Ultrasonic Consolidation (UC) is a solid state additive manufacturing process which fabricates three-dimensional objects by ultrasonically joining metal foils together, layer-bylayer, to form a solid part. A wide range of materials can be used to fabricate parts by UC and products with complex internal geometry can be generated by shaping the crosssection throughout the build using Computer Numerically Controlled (CNC) milling. As a result of its ability to embed various secondary materials and fibres in metal matrices, UC has emerged as a potential method of fabricating multi-functional materials and structures.

In den letzten Jahrzehnten hat sich auf dem Gebiet der phänomenologischen Metallplastizität eine schleichende Revolution vollzogen. Dank der gestiegenen Rechenleistung, in Kombination mit ausgereiften numerischen Algorithmen, sind viele technisch relevante Problemstellungen einer zuverlässigen numerischen Analyse zugänglich gemacht worden. Beispielsweise ermöglicht die Metallumformsimulation, als häufigste Anwendung der Plastizitätstheorie, eine Analyse des Eigenspannungszustandes und der Rückfederung in plastisch umgeformten Halbzeugen und Bauteilen. Solche Simulationen sind für die Planung energie- und ressourceneffizienter Herstellungsprozesse sowie für die Ausnutzung der plastischen Tragfähigkeitsreserven von großer Bedeutung. Die Crashtest-Simulation ist die zweithäufigste Anwendung, die in der Automobilindustrie und auch zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt wird. Aus der Notwendigkeit, das Verhalten metallischer Werkstoffe auf Bauteilebene hinreichend genau zu beschreiben, resultiert die Motivation für eine breit angelegte Studie zur Materialmodellierung. Dabei führt die beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Phänomene und Effekte, die berücksichtigt werden müssen, zu einer großen Vielfalt von Materialmodellen. Da die Lösung komplizierter praktischer Probleme mit einem sehr großen numerischen Aufwand verbunden ist, wird der vorteilhafte phänomenologische Zugang bevorzugt. Bei der Konzeption von neuen phänomenologischen Materialmodellen müssen folgende Aspekte beachtet werden: die Genauigkeit bei der Beschreibung des Materialverhaltens; die Stabilität und Robustheit von zugehörigen numerischen Algorithmen; die numerische Effizienz; die zuverlässige Parameteridentifikation für einen möglichst großen Anwendbarkeitsbereich; die Anschaulichkeit und Einfachheit des Materialmodells. Im Allgemeinen stehen diese Anforderungen an ein "gutes Materialmodell" zwar in einem gewissen Widerspruch zueinander, bilden andererseits aber das Grundgerüst für eine systematische Studie. Obwohl sich die vorliegende Arbeit vordergründig an erfahrene Spezialisten im Bereich der Kontinuumsmechanik wendet, sind die darin präsentierten Modelle und Algorithmen auch für praktisch tätige Berechnungsingenieure von Interesse. / In the last decades, a creeping revolution was taking place in the area of the phenomenological metal plasticity. Due to the increased computational power, combined with refined numerical algorithms, many of technically relevant problems are now available for the numerical analysis. In particular, the metal forming simulation is a typical application of the metal plasticity. It enables the analysis of the residual stresses and spring back phenomena in plastically deformed workpieces and components. Such analysis is advantageous for planning of energy and resource-efficient manufacturing and for exploitation of plastic reserves of bearing capacity. The crash test simulation is the second most common application of metal plasticity, highly celebrated in the automotive industry and gaining increasing popularity in the aircraft industry. The need for sufficiently accurate description of metal behaviour on the macroscale motivates wide-ranging studies on material modelling. The large number of different effects and phenomena contributes to the large manifold of material models. The current work deals with the phenomenological approach, due to its great suitability for the solution of practical problems. The following aspects should be taken into account upon the construction of new phenomenological models: the accurate description of the material behaviour, the stability and robustness of the corresponding numerical algorithms, the numerical efficiency, the reliable parameter identification for a sufficiently large application area, the clearness and simplicity of the material models. In general, these requirements imposed on a "good material model" contradict each other. In this work, however, they are complimentary to each other and build a framework for a systematic study. Although this work is written primarily for experts on the continuum mechanics, the presented models and algorithms can be of interest for practically working engineers.

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

Die Arbeit widmet sich dem Fließverhalten von Stählen bei zyklisch inkrementeller Torsion. Dazu werden vergleichend Reineisen und der ferritisch-perlitische Stahl 42CrMo4N bei unterschiedlichen Verformungspfaden betrachtet. Vor allem in zyklischen Torsionsversuchen mit bleibendem Verformungsinkrement je Zyklus werden Fließkurvenverläufe und Verformungsverfestigung analysiert. Die Ergebnisse belegen den Einfluss des lamellaren Zementit auf das Fließverhalten des Stahls 42CrMo4N, während die Eigenschaften des Reineisens von der entstehenden Versetzungszellstruktur bestimmt werden. Die Richtungsabhängigkeit der Fließspannung und die Verläufe der Fließkurven unterscheiden sich für die betrachteten Werkstoffe deutlich. Fließortkurven dienen der quantitativen Beschreibung der Verfestigung. Die Vorgehensweise zu ihrer Ermittlung und ihre Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen und den Verformungszuständen werden gezeigt. Bei Reineisen dominieren isotrope, bei dem Stahl 42CrMo4N kinematische Verfestigungsanteile das Fließverhalten. / Ferritic-pearlitic steel 42CrMo4N and pure iron under different strain paths are compared regarding their flow behaviour. Mainly in cyclic torsion tests with resulting strain increment per cycle shear stresses and strain hardening are analysed. The results show, that the cementite lamellae determine the flow behaviour of the steel 42CrMo4N, whereas the properties of pure iron are governed by the evolving dislocation cell structure. The dependency of flow stress on the strain direction is different for the two materials. Yield surfaces describe strain hardening quantitatively. The procedure for yield point detection and the dependency of subsequent yield surfaces on experimental conditions and strain states is shown. For pure iron isotropic hardening, for steel 42CrMo4N kinematic strain hardening dominates the flow behaviour.

