“Microstructure based failure model of DP steels”
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“Microstructure based failure model of DP steels”
“Microstructure based failure model of DP steels” Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch -Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation Vorgelegt von Master of Science Ali Ramazani aus Khoy Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder Tag der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2013 Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde Ali Ramazani Microstructure based failure model of DP steels Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Band 6/2013 Shaker Verlag Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at http://dnb.d-nb.de. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2013) Copyright Shaker Verlag 2013 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publishers. Printed in Germany. ISBN 978-3-8440-2156-1 ISSN 0943-4631 Shaker Verlag GmbH • P.O. BOX 101818 • D-52018 Aachen Phone: 0049/2407/9596-0 • Telefax: 0049/2407/9596-9 Internet: www.shaker.de • e-mail: [email protected] 7KLVWKHVLVLVGHGLFDWHGWRP\SDUHQWVIRU WKHLUORYHHQGOHVVVXSSRUWDQG HQFRXUDJHPHQW Acknowledgements The present work was composed during my service as scientific assistant and project engineer of the Institute of Ferrous Metallurgy (IEHK) at RWTH-Aachen University from September 2008 to September 2012. Above all, I would like to appreciate Professor Wolfgang Bleck for his permanent supervision, encouraging commends and helpful remarks during the project which has brought my thoughts and analysis to the current manuscript on DP steels. I am also deeply thankful to Professor Siegfried Schmauder for co-advising of the work and fruitful discussions on the topic throughout this investigation. I would like to convey my greatest thanks to Dr.-Ing. Ulrich Prahl, head of material simulation group at IEHK, for his interest in my work, constructive commends and numerous scientific discussions, which were of great help on my way forward. This research was carried out under project number MC2.07293 in the framework of the Research Program of the Materials innovation institute (M2i) in the Netherlands (www.M2i.nl). I would like therefor to express my sincere gratitude to M2i that funded this research. As a researcher in M2i, I had a priceless chance for being in a close contact to a group of world-class scientists from a variety of disciplines like metal physics, mechanics of materials, metal forming, computational mechanics, materials modelling, etc. I would like to appreciate Professor Marc Geers for his contribution, encouragement, scientific guidance and scientific commends and giving me the opportunity to present my research work in the M2i Cluster 2 Meetings regularly. I would like to thank all the attendants of M2i Cluster 2 Meetings for their valuable commends. The motivation for this research project was triggered from the challenges faced in industry. I was sufficiently lucky to have in-depth input and readily available help from all industrial partners and contacts involved, especially Dr. Henk Vegter and Dr. Piet Kok from Tata Steel and Dr.-Ing. Maria Doig from INPRO. I really appreciate their organizational coordination, materials supply, scientific contribution, support, kindness and valuable feedback in this research project, especially during my training courses in Tata Steel and INPRO. I extend my appreciation to the people of IEHK. In particular, special thanks to Dr. Ing. Goetz Hessling, the academic director of IEHK, who has supported me since my first steps in the institute. I would like to thank also Mrs. Christiane Beumers, Mrs. Martina Sparrer, Mrs. Kirsten Heinrichs, Mrs. Nicole Olles, Mrs. Kirsten Dyrda and Mr. Guenter Leisten. Furthermore, I am sincerely thankful to the IT group of IEHK, especially to Dipl.-Ing. Rainer Onkels, Mrs. Heidi Mercks de Espinoza, Mrs. Angela Sommer and their coworkers and students. The development of this thesis also needed a lot of practical assistances. Here I would like to express my gratitude to Mr. Klaus Herrmann and Mr. Thomas Bugiel for high temperature tests; Mr. Robert Gier and metallography team for their assistance in the metallographic evaluation work; the workshop team of IEHK for the samples preparation; Dipl.-Ing. Thorsten Laboude, and his research group for the mechanical tests. I am indebted to Dr. rer. nat. Alexander Schwedt, Dr. rer. nat. Anke Aretz, Dr. rer. nat. Silvia Richter, M.Sc. Philippe Pinard and Dipl.