Residual stresses in hot bulk formed parts: two-scale approach for austenite-to-martensite phase transformation

Abstract

In production engineering, current research focuses on the induction of targeted residual stress states in components in order to improve their properties. Therein, the combination of experiment and simulation plays an important role. In this contribution, a focus is laid on the investigation of hot forming processes with subsequent cooling. A numerical approach is presented to analyze the distribution of residual stresses resulting from cooling of a cylinder with an eccentric hole made of chromium-alloyed steel. The occurring phase transformation, which is evoked by cooling, is considered in order to compute residual stress distributions inside the material.

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

“…Fig. 9: Sketch of two-step interpolation scheme to determine yield stress y and linear hardening parameter h dependent on temperature θ and accumulated plastic strains εeq, adopted from [18]. Fig.…”

“…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].…”

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.…”