Πρόβλεψη μηχανικών ιδιοτήτων μεταλλικών κραμάτων με χρήση υπολογιστικών μεθόδων

Abstract

The dissertation focuses on the development of a hierarchical multiscale methodology through the coupling of modern computational tools for the study of industrial metal forming processes. As a case study, the extrusion of 6XXX series aluminum alloys was adopted; however, this does not limit the scope of applications solely to this specific process or material. Additionally, a methodology was developed to determine the economic benefit that may arise from adopting these tools in industrial research and development projects. The proposed approach is grounded in the metallurgical definition of the system—its chemical composition, pseudo-binary phase diagrams, and phase evolution under non-equilibrium conditions, among others—using computational thermodynamics. The resulting data are used to create a representative volume of the microstructure. Using the finite element method, material flow lines during the forming process are derived. These parameters, combined with results from molecular dynamics simulations, were used as input for a non-local, gradient-based crystal plasticity model. Through this model, the effect of extrusion on the morphology of the microstructure and the dislocation density is determined. This information was then fed into phase-field software to study the impact of homogenization thermal treatment. The new grain morphology was used to determine material parameters for the AA6063-T6, AA6063-T7, and AA6061-T6 states, using experimental tensile test data. Through the proposed methodology, the cost of industrial trial-and-error testing was quantified. Furthermore, the cumulative economic contribution of computational engineering was estimated to be slightly over €25 million. These financial benefits are accompanied by a reduction in emissions from conducting industrial R&D experiments by more than 50%. Finally, the investment payback period is estimated to be less than three years.

Η ΔΔ εστιάζει στην ανάπτυξη ιεραρχικής μεθοδολογίας σύζευξης σύγχρονων υπολογιστικών εργαλείων πολλαπλών κλιμάκων («multiscale») για την μελέτη βιομηχανικών κατεργασιών διαμόρφωσης μετάλλων. Ως μελέτη περίπτωσης, υιοθετήθηκε η διέλαση κραμάτων αλουμινίου 6ΧΧΧ χωρίς ωστόσο αυτό να περιορίζει το πεδίο εφαρμογών μόνο στην συγκεκριμένη κατεργασία ή υλικό. Επιπλέον δημιουργήθηκε μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του οικονομικού οφέλους που μπορεί να προκύψει από την υιοθέτηση των εργαλείων για βιομηχανικά έργα έρευνας και ανάπτυξης. Η προσέγγιση που προτάθηκε έχει ως εφαλτήριο τον μεταλλουργικό καθορισμό του συστήματος, χημική σύστασή, ψευδό-διμερή διαγράμματα ισορροπίας, και την εξέλιξη των φάσεων υπό συνθήκες εκτός ισορροπίας κλπ., με χρήση υπολογιστικής θερμοδυναμικής. Τα δεδομένα που προκύπτουν αξιοποιούνται για την δημιουργία αντιπροσωπευτικού όγκου της μικροδομής. Μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων προκύπτουν οι γραμμές ροής του υλικού κατά την κατεργασία διαμόρφωσης. Αυτές οι παράμε-τροι, σε συνδυασμό με αποτελέσματα από προσομοίωση μοριακής δυναμικής αξιοποιήθηκαν ως δεδο-μένα εισόδου για μοντέλο «non-local», «gradient based» πλαστικότητας κρυστάλλου. Μέσω αυτού, προσδιορίζεται η επίδραση της διέλασης στην μορφολογία της μικροδομής, καθώς και στην πυκνότητα των διαταραχών. Οι πληροφορίες αυτές, εισήχθησαν σε λογισμικό πεδίου φάσεων για μελέτη της επί-δρασης της ομογενοποίησης και της ανακρυστάλλωσης που αυτή προκαλεί. Η νέα μορφολογία των κόκ-κων, αξιοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του υλικού στις καταστάσεις ΑΑ6063-Τ6, ΑΑ6063-Τ7 και ΑΑ6061-Τ6 με χρήση πειραματικών δεδομένων εφελκυσμού. Μέσω της προτεινόμενης μεθοδολογίας, ποσοτικοποιήθηκε το κόστος των βιομηχανικών δοκιμών δοκι-μής-σφάλματος. Επίσης, υπολογίσθηκε, η αθροιστική οικονομική συνεισφορά της υπολογιστικής μηχανικής ελαφρώς πάνω από 25 εκ. €. Αυτά τα οικονομικά οφέλη συνοδεύονται από μείωση των ρύπων, από την διεξαγωγή βιομηχανικών πειραμάτων έρευνας και ανάπτυξης, περισσότερο από 50%. Τέλος, η περίοδος αποπληρωμής της επένδυσης, υπολογίζεται μικρότερη από 3 έτη.