-Phys. Michael Spähn, from Central Facility for Electron Microscopy (GFE) of RWTH-Aachen University for our fruitful cooperation in the field of insitu bending test, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Electron probe micro-analyzer (EPMA) and Scanning Electron Microscopy (SEM). I would like also to appreciate Professor Stefan Zaefferer, and his research group for our fruitful cooperation in the field of mini tensile test with DIC technique. I would like to thank Dr.-Ing. Marion Calcagnotto from Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH for her tensile test data files and discussions. This work would not appear as it is, without the continuous encouragement and support of my colleagues and officemates. Therefore, I would like to thank to all my colleagues, especially Dr.Ing. Alireza Saeed-Akbari, Dr. Krishnendu Mukherjee, Dr.-Ing. Sebastian Muenstermann, Dipl.Ing. Hassan Majedi, Dr.-Ing. Corinna Thomser, Dr.-Ing. Vitoon Uthaisangsuk, Dipl.-Ing. Hendrik Quade and M.Sc. Napat Vajragupta for scientific discussion, help and cooperation. Even with these contributions, the total required amount of time for all these experiments is clearly more than the elapsed time span of the project. What made it all possible were the contributions from students who did their bachelor, study integrated projects and master projects or internships under my supervision. Such contributions of Mohammad Yazdandoost, Banu Berme, Qi Gao, Mahsa Bitaraf and Feryal Ramezani are gratefully acknowledged. Finally, I would like to express my deepest gratitude to my family, especially my mum, Jeiran Mohammadifar, and dad, Golamreza Ramazani, for their infinite love, moral support, encouragement and inspiration to me throughout my life. Abstract DP steels are often used to form variety of automobile parts due to their impressive mechanical properties such as high strength and good ductility. Since most of these structural members are prone to failure under different loading conditions, failure initiation and damage mechanisms are considered as important areas to investigate and have been the subject of extensive research work. The current research work aims to study the effect of microstructural features such as martensite phase fraction and morphology, ferrite grain size and additional phases such as bainite on the mechanical and failure behaviour of DP steels. For this purpose, a microstructure based approach by means of representative volume elements (RVE) is utilized to incorporate the microstructure deformation distribution and the failure mechanisms on this scale. Micro sections of DP microstructures with various amounts of martensite are converted to 2D RVEs, while 3D RVEs are constructed statistically with randomly distributed phases. A dislocation-based model is used to describe the flow curve of each ferrite and martensite phase separately as a function of carbon partitioning and microstructural features. Numerical tensile tests of RVE are carried out using the ABAQUS/Standard code to predict the flow behaviour of DP steels. For validation, a comparison between predicted and experimental flow curves is carried out. The current research work is conducted in the following steps: Firstly, the inhomogeneities are quantified in DP steels considering two parameters: average height and aspect ratio of martensite islands. Then the effect of martensite banding is also studied on the hardening behaviour of DP steels. Equiaxed microstructures show higher yield stress and work hardening compared to that of the banded microstructures. Secondly, a correlation factor between 2D and 3D RVE calculations is developed. Since 2D plane strain modelling gives an underpredicted flow curve for DP steels, while the 3D modelling gives a quantitatively reasonable description of flow curve in comparison to the experimental data, a von Mises stress correlation factor ı3D/ı2D is identified to compare the predicted flow curves of these two dimensionalities showing a third order polynomial relation with respect to martensite fraction and a second order polynomial relation with respect to equivalent plastic strain, respectively. The quantification of this polynomial correlation factor is performed based on laboratory-annealed DP600 steel with varying martensite contents and it is validated for industrially produced DP steels with various chemistries, strength levels and martensite fractions. Thirdly, the effect of ferrite grain size on the hardening behaviour of DP steels taking in