Residual stresses in hot bulk formed parts: microscopic stress analysis for austenite-to-martensite phase transformation

Abstract

In this contribution, the two-scale analysis of residual stress states in a hot bulk formed part with subsequent cooling in the framework of the $$\hbox {FE}^2$$ FE 2 -method is presented. The induction of specific residual stress states in order to improve a component’s properties is an area of current research. In general, residual stresses can be induced inside a component in different ways, e.g., quenching, phase transformation in hot forming processes or dislocation movements. It is widely known that different types of residual stresses can be characterized based on the scale the type acts on. In addition to the macroscopic residual stress analysis, in which residual stresses of first type are considered, this contribution specifically analyzes the microscopic residual stress evolution as a consequence of the cooling of the component.

Numerical investigation of hot bulk forming processes with respect to the resulting residual stress distribution

“…An isothermal boundary value problem of the microscopic balance of linear momentum is solved considering periodic boundary condition. Details on the representation of the austeniteto-martensite phase transformation on microscopic level are given in [18,21]. For further explanation regarding the multi-scale Finite Element Method or micro-macro transition approach see for instance [22] or [23].…”

On the three‐dimensional numerical analysis of residual stresses on two scales in hot bulk forming parts

“…Thus, to incorporate the phase transformation in the RVE, some elements account for martensite and all others remain austenite. These martensitic elements are chosen based on 𝑐 M , so that the volume of the The location of these martensitic elements in the RVE is defined following two different strategies: the first possibility is an arbitrary switch [28,29] and the second possibility is to define a more structured manner, referred to as grain like structure (cf. Figure 8A, C, and E).…”

Numerische Prozessauslegung zur gezielten Eigenspannungseinstellung in warmmassivumgeformten Bauteilen unter Berücksichtigung von Makro- und Mikroskala

“…2.3 erläutert, ermöglicht eine FE 2 -Simulation die Analyse physikalischer Größen auf verschiedenen Skalen, hier insbesondere der Eigenspannungen in Folge der Abkühlung und der damit verbundenen Phasentransformation von Austenit zu Martensit. Unter Verwendung der mehrskaligen Modelle, [27] und [28] Auf der dünnwandigen Seite zeigen die experimentellen Ergebnisse der Variante "Spray dick" höhere Zugspannungen im Vergleich zur Simulation. Zum Beispiel werden bei MP6 σt = 222 MPa gemessen, im Gegensatz zur berechneten Spannung von σt = 65 MPa.…”

“…4 links unten. Auf dieser Skala wird die mikroskopische Austenit-Martensit-Phasentransformation in der Materialmodellierung berücksichtigt, wie es in[27] und[28], detailliert vorgestellt ist.…”

“…Die Temperatur wird dabei aus der Lösung der Energiebilanz auf Makroskala gewonnen. Details zum Materialmodell sowie zur Wahl der phasenspezifischen und temperaturabhängigen Materialparameter finden sich in[27] und[28].Bei der numerischen Umsetzung der Sprayfeldabkühlung sind inhomogenere Temperaturverteilungen auf den Rändern in Bezug auf die Randbedingungen zu berück-K 4 Numerische Prozessanalyse und experimentelle Evaluation der FE-Modelle 4.1 Numerische Prozessauslegung mittels makroskopischer trial-and-error FE-Simulationen nungen auf dem Umfang der Probe sind ebenfalls in Abb. 6 in Abhängigkeit vom Positionswinkel θ dargestellt.…”