In this work, we have investigated the internal stress contribution to the flow stress for a commercial 6xxx aluminium alloy (AA6111). In contrast to stresses from forest and precipitation hardening, the internal stress cannot be assessed properly with a uniaxial tensile test. Instead, tension-compression tests have been used to measure the Bauschinger stress and produce a comprehensive study which examines its evolution with i) the precipitation structure and ii) a wide range of applied strain. A large set of ageing conditions was investigated to explore the effect of the precipitation state on the development of internal stress within the material. It is shown that the Bauschinger stress generally increases with the applied strain and critically depends on the precipitate average radius and is thus linked to the shearable/non shearable transition. Further work in the case of non-shearable particles shows that higher strain eventually lead to particle fracture and the Bauschinger stress then rapidly decreases. Following the seminal work of Brown et al, a physically based approach including plastic relaxation and particle fracture is developed to predict the evolution of the internal stress as a function of the applied strain. Knowing the precipitation structure main characteristics –such as the average precipitate radius, length and volume fraction– allows one to estimate accurately the internal stress contribution to the flow stress with this model.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 144-155).

abstract: The stability of nanocrystalline microstructural features allows structural materials to be synthesized and tested in ways that have heretofore been pursued only on a limited basis, especially under dynamic loading combined with temperature effects. Thus, a recently developed, stable nanocrystalline alloy is analyzed here for quasi-static (<100 s-1) and dynamic loading (103 to 104 s-1) under uniaxial compression and tension at multiple temperatures ranging from 298-1073 K. After mechanical tests, microstructures are analyzed and possible deformation mechanisms are proposed. Following this, strain and strain rate history effects on mechanical behavior are analyzed using a combination of quasi-static and dynamic strain rate Bauschinger testing. The stable nanocrystalline material is found to exhibit limited flow stress increase with increasing strain rate as compared to that of both pure, coarse grained and nanocrystalline Cu. Further, the material microstructural features, which includes Ta nano-dispersions, is seen to pin dislocation at quasi-static strain rates, but the deformation becomes dominated by twin nucleation at high strain rates. These twins are pinned from further growth past nucleation by the Ta nano-dispersions. Testing of thermal and load history effects on the mechanical behavior reveals that when thermal energy is increased beyond 200 °C, an upturn in flow stress is present at strain rates below 104 s-1. However, in this study, this simple assumption, established 50-years ago, is shown to break-down when the average grain size and microstructural length-scale is decreased and stabilized below 100nm. This divergent strain-rate behavior is attributed to a unique microstructure that alters slip-processes and their interactions with phonons; thus enabling materials response with a constant flow-stress even at extreme conditions. Hence, the present study provides a pathway for designing and synthesizing a new-level of tough and high-energy absorbing materials. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2017

In this work, the Bauschinger effect is shown to be intimately tied not only to plasticity but to damage as well. The plasticity-damage effect on the Bauschinger effect is demonstrated by employing different definitions (Bauschinger Stress Parameter, Bauschinger Effect Parameter, the Ratio of Forward-to-Reverse Yield, and the Ratio of Kinematic-to-Isotropic Hardening) for two differently processed aluminum alloys (rolled and cast) in which specimens were tested to different prestrain levels under tension and compression. Damage progression from second phase particles and inclusions that were generally equiaxed for the cast A356-T6 aluminum alloy and elongated for the rolled 7075 aluminum alloy was quantified from interrupted experiments. Observations showed that the Bauschinger effect had larger values for compression prestrains when compared to tension. The Bauschinger effect was also found to be a function of damage to particles/inclusions, dislocation/particle interaction, the work hardening rate, and the Bauschinger effect definition.

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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.