to account geometrically necessary dislocations (GNDs) is studied. For achieving this goal, the volume change during the austenite-to-martensite transformation is modelled, and the resulting prestrained areas in ferrite are considered to be the storage place of GNDs. The thickness of the GND layer around martensite islands is quantified experimentally and numerically. Subsequently, three criteria are developed to describe the strength, thickness, and amount of prestrain in the GND zone as a function of microstructural features in DP steel. The flow curves of simulations that take into account the GND are in better agreement with those of experimental flow curves compared to those of predictions without consideration of the GND. The experimental results obey the Hall-Petch relationship between yield stress and ferrite grain size. Additionally, the simulations are able to predict the Hall-Petch relationship, too. Fourthly, the effect of bainite phase as an additional phase in DP steel is investigated on the hardening behaviour. For achieving this goal, combined electron backscatter diffraction (EBSD) and electron probe microanalysis (EPMA) measurements are first utilized to quantify the constituents (ferrite, martensite and bainite) in the microstructure. Then, the flow behaviour of the material is modelled using 2D RVE calculations. 2D RVE IS generated from kernel average misorientation (KAM) map. A dislocation-based work-hardening approach is utilized to calculate the flow curve of bainite. The predicted flow curves from 2D RVE calculations are correlated to 3D using the developed correlation factor and excellent agreement is achieved by 3D corrected flow curve from 2D RVE calculations and experimental flow curves. Finally, failure initiation in DP steels is investigated. For this purpose, xtended finite element method (XFEM) with cohesive zone (traction-separation) law is utilized. In order to determine cohesive parameters for martensite cracking, mini tensile tests with digital image correlation (DIC) technique are carried out to identify the right position for failure initiation and the responsible local strain for this position. In-situ bending test in SEM with EBSD measurements before and after the test are made to identify which phase or interphase fails first. Comparing the image quality (IQ), Inverse pole figure (IPF) and KAM maps before and after the in-situ test shows that the crack initiation occurs in martensite islands. The local strain obtained from mini tensile test with DIC technique is considered as boundary conditions in the RVE calculations. After simulation, the failure strain in martensite is identified using first order homogenization strategy. The identified parameters are validated by comparing the predictions with the experimental results. The developed approach is applied to industrially processed DP steel grades with varying strength levels. The comparison of RVE calculated damage initiation in industrially produced qualities show good agreement to experimental results. Therefore failure initiation in components can be predicted for different DP steel qualities using a two-scale approach based on RVE calculation of the plastic hardening and failure of martensite. Zusammenfassung Dual-Phasen- (DP-) Stähle werden aufgrund ihrer beeindruckenden mechanischen Eigenschaften wie hohe Festigkeit und gute Verformbarkeit zunehmend verwendet, um eine Vielzahl von KfzTeilen herzustellen. Für die verschiedenen Lastbedingungen, denen derartige Bauteile unterworfen sind, werden Quantifizierung von Versagensinitiierung und Charakterisierung auftretender Schädigungsmechanismen als wichtige Themen betrachtet und sind Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Aktuelle Forschungen zielen darauf ab, die Wirkung mikrostruktureller Kenngrößen wie Martensitphasenanteil und -morphologie, Korngröße des Ferrits und zusätzlichen Phasen wie Bainit auf das mechanische Verhalten und das Versagen von DP-Stählen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird ein mikrostruktur-basierter Ansatz durch repräsentative Volumenelemente (RVE) verwendet, um die Verteilung der Mikrostrukturverformung und die Versagensmechanismen auf dieser Skala zu untersuchen. Gefügeausschnitte der DP Mikrostrukturen mit verschiedenen Mengen an Martensit werden als zwei-dimensionale RVEs interpretiert, während drei-dimensionale RVEs statistisch mit zufällig verteilten Phasen generiert werden. Ein versetzungsbasiertes Modell wird verwendet, um die Fließkurve der vorhandenen