Microstructure-based Modelling of Ductile Fracture in Aluminium Alloys

Behovet for lette konstruksjoner er økende. Det fordrer både bruk av høyfaste aluminiumslegeringer og en bedre utnyttelse av de verdifulle egenskapene disse materialene har. Styrke og duktilitet, eller formbarhet, er nøkkelfaktorer når konstruksjoner i aluminium designes. Økt styrke i legeringene kan svekke duktiliteten, og dermed øke risikoen for sammenbrudd. Derfor trenger vi pålitelige modeller som kan beregne duktiliteten til legeringer som utsettes for ulike belastninger. Dette er kjernen i Toppforsk-prosjektet FractAl. Prosjektet har utviklet et modelleringsrammeverk for duktilt brudd i aluminiumlegeringer. Rammeverket bygger på det som skjer på mikrostruktur-nivå. Med dette har FractAl åpnet for en helt ny måte å designe aluminiumskonstruksjoner på. Arbeidet har bestått av modellering og simulering på flere skalaer, kombinert med laboratorie-tester. Rammeverket øker ikke bare forståelsen av duktilt brudd i aluminiumlegeringer. Det kan også brukes til å velge, eller skreddersy, legeringer med ideell styrke og duktilitet for en gitt konstruksjon. For industrien betyr dette at behovet for tidkrevende og kostbare mekaniske tester går ned. FractAl startet i august 2016 og ble avsluttet i mai 2022. Prosjektgruppen har bestått av fire doktorgradsstudenter, en postdoktor og en forsker. Et kjerneteam med forskere ved vertsinstitusjonen, NTNU Institutt for konstruksjonsteknikk, har ledet forskningsarbeidet. Internasjonale samarbeidspartnere er to anerkjente forskere fra KTH i Stockholm og ENS Paris-Saclay i Paris. Resultatene er publisert i doktorgradsavhandlinger, i internasjonale, fagfellevurderte tidsskrifter og på internasjonale konferanser. Hovedresultater: -En omfattende eksperimentell database for duktilt brudd i støpte og homogeniserte, ekstruderte og valsede 6xxx aluminiumlegeringer. Eksperimentene danner grunnlaget for å validere modelleringsrammeverket og bidrar til en dypere forståelse av hvilke mekanismer som styrer duktilt brudd. Databasen inneholder materialtester for ulike spenningstilstander og tøyningshastigheter, krasjtester av ekstruderte profiler, samt støt- og eksplosjonsforsøk på plater med og uten defekter. Store, eksperimentelle studier undersøker hvordan kornstruktur, krystallografisk tekstur og jernholdige partikler påvirker varige formforandringer (plastisitet) og duktilt brudd. - Et fleksibelt mikrostruktur-basert numerisk rammeverk for multiskalamodellering av aluminiumskonstruksjoner. Dette består av modeller på nano-, krystall-, mikro- og makroskala. Disse er blitt validert mot eksperimentelle resultater på ulike skalaer. Modellene kan kobles sammen på ulike måter, avhengig av hvilke utfordringer som skal løses og hvor nøyaktige resultater som kreves. - Utvidelse av nanostruktur-modellen NaMo. Modellen beregner flytespenning og arbeidsherding for aluminiumlegeringer innen 6xxx-serien basert på kjemisk sammensetning og termomekanisk prosessering. FractAl har utvidet modellen til å inkludere effekter av tøyningshastighet og temperatur, reversert belastning, og forstrekking før utherding. NaMo har blitt brukt i ikke-lineære elementanalyser av energiopptak i ekstruderte aluminiumsprofiler utsatt for aksiell folding. Dette har skjedd uten bruk av eksperimentelle data for kalibrering. Resultatene er overbevisende. - En krystallplastisitetsmodell med duktil skade for elementanalyse av plastisitet og brudd i aluminiumslegeringer. Modellen er kvalitetssikret mot resultater fra den eksperimentelle databasen. NaMo-beregninger kan brukes for å minke behovet for data fra fysiske tester til kalibrering. Modellen er brukt i ikke-lineære elementanalyser for å vise hvordan krystallografisk tekstur (plastisk anisotropi) innvirker på plastisitet og duktilt brudd i aluminiumlegeringer. - Et numerisk rammeverk for å simulere oppførselen til representative volumelement for implisitt elementanalyse. I slike analyser kan bestemte lasttilfeller påføres en modell av mikrostrukturene i materialet. Dette gjør det mulig å studere i detalj de fysiske mekanismene som er kritiske for duktilitet. Rammeverket er brukt til å vurdere nøyaktigheten av porøse plastisitetsmodeller som er relevante for aluminiumlegeringer. Det er også brukt til å undersøke effekten av tøyningsrate på mikromekanisk oppførsel, og til å vise hvordan ulike formuleringer av randkravene påvirker resultatene i denne typen numeriske analyser. - Et numerisk rammeverk for analyser av tøyningslokalisering. Dette er gjort ved bruk av porøse plastisitetsmodeller som beskriver plastisitet og skadeutvikling. Tøyningslokalisering brukes til å angi materialbrudd, og rammeverket kan brukes til å etablere bruddflater for storskala simuleringer av enkeltdeler og konstruksjoner. Lokaliseringsanalyser er brukt til å forutsi effektene av plastisk anisotropi, ikke-proporsjonal belastning og tøyningshastighetseffekter på duktilt brudd.

Safer and more eco-friendly structures. Time and money saved for industry and society. Increased competitiveness. These are potential gains from the multiscale modelling framework for 6000 series aluminium alloys developed by FractAl. The new framework enables us to predict how variations in nano- and microstructure affect the metal's mechanical properties. That goes for both the unique alloy and the whole structure's performance. Reduced raw material consumption and the design of more eco-friendly structures are pivotal in shifting towards a green society. At the same time, we must maximize the structural performance. FractAl is expected to contribute to this transformation. The framework enables industrial designers to select the most suitable material and tailor the perfect strength and ductility for a given structure. As the overall methodology is generic, the framework can be modified and applied to other structural alloys.

In this project, we will develop and validate a novel microstructure-based modelling framework for ductile fracture in aluminium alloys - thus reliably introducing multi-scale simulation in design of aluminium structures against failure. By combining a nanostructure model with underpinning crystal plasticity knowledge, we will be able to predict the strength, work-hardening and plastic anisotropy of the materials, based solely on chemical composition, microstructure and temperature history. Ductile fracture can then be modelled using computational cell simulations where microstructural features (e.g., grains, precipitate-free zones and particles) are explicitly described. From this, we will scale up to develop computational plasticity and failure models for large-scale simulations of structural failure. In the project, the nanostructure-based crystal plasticity modelling and the computational cell simulations will be underpinned and validated through a programme of experimental work to characterize the microstructure of the materials and reveal the underlying physical mechanisms of ductile fracture in aluminium alloys. The computational plasticity and failure models will be validated against physical testing of structural components subjected to various loading conditions. Besides extending our fundamental understanding of ductile fracture in aluminium alloys, the microstructure-based modelling framework will make it possible for designers to select the most appropriate material for a given structure and to analyse the structural behaviour under various loading conditions without having to use time-consuming and expensive mechanical tests. The designer will not only be able to perform simulation-based design of the structure, but also to tailor the alloy-temper combination to the structural application at hand. This opens up for an entirely new way of designing aluminium structures against failure.