa najprv vyrobia a následne sa skúšajú ich mechanické vlastnosti. Hlavnou myšlienkou dizertačnej práce je vytvoriť a použiť fyzikálny model na vytvorenie materiálu s požadovanými vlastnosťami bez potreby rozsiahleho experimentálneho vyšetrovania. Tento model je založený na vzťahu medzi mikroštruktúrou a mechanickými vlastnosťami. Makroskopické (globálne) mechanické vlastnosti ocelí sú závislé od mikroštruktúry, kryštalografickej orientácie zrna, rozloženia jednotlivých fáz a pod.. Na vytvorenie fyzikálneho modelu je preto potrebné poznať mechanické vlastnosti jednotlivých fáz v oceli. Lokálne mechanické vlastnosti budeme merať v mierke veľkosti zrna. Nanomechanické testovanie pomocou inštrumentovanej indentačnej metódy predstavuje jednoduchý spôsob pre kvantitatívnu charakteristiku jednotlivých fáz v mikroštruktúre, pretože je to vhodná technika pre charakteristiku materiálov v malých objemoch. Pomocou inštrumentovanej indentačnej metódy môžeme merať lokálne mechanické vlastnosti (indentačnú tvrdosť HIT, indentačný modul EIT, indentačnú energiu: celkovú W, elastickú Wel, plastickú Wpl) jednotlivých mikroštruktúrnych zložiek v multifázovom materiáli. Tým získame informácie vhodné na vývoj nových materiálov a modelovanie. Aby sme mohli prepojiť mechanické vlastnosti v rôznych mierkach použijeme makromechanický prístup založený na objemovom podiele komponentu, ktorý umožňuje popísať heterogenity pomocou veličín mechaniky kontinua. Cieľom je odvodiť efektívne materiálové vlastnosti jednotlivých mikroštruktúrnych komponentov materiálu a kvantifikovať vplyv mikroštruktúrnych zložiek (hranice zrna, kryštalografická orientácia a pod.). V práci použijeme na modelovanie globálnych mechanických vlastností zmiešavacie pravidlo, to je, že makroskopické vlastnosti materiálu, zloženého z dvoch, alebo viacerých komponentov, získame ako súčet objemových podielov jednotlivých komponentov krát ich individuálne vlastnosti. Modelovanie pomocou zmiešavacieho pravidla budeme vykonávať v mikroštruktúrnom režime modelovania. Experimentálny materiál tvoria oceľové plechy používané v automobilovom priemysle, a to oceľový plech s jednokomponentnou mikroštruktúrou (oceľ bez interstícií), ktorá slúži na overenie spoľahlivosti zmiešavacieho pravidla a tri akosti oceľových plechov s dvojkomponentnou mikroštruktúrou (mikrolegovaná oceľ, dvojfázová oceľ).

Abstract:

The coupled combination of chemical composition and processing conditions is able to produce in steels a broad range of microstructures with various mechanical properties. Low carbon steel is most commonly applied because steel has an average strength, good toughness, weldability and formability, among others. However, it is an increasing demand for steels having higher strength and better plastic properties. In order to improve the mechanical properties of steels with conventional chemical composition it is necessary to establish complex microstructure. To find the optimum microstructure having desired relation of strength and plastic properties, it is necessary to produce different material variants. Usually the material is produced and then its properties are measured. The main idea of this work is using a physical model to prepare a virtual material with the required properties. The model is based on the relationship between the microstructure and mechanical properties. The macroscopic (global) mechanical properties of steel are highly dependent upon microstructure, crystallographic orientation of grains, distribution of each phase present, etc... We need to know the local mechanical properties of each phase separately in multiphase materials. The grain size is a scale, where local mechanical properties are responsible for the behavior. Nanomechanical testing using depth sensing indentation (DSI) provides a straightforward solution for quantitatively characterizing each of phases in microstructure because it is very powerful technique for characterization of materials in small volumes. Measuring the local properties (indentation hardness HIT, Young's modulus EIT, indentation energy: total W, elastic Wel, plastic Wpl) of each microstructure component separately in multiphase materials gives information that is valuable for the development of new materials and for modeling. A micromechanical approach based on volume fraction components enables to describe the heterogeneities with the help of continuum mechanical quantities and by this to link mechanical properties at different scales. Thereby it is the goal to derive effective material properties for the component from microstructure quantities and to quantify the effect of microstructural features (grain boundaries, crystallographic orientation, etc.). The PhD thesis used to model global mechanical properties of the mixing rule. The rule of mixture means - macroscopic properties of aggregates or composites consisting of two or more constituents can be obtained as the sum of the volume fraction of the components times their individual properties. It is used to model composite materials, which comprise aggregates of two or more components or phases. Modeling by mixture rules will be implemented in microstructure modeling mode. The experimental materials consists of steel sheet which are used in the automotive industry. Thin steel sheet with single component microstructure (interstitial free steels), which is used to verify the reliability of the mixing rule and three grades of thin steel sheets with two-component microstructure (microalloyed steel, dual phase steels).

Keywords

materiálový model, zmiešavacie pravidlo, mikroštruktúrny modelovací režim, inštrumentovaná indentačná metóda, tenké oceľové plechy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 14. 3. 2017
• Supervisor: prof. Ing. Ladislav Pešek, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Materials engineering