In den letzten Jahrzehnten hat sich auf dem Gebiet der phänomenologischen Metallplastizität eine schleichende Revolution vollzogen. Dank der gestiegenen Rechenleistung, in Kombination mit ausgereiften numerischen Algorithmen, sind viele technisch relevante Problemstellungen einer zuverlässigen numerischen Analyse zugänglich gemacht worden. Beispielsweise ermöglicht die Metallumformsimulation, als häufigste Anwendung der Plastizitätstheorie, eine Analyse des Eigenspannungszustandes und der Rückfederung in plastisch umgeformten Halbzeugen und Bauteilen. Solche Simulationen sind für die Planung energie- und ressourceneffizienter Herstellungsprozesse sowie für die Ausnutzung der plastischen Tragfähigkeitsreserven von großer Bedeutung. Die Crashtest-Simulation ist die zweithäufigste Anwendung, die in der Automobilindustrie und auch zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt wird. Aus der Notwendigkeit, das Verhalten metallischer Werkstoffe auf Bauteilebene hinreichend genau zu beschreiben, resultiert die Motivation für eine breit angelegte Studie zur Materialmodellierung. Dabei führt die beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Phänomene und Effekte, die berücksichtigt werden müssen, zu einer großen Vielfalt von Materialmodellen. Da die Lösung komplizierter praktischer Probleme mit einem sehr großen numerischen Aufwand verbunden ist, wird der vorteilhafte phänomenologische Zugang bevorzugt. Bei der Konzeption von neuen phänomenologischen Materialmodellen müssen folgende Aspekte beachtet werden: die Genauigkeit bei der Beschreibung des Materialverhaltens; die Stabilität und Robustheit von zugehörigen numerischen Algorithmen; die numerische Effizienz; die zuverlässige Parameteridentifikation für einen möglichst großen Anwendbarkeitsbereich; die Anschaulichkeit und Einfachheit des Materialmodells. Im Allgemeinen stehen diese Anforderungen an ein "gutes Materialmodell" zwar in einem gewissen Widerspruch zueinander, bilden andererseits aber das Grundgerüst für eine systematische Studie. Obwohl sich die vorliegende Arbeit vordergründig an erfahrene Spezialisten im Bereich der Kontinuumsmechanik wendet, sind die darin präsentierten Modelle und Algorithmen auch für praktisch tätige Berechnungsingenieure von Interesse. / In the last decades, a creeping revolution was taking place in the area of the phenomenological metal plasticity. Due to the increased computational power, combined with refined numerical algorithms, many of technically relevant problems are now available for the numerical analysis. In particular, the metal forming simulation is a typical application of the metal plasticity. It enables the analysis of the residual stresses and spring back phenomena in plastically deformed workpieces and components. Such analysis is advantageous for planning of energy and resource-efficient manufacturing and for exploitation of plastic reserves of bearing capacity. The crash test simulation is the second most common application of metal plasticity, highly celebrated in the automotive industry and gaining increasing popularity in the aircraft industry. The need for sufficiently accurate description of metal behaviour on the macroscale motivates wide-ranging studies on material modelling. The large number of different effects and phenomena contributes to the large manifold of material models. The current work deals with the phenomenological approach, due to its great suitability for the solution of practical problems. The following aspects should be taken into account upon the construction of new phenomenological models: the accurate description of the material behaviour, the stability and robustness of the corresponding numerical algorithms, the numerical efficiency, the reliable parameter identification for a sufficiently large application area, the clearness and simplicity of the material models. In general, these requirements imposed on a "good material model" contradict each other. In this work, however, they are complimentary to each other and build a framework for a systematic study. Although this work is written primarily for experts on the continuum mechanics, the presented models and algorithms can be of interest for practically working engineers.

ヘテロ構造組織を有する鉄・非鉄金属の組織形態に注目して,微視的構造やその挙動が巨視的現象(変形特性,成形性)として発現するメカニズムを解明することを目的とした.鉄系金属ではDual Phase型高張力鋼のスプリングバック現象のひずみ速度依存性,非鉄系金属では半凝固鋳造法と強ひずみ加工を組み合わせた亜共晶アルミニウム合金の衝撃後方押出し成形性に注目した.これらの検討によりいずれの試料においても,結晶粒界よりもスケールの大きいヘテロ構造に由来した変形機構が支配的であることが明らかになった. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University