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Severe plastic deformation of metallic materials by equal channel angular swaging: Theory, experiment and numerical simulation

Görtan, Mehmet Okan :
Severe plastic deformation of metallic materials by equal channel angular swaging: Theory, experiment and numerical simulation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Severe plastic deformation of metallic materials by equal channel angular swaging: Theory, experiment and numerical simulation
Language: English
Abstract:

Ultrafine-grained metals produced by severe plastic deformation processes are distinguished with many outstanding mechanical properties such as a combination of high strength and ductility or improved fatigue behavior and thus can be used to meet the high strength requirements of the metal forming industry. Although several severe plastic deformation processes have been developed over the last three decades, the industrial utilization of such materials is still in an early stage. Production of bulk UFG materials is still expensive. Therefore, the few applications are limited to the sports goods, biomedical parts or sputtering targets where the price of the parts mostly doesn’t play a major role in the buying decision. To overcome the efficiency problems of current SPD methods, a new process, called “Equal Channel Angular Swaging” has been proposed which is based upon the combination of the conventional ECAP and the incremental bulk metal forming method of infeed rotary swaging. In the current study, firstly, mechanics of the process is investigated by using slip line field approach. It is determined that unlike conventional ECAP, due to the kinematics of the process, the friction forces help the deformation by drawing the samples into the forming operation. Accordingly, the loads in the feeding direction are relatively low. Therefore, ECAS has a great potential as a continuous and so economical SPD process. Secondly, in order to validate the slip line solution, a tool system has been developed. By the development, a thermo-mechanical coupled finite element simulation approach is utilized to investigate the effect of the geometrical parameters on material flow and temperature formation as well as process loads. It is determined that both, channel length and outer corner radius has a significant effect on the process. Accordingly, a middle channel length of 15 mm and an outer corner radius of 5 mm have been selected for the tool system of the model experiments. First experiments with the developed tool system prove the feasibility of ECAS process. The deformation of round bars from two different materials, commercially pure copper and low carbon steel was possible. Moreover, the deformation on the samples follows predominantly a simple shear pattern. Developed thermo-mechanical coupled finite element models are capable of representing the deformation as well as the process loads required to form the materials. However, due to the highly idealized assumptions by the slip line field approach, defined analytical formulas overestimate the real process forces. Nonetheless, the analytical theory is capable of representing the load correlations. The materials deformed by ECAS process are distinguished by an increased tensile strength compared to their as-received state. Moreover, microstructural investigations reveal that an average grain size under 1 µm can be achieved even after a single pass with the developed SPD process. Although model experiments prove the feasibility of ECAS and the process loads, especially in the feeding direction are low which demonstrate the potential for a continuous and economical processing, the investigated feed rate of 1 mm/s isn’t appropriate for a wide commercial implementation. Therefore, in the last step of investigations, the effect of the most important process parameters of friction, temperature, feeding speed and feeding type is investigated by means of finite element simulations. These simulations reveal that a discontinuous feeding is inevitable for the speed-up of ECAS process. Moreover, an active cooling is definitely necessary to keep the temperatures at acceptable levels and to ensure an efficient grain refinement.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Trotz der vielversprechenden Eigenschaften ist die kommerzielle Nutzung der durch hochgradige plastische Umformung (Severe Plastic Deformation, SPD) erzeugte ultrafeinkörnige (ultrafine grained, UFG) Werkstoffe aufgrund des hohen Fertigungsaufwands bislang sehr begrenzt. Folglich ist die Entwicklung kontinuierlicher und damit kosteneffizienter SPD-Verfahren zur Herstellung von UFG Werkstoffen von großer technologischer Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neues SPD-Verfahren entwickelt, das auf einer Kombination der Konzepte des Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) und des Vorschubrundknetens basiert. Das als Equal-Channel Angular Swaging (ECAS) bezeichnete Verfahren verwendet zwei oszillierende Knetbacken, deren Kontur einen Kanal mit konstantem Querschnitt und mehreren Scherzonen bildet. In der aktuellen Arbeit wurde zunächst die Mechanik des Prozesses untersucht. Aufgrund der besonderen Kinematik des ECAS-Prozesses wirken im Gegensatz zu herkömmlichen ECAP die Reibkräfte während der Umformung nicht entgegen, sondern in derselben Richtung wie der Vorschub und erleichtern somit den Materialzufuhr in den Prozess. Außerdem sind die axialen Vorschubkräfte von den radialen Umformkräften entkoppelt. Aus diesem Grund zeichnet sich der neuentwickelte ECAS-Prozess durch geringe Axialkräfte in der Vorschubrichtung aus. Geringe Vorschubkräfte sind eine Grundvoraussetzung für eine Übertragung des Prozesses in eine kontinuierliche Fertigung und stellen einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem etablierten ECAP-Prozess dar. Die Zusammenhänge zwischen den axialen Vorschubkräften und den radialen Umformkräften wurden mit Gleichungen definiert, die aus dem Gleitlinienfeldansatz abgeleitet sind. Um die definierten Zusammenhänge zu validieren wurde in der nächsten Phase der Arbeit mit Hilfe der thermo-mechanischen gekoppelten Finite Elemente (FE) Simulationen ein ECAS-Werkzeugsatz mit zwei Scherzonen und einem Kanalwinkel von jeweils 120° entwickelt. Die ersten Untersuchungen an Kupfer und kohlenstoffarmen Stahl beweisen die grundsätzliche Machbarkeit des ECAS-Prozesses. Außerdem können sowohl die Prozesskräfte als auch der Materialfluss während des Umformvorgangs durch optimierte FE-Simulationen abgebildet werden. Aufgrund der konservativen Annahmen bei der Ableitung der Zusammenhänge mittels Gleitlinienfeldansatzes überschätzen die analytisch berechneten Werte die gemessenen Umformkräfte. Trotzdem sind die abgeleiteten Gleichungen in der Lage, die Mechanik des ECAS-Prozesses zu definieren. Die durch ECAS umgeformten Materialien weisen bereits nach dem ersten Umformschritt ultrafeine Subkornstrukturen auf. Durch die Wiederholung des Prozesses sinkt die mittlere Korngröße, während der Großwinkelkorngrenzenanteil steigt. Außerdem zeigen Zugversuche an beiden untersuchten Materialien, dass ECAS zu einer Steigerung der Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie zu einer Abnahme der Gleichmaßdehnung führt, wobei eine ausgeprägte Verformung im Bereich der Einschnürung duktiles Materialverhalten zeigt. In dem letzten Abschnitt wurde mittels FE-Simulationen der Einfluss von ausgewählten Prozessparametern auf die Prozesskräfte, die Temperatur und den Materialfluss untersucht. Es wurde festgestellt, dass ein diskontinuierlicher Vorschub unverzichtbar ist, um den Vorschub zu beschleunigen und somit die Effizienz des Prozesses zu steigern. Zusätzlich führt die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit zu einer signifikanten Zunahme der Prozesstemperaturen und gefährdet die Kornfeinung. Daher ist für eine Weiterentwicklung des ECAS-Prozesses, die einen schnelleren Vorschub ermöglicht, ein aktives Kühlsystem erforderlich.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Production Engineering and Forming Machines (PtU)
Date Deposited: 24 Jul 2014 07:42
Last Modified: 24 Jul 2014 07:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40774
Referees: Groche, Prof. Dr. Peter and Müller, Prof. Dr. Clemens
Refereed: 21 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4077
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