Temperature sensitive crystal plasticity modelling of gamma-TiAl based alloys

Abstract

Mehrphasige lamellare gamma-TiAl-Legierungen sind anisotrop und zeigen eine Dehnratensensitivität (SRS= strain rate sensitivity). Bei hohen Temperaturen steigt die SRS und beeinflusst die Fließgrenze. In Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung, der lamellaren Mikrostruktur und der Anisotropie, die sich aufgrund der Orientierung der Lamellen einstellt, wird die Fließgrenze mit steigender Temperatur höher oder niedriger. Um das Verformungsverhalten über einen weiten Temperaturbereich zu erfassen und die elementaren Verformungsmechanismen zu verstehen, wurde in dieser Arbeit ein neuer konstitutiver Ansatz zur Beschreibung der SRS entwickelt und in ein numerisches Modell implementiert, das auf der Finite Element Methode basiert und die lamellare Mikrostruktur des Werkstoffs abbildet. Zur Beschreibung des viskoplastischen Verformungsverhaltens wurde im Potenzgesetz der klassischen Kristallplastizitätstheorie ein neuer temperaturabhängiger Exponent eingeführt. In dem neuen Ansatz wird die temperaturbedingte Steigerung der Dehnratensensitivität mit Hilfe von SRS Parametern beschrieben, die aus thermisch aktivierten Versetzungsbewegungen hergeleitet werden. Um ein anormales Verhalten der Fließgrenze richtig vorherzusagen, wurde ein Schwellwert eingeführt, der die Verfestigung durch den Aufstau von Versetzungen repräsentiert. Um zu verstehen, wie die lokal aktivierten kristallografischen Verformungsmodi das makroskopische Kriechverhalten beeinflussen, wurde das konstitutive Modell durch einen modifizierten Entfestigungsparameter erweitert, der die Schwellwerte für eine Entfestigung des Werkstoffs während einer Kriechverformung phänomenologisch in Abhängigkeit von der Länge der aufgestauten Versetzungen beschreibt. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell wurde für lamellare polysynthetisch verzwillingte (polysynthetically twinned = PST) TiAl-Kristalle anhand von publizierten experimentellen Daten validiert. Diese PST Kristalle werden als Einkristalle aus lamellaren gamma-TiAl und alpha2-Ti3Al Phasen betrachtet. In detaillierten numerischen Analysen wurde die Rolle der temperaturabhängigen Dehnratensensitivität bei der lokalen Verformung des Werkstoffs auf der Basis von Gleit- und Klettermechanismen untersucht. Der Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen ergab, dass es mit den neuen Ansätzen im konstitutiven Kristallplastizitätsgesetz möglich ist, sowohl das anisotrope Fließverhalten einschließlich der temperaturabhängigen Anomalien als auch das Kriechverhalten im primären, sekundären und tertiären Bereich mit hoher Genauigkeit zu beschreiben. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Modell kann für die Untersuchung des mikrostruktursensitiven Verformungsverhaltens einer großen Varietät von TiAl-Legierungen verwendet werden.