Bei den Verfahren der partiellen Massivumformung, wie dem Bohrungsdrücken, erfährt der Werkstoff eine zyklische Plastifizierung. Dabei bedeutet „zyklisch“ einerseits, dass jedes Werkstoffsegment nur temporär im Umformeingriff ist und dass andererseits der Werkstoff alternierend plastifiziert wird. Inhalt der Arbeit ist die Beschreibung der Geometrie der Umformzone beim Bohrungsdrücken mit Hilfe der Computertomographie und die Untersuchung des zyklisch plastischen Werkstoffverhaltens mit verbleibendem Umforminkrement pro Umformzyklus an Hand von Torsionsuntersuchungen. Mit der Computertomographie ist es gelungen, eine Umformzone bei der partiellen Massivumformung zerstörungsfrei zu analysieren. Die Umformzone kann in zwei Verformungsbereiche aufgeteilt werden. Im Stempelbereich wird der Werkstoff unter einem hohen hydrostatischen Druckspannungsanteil einsinnig plastisch verformt. Im Walkbereich wird der Werkstoff zyklisch plastisch verformt mit einem verbleibenden Umforminkrement pro Zyklus. Das zyklisch plastische Werkstoffverhalten wird von der Verformungsamplitude, der Zyklenzahl, der Verformungsgeschwindigkeit und der Temperatur geprägt. Die Differenzen sowohl zum einsinnigen Werkstoffverhalten als auch bei verschiedenen Verformungsparametern sind in der unterschiedlich ausgeprägten Versetzungszell- und Subkorbildung begründet. Die Umformarbeit unter einsinniger Torsion steht in einem bestimmten Verhältnis zur Umformarbeit unter zyklischer Belastung. Dieses Verhältnis beschreibt der Bauschinger-Energieparameter. Er kann für die energetische Beschreibung zyklisch plastischer Verformungen verwendet werden.

In the forming process of steel, large plastic deformation evolves as a complex mechanism. Simulations with polycrystal material modeling provide detailed insight into the material characteristics. However, sheet-bulk metal forming is a complicated process that needs comprehensive information on strain history and complex loading states before and during service life. In general, the transient hardening, Bauschinger effects, and induced anisotropic plastic character make this process even more challenging under non-monotonic loadings. In order to quickly simulate the elastoplastic process under these circumstances without compromising accuracy, one needs to consider sophisticated elastoplastic material models at coarser length scales motivated by microscopic length scale material modeling. Plastic deformation is a microscopic length scale phenomenon that involves the dislocation activities within the grains of a polycrystal. Therefore, a physically motivated crystal plasticity model is developed to consider the plastic transformation based on the mobility of mean dislocation densities on multiple active slip planes. Following the resistance due to non-parallel (forest) and parallel (piled-up) dislocations, the evolution of persistent plastic state is also dealt with in implicit and explicit manners, respectively. To validate the influence of back stresses resulting from the incompatibility of plastic deformation within polycrystals, three statistically informed representative volume elements of DC04 material with different strain histories are deformed under cyclic loadings and compared with experimental data. Due to the higher geometrical resolution, it becomes difficult to solve the prescribed complex plastic transformation process for the entire domain in larger geometries. This leads to the development of an effective material model based on the insights of the microscopic approach. Plastic transformation is driven by a total dislocation density equivalent state variable in an effective material modeling approach. Its evolution describes the non-linear isotropic hardening mechanism. Additionally, the Bauschinger effect can also be calculated with the Armstrong-Fredric kinematic hardening law. However, the absence of the microstructural feature, i.e., texture at this length scale, makes it challenging to include structural anisotropy in the effective material modeling. Advanced anisotropic yield models such as