Titel: Mechanical characterisation and constitutive modelling of wrought magnesium sheets exhibiting tension-compression asymmetry
Sprache: Englisch
Autor/Autorin: Tian, Xiaowei
Erscheinungsdatum: 2017
Zusammenfassung (deutsch): Magnesiumlegierungen sind heutzutage aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und geringen Dichte aussichtsreiche Kandidaten für hochbelastete Strukturbauteile in der Automobilindustrie. In dieser Arbeit werden zwei Aspekte der Eigenschaften von Magnesiumlegierungen werden in dieser Arbeit experimentell und numerisch untersucht: die Mechanismus-basierte Modellierung der plastischen Verformung und die Beurteilung der Kollisionssicherheit von einfachen Strukturen. Zunächst wird Ein Konstitutivmodell zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Magnesiumblechen unter monotoner Belastung entwickelt. Magnesiumbleche zeigen eine starke und sich mit der Verformung entwickelnde Zug-Druck-Asymmetrie in der Fließspannung und dem R-Wert (Dehnungsanisotropie-Parameter). Eine von Cazacu, Plunkett und Barlat in 2006 vorgeschlagene Fließfunktion wird durch die Einführung der Abhängigkeit eines Parameters vom plastischen Multiplikator zur Beschreibung der Zug-Druck-Asymmetrie und ihrer Evolution erweitert. Das Modell wird auf zwei unterschiedliche Magnesiumlegierungen angewendet: AZ31 (Mg+3%Al+1%Zn) und ZE10 (Mg+1%Zn+0.3%Ce), die jeweils als gewalztes Blech und als extrudiertes Profil hergestellt wurden. Eine Reihe von mechanischen Versuchen wird zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften unter verschiedenen Spannungszuständen durchgeführt, einschließlich einachsiger Zug- und Druckversuche mit unterschiedlichen Orientierungen, Kompressions-, Scher- und Kerbversuche. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die beiden Magnesiumlegierungen sehr unterschiedliches plastisches Verformungsverhalten aufweisen, das von den jeweiligen Anfangstexturen erklärt wird. Für die Kalibrierung der Parameter des Materialmodells wird ein Fehlerminimierungsschema verwendet. Das kalibrierte Modell erfasst die Zug-Druck-Asymmetrie beider Legierungen. Schließlich wird das Modell in einer reinen Biegesimulation eingesetzt. Die Übereinstimmung zwischen dem simulierte und dem semi-analytisch berechneten Biegemoment-Krümmung Diagramm zeigt die Vorhersagefähigkeit des Modells für die beiden betrachteten Magnesiumlegierungen. Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen werden zur Voraussage und Beurteilung des plastischen Beulens und des Aufprallverhaltens von rechteckigen Hohlprofilen durchgeführt, die aus den beiden Magnesiumlegierungen hergestellt sind. Der angewandte Modellierungsansatz berücksichtigt den Kompromiss zwischen erreichbarer Genauigkeit und benötigtem Rechenaufwand. Die Leistungsfähigkeit der Bauteile wurde anhand der spezifischen dissipierten Energie ausgewertet und mit entsprechenden Aluminiumbauteilen verglichen. Es zeigt sich, dass die beobachtete hohe Dissipation der Bauteile aus den Magnesiumlegierungen während des Aufpralls durch das Verfestigungsverhalten unter Druck verursacht wird.
Zusammenfassung (englisch): Wrought magnesium alloys have emerged as promising candidates for highly loaded structural components in the automobile industry recently, due to their high specific strength and low density. In this work, two aspects of wrought magnesium alloys are studied experimentally and computationally: the mechanism-based modelling of plastic deformation and the crashworthiness assessment of simple structures. A constitutive model was developed to capture the plastic behaviour of wrought magnesium sheets under monotonic loading. Wrought magnesium sheets exhibit a strong and evolving tension compression asymmetry in terms of flow stress and r-value (strain anisotropy parameter). A yield function originally proposed by Cazacu, Plunkett and Barlat in 2006 was extended by introducing a new parameter depending on the plastic multiplier to describe this tension-compression asymmetry and its evolution. The model was applied to two different magnesium wrought alloys, AZ31 (Mg+3%Al+1%Zn) and ZE10 (Mg+1%Zn+0.3%Ce), each produced as rolled sheet and as extruded profile. A series of mechanical tests including uniaxial tensile and compression tests along different orientations, through thickness compression tests, shear tests, and notched bar tests was conducted for characterising the mechanical behaviour under various stress states. Experimental results confirm significantly different plastic deformation behaviour of the two alloys, which were resulted from their respective initial textures. For calibration of the material model, identification of material parameters was accomplished with the experimental data based on an error minimisation scheme. The computational results show that the proposed model captures the tension- compression asymmetry of both alloys. The calibrated model was finally applied to a pure bending simulation. The good agreement between the simulated and the semi-analytically calculated bending moment-curvature diagram demonstrates the predictive capability of the present model for the considered magnesium alloys. Experimental study and numerical simulations were conducted to investigate the plastic buckling and crush behaviour of structural components with hollow rectangular profiles fabricated from the two magnesium alloys. The used modelling approach is justified by balancing achievable accuracy and computational efforts. The performance of the components made by magnesium alloys was evaluated in term of the dissipated specific energy in the crush tests and compared with respective aluminium components. It is revealed that the observed high dissipation of magnesium alloys during crushing is related to the work hardening behaviour in compression.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1362
URN: urn:nbn:de:gbv:830-88215563
DOI: 10.15480/882.1359
Institut: Metallkunde und Werkstofftechnik M-15
Dokumenttyp: Dissertation
Hauptberichter: Bargmann, Swantje
Enthalten in den Sammlungen:tub.dok

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