Ferrit- und Martensit-Phase individuell als Funktion von Kohlenstoff-Umverteilung und der mikrostrukturell relevanten Kenngrößen zu beschrieben. Mit den definierten RVE werden numerische Zugversuche durchgeführt unter Verwendung des ABAQUS / Standard-Code, um das Fließverhalten der DP-Stähle zu simulieren. Zur Validierung wird ein Vergleich zwischen berechneten und experimentell gemessenen Fließkurven durchgeführt. Die aktuelle Forschungsarbeit wird in den folgenden Schritten durchgeführt: Zunächst werden allfällig vorhandene Inhomogenitäten im Gefüge von DP-Stählen unter Berücksichtigung von zwei Parametern quantifiziert: mittlere Höhe und Seitenlängenverhältnis der Martensit-Inseln. Anschließend wird die Wirkung von Martensit-Zeilenbildung auch auf das Verfestigungsverhalten der DP-Stähle untersucht. Es zeigt sich, dass geometrisch isotrope Mikrostrukturen höhere Fließspannung und Verfestigung zeigen im Vergleich mit denen der zeiligen Mikrostrukturen. Zweitens wird ein Korrelationskoeffizient zwischen 2D- und 3D-RVE-Berechnungen entwickelt. Da die 2D-Ebene-Dehnungs-Modellierung eine zu niedrige Fließkurve für DP-Stähle liefert, während das 3D-Modell eine quantitativ vernünftige Beschreibung der Fließkurve im Vergleich mit den experimentellen Daten liefert, wird ein Korrelationsfaktor für die von MisesVergleichsspannung gebildet ı3D/ı2D, um die vorhergesagten Fließkurven der verschiedenen dimensionalen Berechnungen zu vergleichen. Dieser Korrelationsfaktor ist eine PolynomialFunktion dritter Ordnung in Bezug auf den Martensitanteil und eine Polynomialfunktion zweiter Ordnung in Bezug auf die äquivalente plastische Dehnung. Die Quantifizierung der Polynomkoeffizienten wird auf Grundlage von laborgeglühtem DP600-Stahl mit variierenden Martensitanteil realisiert und wurde für industriell produzierte DP-Stähle mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen, Festigkeitsklassen und Martensitanteilen validiert. Drittens wird die Wirkung der Ferrit-Korngröße auf das Verfestigungsverhalten der DP-Stähle unter Berücksichtigung transformations-induzierter geometrisch notwendiger Versetzungen (GNDs) untersucht. Es wird ein Vorgehen vorgeschlagen, bei dem die Volumenänderung während der Austenit-Martensitumwandlung modelliert und die resultierenden plastisch vorverformten Bereiche im Ferrit als Zonen hoher Versetzungsdichte in Form von GNDs berechnet werden. Die Breite der GND-Zone im Bereich nahe der Martensit-Ferrit-Grenzfläche wird experimentell und numerisch quantifiziert. Anschließend werden drei Kriterien entwickelt, um die Festigkeit, die Breite und die Dehnung der GND-Zone als Funktion von mikrostrukturellen Parametern zu beschreiben. Die im numerischen Zugversuch berechneten Fließkurven, die unter Berücksichtigung des GND-Ansatzes bestimmt wurden, stimmen besser mit den experimentellen Fließkurven überein als solche, die ohne Berücksichtigung des GNDEffektes ermittelt wurden. Die experimentellen Ergebnisse folgen der Hall-Petch-Beziehung zwischen Fließspannung und Ferrit-Korngröße und die Simulationen sind in der Lage, die HallPetch-Beziehung quantitativ vorherzusagen. Viertens wird die Wirkung von bainitischen Phaseanteilen als eine mögliche zusätzliche Phase in DP-Stahl auf das Verfestigungsverhalten untersucht. Hierbei werden Elektronenrückstreubeugung-(EBSD-) und Elektronenstrahlmikroanalyse-(EPMA-)Messungen genutzt, um die Anteile von Ferrit, Martensit und Bainit im Gefüge zu quantifizieren. Anschließend wird das Fließverhalten derartiger Gefüge mit Hilfe von 2D-RVE-Berechnungen modelliert. Die 2D-RVE werden aus der sogenannten Kernal-Average-Misorientation-(KAM)Karte generiert. Ein versetzungsbasierter Verfestigungsansatz wird genutzt, um die Fließkurve des Bainit zu berechnen. Die berechneten Fließkurven der 2D-RVE-Berechnungen werden mit dem entwickelten Korrelationsfaktor in 3D-äquivalente RVE-Ergebnisse umgerechnet und anschließend mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird die Riss-Initiierung bei DP-Stählen untersucht. Hierzu wird die ErweiterteFinite-Elemente-Methode (XFEM) mit einem Kohäsiv-Zonen-Modell (CZM) verwendet. Um konsistente Modellparameter zur Beschreibung der Martensit-Rissbildung zu bestimmen, werden Mini-Zugversuche mit digitaler Bild-Korrelation-(DIC-)Technik ausgewertet, um die richtige Position für die Rissinitiierung und die zuständigen lokale Spannung für diese Position zu identifizieren. In-situ-Biegeversuch im REM mit EBSD Messungen werden vor und nach dem Test ausgewertet um zu identifizieren, in welcher