Barlat Yld2004-18p can tackle this problem. However, a further challenging experimental setup is required to predict the 18 parameters of these yield functions. A simulation strategy is proposed in the current work, which utilizes the homogenized stress tensors calculated by microscopic polycrystal material simulations to predict the anisotropic state of DC04 material. Two transformation tensors are optimized to reproduce an accurate representation of the distorted material symmetry. In the end, the effective material simulations are validated, which use the anisotropic yield functions along with the transformed tensors.:1 Introduction 2 Continuum mechanics 2.1 Kinematics 2.2 Strainrates 2.3 Balancelaws 2.3.1 Conservationofmass 2.3.2 Conservationoflinearmomentum 2.3.3 Conservationofangularmomentum 2.3.4 Balanceofenergy 2.3.5 Balanceofentropy 2.4 ConstitutiveTheory 2.4.1 Principleofmaterialcausality 2.4.2 Principleofdeterminism 2.4.3 Principleoflocalaction 2.4.4 Principle of material frame-indifference (material objectivity) 3 Microscopic material model 3.1 Crystallographicnatureofmetallicmaterials 3.1.1 Crystallatticeformetallicmaterials 3.1.2 Latticeplanesanddirections 3.2 Dislocationbasedplasticdeformation 3.2.1 Geometricdescriptionofdislocations 3.2.2 Continuum framework for a crystal plasticity model 3.3 Elasticconstitutivemodel 3.4 Crystalplasticitymaterialmodeling 3.4.1 Criteriafordislocationmobility 3.4.2 Resistancetodislocationmotion 3.4.3 Evolutionofplasticstate 3.5 Integrationoflocalplasticstate 3.5.1 Trustregionmethods 3.6 Homogenization 3.7 NumericalmethodswithinFEMscheme 3.7.1 Weakform 3.7.2 Temporaldiscretization 3.7.3 Domaindiscretization 3.8 Development of statistically informed polycrystal microstructure model 3.8.1 Statisticaldescription 3.8.2 Geometricaldescription 3.8.3 Crystallographicdescription 3.8.4 Representativevolumeelement 3.9 Validationofmicroscopicmaterialmodeling 4 Physically motivated material modeling at macroscopic length scale 4.1 Effectivematerialmodel 4.1.1 Phenomenologicalplasticitymodels 4.1.2 Extension to anisotropic effective material model (Barlat Yld2004-18p) 4.1.3 Evolution of macroscopic plastic transformation 4.2 PredictionandvalidationofBarlateffectivemodel 4.2.1 Methodologyofinvestigation 4.2.2 Virtual polycrystal simulation approach to fit effective material model 4.2.3 Optimization framework to calibrate Barlat anisotropic coefficients 4.3 Resultsanddiscussion 4.3.1 Validationofanisotropicyieldstates 4.3.2 Validation of work hardening with the effective material model Summary and Outlook Bibliography Curriculum Vitae / Bei der Umformung von Stahl kommt es zu großen plastischen Verformungen, die einen komplexen Mechanismus darstellen. Simulationen mit polykristallinen Materialmodellen geben einen detaillierten Einblick in die Materialeigenschaften. Die Blechmassivumformung ist jedoch ein komplizierter Prozess, der umfassende Informationen über die Verformungshistorie und komplexe Belastungszustände vor und während der Lebensdauer erfordert. Im Allgemeinen machen die transiente Verfestigung, Bauschinger-Effekte und der induzierte anisotrope plastische Charakter diesen Prozess unter nicht-monotonen Belastungen zu einer noch größeren Herausforderung. Um den elastoplastischen Prozess unter diesen Umständen schnell zu simulieren, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen, muss man hochentwickelte elastoplastische Materialmodelle auf gröberen Längenskalen berücksichtigen, die durch die mikroskopische Längenskalen-Materialmodellierung motiviert sind. Plastische Verformung ist ein Phänomen auf mikroskopischer Längenskala, das die Versetzungsaktivitäten innerhalb der Körner eines Polykristalls betrifft. Daher wird ein physikalisch motiviertes Kristallplastizitätsmodell entwickelt, um die plastische Umwandlung auf der Grundlage der Mobilität der mittleren Versetzungsdichten auf mehreren aktiven Gleitebenen zu berücksichtigen. In Anlehnung an den Widerstand durch nicht-parallele (Wald) und parallele (aufgetürmte) Versetzungen wird auch die Entwicklung des dauerhaften plastischen Zustands auf implizite bzw. explizite Weise behandelt. Um den Einfluss von Rückspannungen, die aus der Unverträglichkeit plastischer Verformung innerhalb von Polykristallen resultieren, zu validieren, werden drei statistisch informierte repräsentative Volumenelemente des DC04-Materials mit unterschiedlichen Dehnungsverläufen unter zyklischer Belastung verformt. Aufgrund der höheren geometrischen Auflösung wird es bei größeren Geometrien schwierig, den vorgeschriebenen komplexen plastischen Umwandlungsprozess für den gesamten Bereich zu lösen. Dies führt zu der Entwicklung eines effektiven Materialmodells, das auf den Erkenntnissen des mikroskopischen Ansatzes basiert. Die plastische Umwandlung wird durch eine äquivalente Zustandsvariable der Gesamtversetzungsdichte in einem effektiven Materialmodellierungsansatz gesteuert. Ihre Entwicklung beschreibt den nichtlinearen isotropen Verfestigungsmechanismus. Zusätzlich kann der Bauschinger-Effekt auch mit dem kinematischen Verfestigungsgesetz von Armstrong-Fredric berechnet werden. Das Fehlen der mikrostrukturellen Merkmale, d. h. der Textur auf dieser Längenskala, macht es jedoch schwierig, strukturelle Anisotropie in die effektive Materialmodellierung einzubeziehen. Fortgeschrittene anisotrope Fließmodelle wie das Barlat Yld2004-18p können dieses Problem angehen. Allerdings ist ein weiterer anspruchsvoller Versuchsaufbau erforderlich, um die 18 Parameter dieser Fließfunktionen vorherzusagen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulationsstrategie vorgeschlagen, die die durch mikroskopische Polykristall-Materialsimulationen berechneten homogenisierten Spannungstensoren nutzt, um den anisotropen Zustand des DC04-Materials vorherzusagen. Zwei Transformationstensoren werden optimiert, um eine genaue Darstellung der verzerrten Materialsymmetrie zu reproduzieren. Am Ende werden die effektiven Materialsimulationen validiert, die die anisotropen Fließfunktionen zusammen mit den transformierten Tensoren verwenden.:1 Introduction 2 Continuum mechanics 2.1 Kinematics 2.2 Strainrates 2.3 Balancelaws 2.3.1 Conservationofmass 2.3.2 Conservationoflinearmomentum 2.3.3 Conservationofangularmomentum 2.3.4 Balanceofenergy 2.3.5 Balanceofentropy 2.4 ConstitutiveTheory 2.4.1 Principleofmaterialcausality 2.4.2 Principleofdeterminism 2.4.3 Principleoflocalaction 2.4.4 Principle of material frame-indifference (material objectivity) 3 Microscopic material model 3.1 Crystallographicnatureofmetallicmaterials 3.1.1 Crystallatticeformetallicmaterials 3.1.2 Latticeplanesanddirections 3.2 Dislocationbasedplasticdeformation 3.2.1 Geometricdescriptionofdislocations 3.2.2 Continuum framework for a crystal plasticity model 3.3 Elasticconstitutivemodel 3.4 Crystalplasticitymaterialmodeling 3.4.1 Criteriafordislocationmobility 3.4.2 Resistancetodislocationmotion 3.4.3 Evolutionofplasticstate 3.5 Integrationoflocalplasticstate 3.5.1 Trustregionmethods 3.6 Homogenization 3.7 NumericalmethodswithinFEMscheme 3.7.1 Weakform 3.7.2 Temporaldiscretization 3.7.3 Domaindiscretization 3.8 Development of statistically informed polycrystal microstructure model 3.8.1 Statisticaldescription 3.8.2 Geometricaldescription 3.8.3 Crystallographicdescription 3.8.4 Representativevolumeelement 3.9 Validationofmicroscopicmaterialmodeling 4 Physically motivated material modeling at macroscopic length scale 4.1 Effectivematerialmodel 4.1.1 Phenomenologicalplasticitymodels 4.1.2 Extension to anisotropic effective material model (Barlat Yld2004-18p) 4.1.3 Evolution of macroscopic plastic transformation 4.2 PredictionandvalidationofBarlateffectivemodel 4.2.1 Methodologyofinvestigation 4.2.2 Virtual polycrystal simulation approach to fit effective material model 4.2.3 Optimization framework to calibrate Barlat anisotropic coefficients 4.3 Resultsanddiscussion 4.3.1 Validationofanisotropicyieldstates 4.3.2 Validation of work hardening with the effective material model Summary and Outlook Bibliography Curriculum Vitae

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.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.