Phase der Verformung zuerst Versagen auftritt. Das Vergleichen der Karten zu Bildqualität (IQ), Inverser Polfigur (IPF) und KAM vor und nach dem in-situ-Test zeigt, dass die Rissbildung in Martensitinseln startet. Die lokale Dehnung aus Mini-Zugversuchen mit DIC-Technik wird als Randbedingungen in den RVE-Berechnungen genutzt. Auf der Basis der simulierten Daten wird ein Versagenskriterium im Martensit identifiziert. Die identifizierten Modellparameter werden durch den Vergleich der Prognosen mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Der entwickelte Ansatz wird auf industriell verarbeitete DP-Stahlgüten mit unterschiedlichen Festigkeitsklassen angewandt. Auch für diese Stahlgüten zeigt der Vergleich der berechneten Rissinitiierung eine gute Übereinstimmung zu den experimentellen Versuchsergebnissen. Table of Contents 1. 2. 2.1 2.2 2.3 Introduction 1 Literature review 3 DP steels 3 2.1.1 Fundamentals of DP steels 3 2.1.2 Production of DP steels 4 2.1.3 Chemistries of DP steels 5 Microstructural aspects of DP steels 6 2.2.1 Quantification of GNDs 6 2.2.2 Characterization of ferrite, martensite and bainite 11 Mechanical properties of DP steels 13 2.3.1 Continuous yielding behavior 13 2.3.2 Work hardening behavior 14 2.4 Fracture behaviour of DP steels 17 2.5 Continuum mechanical modelling based on microstructure 19 2.5.1 Representative volume element (RVE) 20 2.5.2 Mechanical properties of single phases 26 2.5.2.1 Ferrite phase 27 2.5.2.2 Martensite phase 29 2.5.3 Simulation of GNDs 30 2.5.4 Boundary conditions (BCs) 35 2.5.4.1 Homogeneous boundary conditions (HBCs) 35 2.5.4.2 Periodic boundary conditions (PBCs) 36 2.5.5 Homogenization and boundary conditions 36 2.5.6 Modelling the failure behaviour of DP steels 38 2.5.6.1 Extended finite element method (XFEM) 38 2.5.6.2 Cohesive Zone Model (CZM) 42 I 3. Experimental procedure 45 3.1 Materials 45 3.2 Heat treatment 47 3.3 Metallography 48 3.4 Microstructure characterization 48 3.5 Electron Backscatter Diffraction (EBSD) analysis 51 3.6 Electron probe micro-analysis (EPMA) 53 3.7 Tensile test 55 3.8 Mini tensile test with DIC technique 55 3.9 Fractography 58 3.10 In-situ bending test with EBSD measurements 4. 4.1 58 Numerical procedure 60 Description of RVE 60 4.1.1 Two dimensional RVE 60 4.1.2 Three dimensional RVE 61 4.2 Mechanical properties of single phases at room temperature 62 4.3 Mechanical properties of single phases at high temperatures 64 4.4 Simulation of GNDs 66 4.5 Boundary conditions 67 4.6 Homogenization strategy 68 4.7 Modelling of failure initiation in DP steel using XFEM 5. 5.1 and parameters identification 68 Results and discussion 70 Quantification of martensite bands in DP steels 70 5.1.1 Quantification of microstructure 70 5.1.2 Micromechanical modeling 75 5.1.2.1 Mechanical properties of single phases 75 5.1.2.2 Determination of RVE and selection of Boundary condition 75 II 5.1.3 5.2 87 Effect of Dimensionality 84 5.2.1 Quantification of DP microstructures 84 5.2.2 Experimental tensile test 90 5.2.3 Micromechanical modelling 90 5.2.3.1 RVE generation 90 5.2.3.2 Flow curve of single phases 92 5.2.3.3 Numerical tensile tests 93 5.2.4 5.3 Effect of banding on flow behaviour of DP steels Determination of correlation between simulated 2D and 3D flow curves 95 5.2.5 98 Generalisation Effect of ferrite grain size 99 5.3.1 100 Experimental procedure 5.3.1.1 Generation and characterization of DP steel with various ferrite grain sizes 100 5.3.1.2 Tensile test 101 5.3.2 104 5.3.2.1 VE and RVE generation 104 5.3.2.2 Flow curves of different phases at Ms, Mf, and RT 101 105 5.3.2.3 Evolution of GND during cooling 108 5.3.3 5.4 Micromechanical modelling Numerical tensile tests 113 Effect of bainite content 5.4.1 123 Characterization of microstructure 123 5.4.1.1 Segmentation of martensite from ferrite 123 5.4.1.2 Differentiation between bainite and dislocation zones 126 5.4.1.3 Combined identification of all constituents 5.4.2 Tensile tests 5.4.3 Micromechanical modeling 129 130 131 5.4.3.1 RVE generation 131 5.4.3.2 Flow curve of single phases 132 III 5.4.3.3 Numerical tensile tests 5.5 133 Microstructure based failure behaviour of DP steels 135 5.5.1 136 Experimental Procedure 5.5.1.1 Mini tensile test with DIC technique 136 5.5.1.2 In-situ bending test with EBSD measurements 139 5.5.2 Micromechanical modeling 5.5.2.1 Cohesive zone model parameters identification 5.5.2.2 Modelling of Failure in DP steels using XFEM 5.5.3 Generalization 142 142 144 146 6. Conclusions 150 7. References 153 IV